戰場環境傳感信息的可視化研究

摘 要：現代航空航天平臺能裝載多種特征的遙感傳感器，把這些傳感器裝載到航空航天平臺上進行試驗，費用高，風險系數大，研制周期長，因此很有必要利用現代計算機仿真技術，對這些傳感器的性能進行仿真研究。基于此提出了一種在建立戰場傳感信息基礎上，利用雷達、紅外傳感器對戰場環境進行可視化仿真的方法。并結合視景仿真軟件Vega的雷達成像模塊RadarWorks和紅外成像模塊SensorVision進行了合成孔徑雷達成像和戰場紅外成像仿真。仿真結果表明了該方法的有效性。

關鍵詞：傳感信息；SAR成像；紅外成像；戰場環境

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1500605

Visual Research of Sensor Information in Battlefield Environment

SUN Jiangyan1，WANG Baoping2，JIA Jianke3

(1.Center of Computer，Xi′an International University，Xi′an，710077，China;

2.Defense Key Laboratory of UAV Special Technology，Northwestern Ploytechnic University，Xi′an，710072，China;

3.Shaanxi University of Technology，Hanzhong，723001，China)

Abstract：The modern aerospace terrace can load many kinds of remote sensing sensors of characteristics.Loading these sensors to the aerospace and testing on the terrace，the cost is high，the risk coefficient is big and the development time is long.Therefore，it is necessary to study these sensors′capability making use of the modern computer simulation technology.Based on this，this paper gives out a new method of battlefield′s visual simulation using radar and infrared sensors.The simulation results of SAR imaging and infrared imaging are given out using view simulation soft Vega′s radar imaging module RadarWorks and infrared imaging module SensorVision.The simulation result shows effectiveness of the method.

Keywords：sensor information；SAR imaging；infrared imaging;battlefield environment

在現代戰爭中，高科技技術有著重要應用，如紅外成像制導技術、合成孔徑雷達成像技術、紅外成像技術等在現代戰爭中發揮著重要作用。自20世紀下半葉，基于雷達、紅外、地磁、可見光等多傳感器的傳感信息的航空航天遙測遙感技術的快速發展，為現有的地理信息系統提出了新的要求，要求地理信息系統不僅攜帶地理位置、地貌特征數據，而且具有傳感信息數據。直接利用地面的傳感信息進行遙測遙感研究和作戰武器性能的實戰演練研究，有許多不足之處：要耗費大量的資金和軍用物資，研制周期長，安全性差，而且很難在實戰演習條件下改變狀態，因此有必要利用可視化仿真技術進行研究。然而現階段，國內外的虛擬戰場環境仿真技術大多是對戰場環境及作戰過程的仿真，對利用傳感信息進行戰場環境的可視化仿真研究不多。基于此，本文提出了一種利用傳感信息對戰場環境進行仿真研究的方法。

1 戰場環境的傳感信息

航天航空平臺能裝載多種特征的遙感傳感器，如雷達、可見光、紅外、地磁等。這些平臺綜合利用多種傳感信息進行融合效果分析，能夠更準確地發現、識別和描繪地面的實體目標特征。在這些航天航空平臺中，星載、機載成像雷達和紅外成像系統就是一個很重要的應用。成像雷達主要包括合成孔徑雷達、實孔徑陣列成像雷達、逆合成孔徑雷達等，合成孔徑雷達的主要應用是發現和識別軍事目標，如作戰飛機、坦克群，機場和停機坪，各種車輛、橋梁、鐵路、公路、堤壩和各種軍事建筑物等。另外目前SAR正在向多頻段、多極化、變入射角、多模式方向發展，即使被偽裝或隱藏起來的軍事目標，SAR照樣可以發現和識別目標。紅外成像在戰場環境中的重要應用之一是紅外成像制導，紅外成像制導是當今最先進的紅外制導方式之一，由于其目標識別能力強，因而成為當今精確制導武器的一大發展趨勢。同時在紅外導引頭的研制測試過程中，紅外圖像的獲取是十分重要的。然而通過現場實拍得到的圖像有很大的局限性，首先很難獲得各種氣象條件下的紅外圖像，另外許多軍事目標的紅外圖像也是無法拍到的，而且外場拍攝要耗費很長的時間和大量的人力物力。紅外景象仿真技術可以很好地解決這些問題，其優點是有效、完備、經濟、安全。因此很有必要利用現代快速發展的計算機技術進行成像仿真研究。從合成孔徑雷達成像和紅外成像的機理可知，要進行戰場的SAR成像和紅外成像仿真，就要建立相應的傳感信息源，即建立與真實戰場環境所對應的地物、軍事目標、建筑物的物理屬性數據庫。

