基于Vega的雷達圖像生成仿真系統設計

摘 要:進行合成孔徑雷達(SAR)成像仿真是研究成像雷達的一個重要手段。利用軟件平臺VC++，Multigen Creator和Vega設計機載合成孔徑雷達(SAR)成像仿真系統是一種新的仿真手段，在此論述了利用Vega的雷達仿真模塊——RadarWorks開發機載SAR成像仿真軟件的流程以及整體系統的實現等關鍵技術。仿真結果表明新方法能較好地滿足SAR實時成像仿真需求，有助于促進SAR成像實時仿真技術的發展。

關鍵詞:SAR; 虛擬現實; Vega軟件; Radarworks模塊

中圖分類號:TN957.53 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0056-03

Design of Radar Imaging Simulation System Based on Vega

JU Xiao-jie1，2， DONG Jun-yu1， ZHANG Peng2， ZHAO Li-li2

(1. Ocean University of China， Qingdao 266000， China; 2. The Second Artillery Soldiers and Officers School， Qingzhou 262500， China)

Abstract: The imaging simulation of synthetic aperture radar(SAR) is an important mean for studying the imaging radar. The airborne synthetic aperture radar imaging simulation system designed by software platform VC++， Multigen Creator and Vega is a new simulation method. A series of key techniques such as the process of airborne SAR imaging simulation software developed by Vega radar simulation module RadarWorks， and the implementation of the whole system are discussed. The simulation results indicate that the new method can meet therequirement， and promote the development of SARs′ real-time imaging simulation.

Keywords: SAR; virtual reality; Vega; Radarworks; module

0 引 言

SAR圖像仿真是一種利用計算機仿真的手段獲取SAR數據的技術，由于它具有可靠、無破壞性、安全經濟、研制周期短、不受氣象條件和地域限制等優點，已受到世界各國的廣泛關注。不斷拓展的SAR應用需求對SAR系統的性能提出了更高的要求。高性能SAR系統構成日益復雜，研制周期變長，生產成本上升，技術風險加大，這使SAR成像系統的仿真技術顯得日益重要。本文利用三維視景仿真開發工具Multigen Creator和Vega[1]的雷達仿真模塊——RadarWorks開發出SAR成像仿真系統。

1 SAR成像原理及視景仿真軟件介紹

機載SAR[2]成像是通過沿航線不斷發射和接收電磁波來完成的，每一個沿航線發送和接收電磁波的位置都被看作是大天線陣中的一個元素，通過合成產生一個大天線陣。它依靠脈沖壓縮技術，利用發射寬帶脈沖和飛行平臺運動形成的多普勒帶寬，分別取得距離向和方位向的高成像分辨率，提高空間分辨率，獲得觀測對象的清晰圖像。

Creator[1，3]軟件是美國Multigen-Paradigm公司針對可視化仿真行業應用特點推出的實時可視化三維建模軟件系統，它可以用來對戰場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領域的視景數據庫進行產生、編輯和查看。Vega是美國Multigen-Paradigm公司推出的先進的軟件環境，主要用于虛擬現實技術中的實時場景生成、聲音仿真及科學計算可視化等領域，它支持快速復雜的視覺仿真程序，能為用戶提供一種處理復雜仿真事件的便攜手段。Vega包括友好的圖形環境界面LynX、完整的C語言應用程序接口API、豐富的相關實用庫函數和一批可選的功能模塊，能夠滿足多種特殊的仿真要求。

2 基于Vega的雷達圖像仿真系統

2.