根據合成孔徑雷達成像仿真機理和紅外成像仿真機理可知，戰場環境傳感信息與環境中的背景、軍事目標、建筑物的表面紋理材質的物理屬性有關。合成孔徑雷達成像利用材料對電磁波的散射特性數據，即雷達散射截面(RCS)。自然場景的RCS是其后向散射系數的函數，人造物體的RCS是入射電磁波的頻率、極化方式、入射角、反射角的函數。因此SAR成像仿真的傳感信息是場景及三維模型實體的雷達散射截面，為了仿真需求，必須建立場景中紋理材料的后向散射系數數據和入射到三維實體模型的表面的電磁波的頻率、極化方式、入射角和反射角數據。紅外成像利用材料的物理屬性數據和空間中大氣的傳輸特性數據，如紋理材料的光譜吸收率、反射率、熱特性、大氣的輻射、大氣對紅外輻射的衰減等。紅外成像仿真的關鍵是確定物體表面的溫度分布和輻射場，通過溫度場來計算各點的紅外輻射。

2 戰場傳感信息集成

戰場傳感信息集成，就是建立戰場環境傳感信息的數據庫。建立傳感信息數據庫，與建立一般仿真所需的數據庫不同。數據庫中材料的物理屬性必須與真實材料的物理屬性相同。Vega軟件提供了150多種材料的物理屬性數據，該數據庫文件(.mtl)是二進制文件，利用Vega自帶的工具spabba可以把文件轉換成ASCII文件，可以使使用者編輯和修改數據庫文件。使用者也可以創建自己的材料數據庫文件。下面是一個紋理材料文件的例子:

0 0 535001 3050000

vgSPMtl \"Asphalt Shingles\" 0x10015b88 {

category:Construction

vgSPHt 0x10016d38 {

surface layer :Asphalt

solar absorptivity :0.7

thermal emissivity :0.95

characteristic length :0.025

evaporation index :No

specific heat :0.9 w-sec/gm/K

conductivity :0.75 w/m/K

density :2e+06 gm/m**3

suface layer thickness :0.0254 m

sub-layer 1 thickness :1 m

sub-layer 1 material :Packed Dirt

sub-layer 2 material :Limestone Rock

}

vgSPRadarParam 0x10016920 {

6:frequency -

0 :0

1 :1

2 :2

3 :3

4 :4

5 :5

4:polarization -

0 :0

1 :1

2 :2

3 :3

256 :incident angle -

0 :0

1 :0.352941

…

255 :90

}

vgSPRadar 0x10016d90 {

6144:sigma -

(0，0，0) :-100

(0，0，0.352941) :-41.7923

…

(5，3，90) :19.1

6144:standard deviation -

(0，0，0) :0

(0，0，0.352941) :0

…

(5，3，90) :8.1

}

vgSPRef 0x10016da8 {

491:wavelength，reflectance -

0 :0.42，0.101876

1 :0.422，0.096006

…

490 :14，0.019337

}

vgSPSpec 0x10016dc0 {

2:wavelength，specular fraction，specular lobe size -

0 :0.2，0，0

1 :50，0，0

}

}

雖然Vega軟件已提供了150多種材料的物理屬性數據，但距離戰場環境的仿真需要相差甚遠，因此為了仿真的需要，有必要建立多種材料的物理屬性數據庫。

3 合成孔徑雷達成像仿真方法實現過程

該方法是在建立場景模型的基礎上，利用場景、目標模型的紋理材料特性數據和雷達電磁波的特性(頻率、極化)計算雷達散射截面(RCS)，然后利用Vega的傳感器模型得到SAR圖像。下面具體介紹該方法的實現過程。

3.1 場景建模

場景建模即建立了三維自然地形、人文特征目標等模型。在建立三維自然地形模型時，要在模型上貼上地表紋理。在建立人文特征目標模型時，要選擇相應的特征碼和表面材質碼，貼上相應的紋理材質。

3.2 初始化LynX圖形界面

初始化LynX圖形界面主要包括窗口、通道、場景、對象物、碰撞檢測、環境及環境特效、場景運動體、觀察方式的初始化。同時要初始化RadarWorks模塊，包括頻率、極化方式等參數的選擇，SAR圖像輸出方式的選擇，運動補償等。

3.3 建立紋理材質與真實材質的映射

為了對戰場環境進行SAR成像仿真，在建立場景模型的基礎上，需要建立紋理材質與真實材料的映射關系，以便得到紋理材料的物理屬性。當雷達天線的波束輻射到場景中某一區域時，要指定該區域內紋理材料的真實材質，如指定這種紋理材料是植被，那種紋理材料是金屬，如圖1所示。對于這一工作，Vega軟件中紋理材料圖生成器(Texture Material Mapping，TMM)來完成。TMM工具是Vega軟件提供的材質賦予工具，利用它在紋理圖上定義材質特性，生成材質圖片，為紅外探測器、雷達等模塊運行時提供物體的材質屬性。TMM工具并為紋理材料數據庫中的所有紋理分類，通過分類使紋理材料與真實材質建立了映射關系。這些被分類的紋理被用來決定紋理材料數據中的材料屬性。

3.4 圖像模擬

利用模型的紋理材料的物理屬性數據和初始化LynX圖形界面時初始化的一些雷達參數，從計算電磁場角度計算場景中每一個像素的RCS值，然后利用SAR成像算法，就可以進行SAR成像仿真。當用戶飛過Vega場景時，Vega軟件中的RadarVision計算每一個像素的RCS值，RadarWorks模塊的傳感器模型將RadarVision計算的RCS值與用戶定義的雷達參數值(波束寬度，距離向大小，天線模式，信號處理信息)相結合產生SAR圖像。這充分體現了SAR成像仿真的實時性，即當用戶飛過Vega場景時，就可得到場景的SAR圖像。RadarWorks也模擬了有效的SAR傳感器和處理效果如頻率跳動、分辨率、運動補償，邊緣增強，并且相應的修改RCS圖。數據能夠實時地被處理直到掃描區域一副完整的圖被編輯完成。運動補償通過計算每個像素的方位向和距離向加權函數的卷積來完成。RadarWorks也考慮了地形和人文要素形成的雷達陰影的實時計算，陰影通過IRIS Performer計算，因此要利用SGI硬件。這保證了當用戶飛過Vega場景時，每個對象的幾何陰影能被實時計算。

3.5 編程仿真

在VC⁺⁺語言環境下，編程仿真。Vega軟件具有友好的圖形環境界面，完整的C語言程序應用程序接口API，豐富的實用庫函數，這就減少了源代碼的編寫，提高了工作效率。編程過程中，可以調用Vega的庫函數VgCetProp，通過鍵控來達到不同時刻、不同環境下的SAR圖像。程序流程圖如圖2所示。

4 紅外成像仿真過程

根據紅外成像仿真原理可知，基于Vega的紅外成像仿真方法可分為以下幾個過程：首先建立場景模型；其次建立大氣傳輸模型，并計算大氣衰減；最后計算紅外探測器上接收到的紅外輻射強度，并完成由輻射強度到灰度值的轉換，生成紅外圖像。SensorVision模塊可以實時產生從可見光到遠紅外線間各個波段的紅外仿真圖像。利用SensorVision模塊生成紅外圖像的過程為：在利用圖形界面LynX定義的ADF文件的基礎上，SensorVision模塊利用Texture Mapping Tool (TMM)設定物體的紋理和材料物理特性;然后利用MOSART Atmospheric Tool (MAT)設定大氣傳輸模型，計算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽或月亮的直接輻射等，由于計算量很大，采用預先計算好，生成mat文件。在仿真中，可以有多個mat文件，SensorVision讀取.mat文件，直接使用預先計算好的這些參數可以加速仿真速度；最后通過SensorVision調用已經計算的各種參數，利用輻射度計算公式，計算場景中的紅外輻射強度，并完成從輻射強度到灰度值的轉換，生成紅外圖像。該過程用流程圖可表示如圖3所示。

4.1 場景建模

場景的紅外成像仿真中，場景包括目標和背景。場景建模首先要建立目標和背景的三維幾何模型。目標主要包括車輛、飛機、坦克等;背景主要包括地表、山坡、河流、公路、稻田、樹木、建筑物等。在幾何建模過程中既要模型的逼真性，又要考慮仿真的實時性要求，傳統的用增加多邊形數量來提高幾何模型逼真性的方法是不可取的。為了加快圖形顯示速度，本文采用紋理映射技術來實現。TMM工具是視景仿真軟件Vega提供的材料紋理賦予工具，利用它在紋理圖上定義材質特性，生成紋理材質圖片，為紅外探測器、雷達等模塊運行時提供物體的材質屬性。由于物體的材質屬性直接影響其紅外輻射特性，這一步對紅外成像仿真工作很重要，對大幅場景這部分工作也是十分繁重的。目前版本的TMM提供了10大類172種材質，并且可以創建新的材質數據，每種材質都有相應的光譜特性庫和熱特性庫。因此，為了紅外成像仿真的需要，目標和背景的幾何模型建成后，要利用TMM工具為模型映射相對應的紋理材質，同時也就建立了目標的紅外輻射模型。同時在建立模型的過程中，還要設定具體天氣情況、星歷模型以及觀察者的位置及狀態等。

4.2 建立大氣傳輸模型

目標至紅外探測器的路徑上存在著大氣，物體的紅外輻射受到大氣中某些氣體選擇性吸收和懸浮微粒散射等因素的作用而產生衰減。許多大氣因素，如風、云、霧、雨、雪等，直接影響大氣衰減。計算大氣衰減的方法很多，主要有經驗公式法和大氣模型法，目前精度較高的是美國的LOWTRAN模型。而在Vega中，利用MAT設定大氣傳輸模型，計算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽或月亮的直接輻射等。MAT工具用來創建、編輯、生成大氣傳輸特性的數據庫，首先設定地理位置、大氣狀態、氣象條件和光譜波段等參數，然后利用MOSART和TERTEM軟件，根據所輸入的參數，得到特定光譜范圍內的大氣傳輸特性以及相關物質的輻射特性，生成相應的數據庫，以提供紅外成像仿真過程中Sensor模塊所需要的數據。

由于大氣傳輸特性的計算十分復雜和繁瑣，且計算量巨大，因此這部分的工作要在仿真前完成，以保證仿真的實時性。MAT將一種大氣狀況下，各個時間內的傳輸特性存放在一個數據庫中，仿真過程中只要調用相應的數據庫就可以得到所需數據。

4.3 場景的紅外輻射建模

紅外成像仿真的關鍵是確定物體表面的溫度分布和輻射場，通過溫度場來計算各點的紅外輻射。實際情況下，目標的表面溫度和輻射通量主要受背景輻射和內熱源的影響，必須建立其適當的背景和內熱源模型。對于無內熱源目標，例如草地、人造物等它們的溫度分布和自身材料的熱特性、光譜反射特性以及背景輻射等因素有關，通過求解熱交換方程來確定。而對于有內熱源目標，例如飛機、車輛等，它們自身的某些部位是內熱源，可以產生熱量，是目標溫度分布的主要因素，對此應根據實際情況給定目標的溫度分布或建立內熱源模型求解其溫度分布。目前從國內外的研究狀況來看，1996年，Hyum提出用等效熱阻把內熱源與物體表面聯系起來的模型，借以模擬內熱源與物體表面間熱傳導的物理過程。這種方法不僅使模型具有物理意義，而且紅外仿真效果也有很大提高。目前對背景紅外成像仿真的方法基本上遵從測量、經驗與理論相結合的原則。TMM工具為場景模型賦予材質紋理，每種材質都有其相應的光譜反射特性庫和熱特性庫。由于紋理材質數據庫是開放的，可以根據模型的表面溫度分布或建立內熱源模型求解其溫度分布和實際物體的材料特性，建立相應紋理材質文件(.mtl)，且該文件包含材質的熱特性庫和光譜反射特性庫，再把建立的材質文件添加到Vega的材質數據庫中。根據已經建立的大氣傳輸模型和目標與背景模型以及目標與背景構成材料的物理屬性，利用輻射度計算公式計算探測器上所接受到的紅外輻射強度。Vega的Sensor模塊用來模擬生成可見光譜段以外的圖像，Sensor模塊包括SensorVision和SensorWorks兩個部分。利用它可以控制紅外探測器的參數，模擬探測器對紅外成像的影響，處理Sensor模塊與其他模塊以及MAT、TMM工具的連接與調用。得到在探測器成像面上對應像元的輻射亮度，并不是最終結果，數字圖像反映的是灰度值，因此必須把輻射亮度轉化為灰度等級，這是個量化的過程。按照將最大的輻射度對應于255，最小的輻射度對應于0的原則生成一個灰度圖像。

4.4 場景紅外圖像的實時仿真

Vega讀取已經生成的三維紅外場景模型，并考慮各種目標以及觀察者的運動狀態，對場景中的靜態及動態目標進行實時模擬，使場景中的各種動態目標運動起來。為了方便控制場景，本文利用了一種將Vega窗口植入到基于MFC的View窗口的方法。該方法實質是將Vega著色放進MFC的View窗口中進行。當前有兩種可實現View窗口的Vega驅動：一是直接繼承MFC中的CView類，稱為直接繼承模式；二是通過繼承MFC中的CView類而派生出一個子類zsVegaView，稱為模板方法模式。這個zsVegaView類提供了啟動一個Vega線程最基本功能，還以虛函數的形式定義了特定的應用要進行操作的通用接口，因此用戶的應用程序只需從zsVegaView派生出新類并根據需要重載必要的虛函數即可。本文采用了模板方法模式。zsVegaView類由CView類派生，并封裝了Vega特性的變量、函數和定義運行線程。

5 結 語

戰場環境傳感信息的可視化是一個龐大、復雜的系統工程。本文在分析SAR、紅外成像仿真原理的基礎上，給出了基于實時視景仿真軟件Vega的戰場環境傳感信息的可視化方法，為戰場環境傳感信息的可視化研究提供了一個可行的方法。只要能建立目標的傳感信息，就可以利用這些傳感信息實現戰場環境的可視化。雖然取得了較為理想的仿真結果，但有些工作，例如，如何獲取更多傳感信息數據，建立更大的傳感信息數據庫；如何在多臺計算機上進行交互式仿真研究，充分體現仿真的實時性等方面仍然需要進一步的研究和探索。

參 考 文 獻

［1］韋有雙，楊湘龍，王飛.虛擬現實與系統仿真\\.北京：國防工業出版社，2004.

［2］龔卓蓉.LynX圖形界面\\.北京：國防工業出版社，2002.

［3］龔卓蓉.Vega程序設計\\.北京：國防工業出版社，2002.

［4］徐傳剛，宋利權.紅外復雜場景仿真系統的設計與實現\\.紅外與激光，2005，34(2):241-243，252.

［5］劉永坦.雷達成像技術\\.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1999.

［6］賈建科，張麟兮.基于Vega的紅外成像制導仿真技術研究\\.彈箭與制導學報，2005，25(SD):876-878，890.

作者簡介 孫姜燕 女，1965年出生，高級工程師。主要研究方向為視景仿真。

王保平 男，1964年出生，博士后，副教授。主要研究方向為圖像處理、雷達成像。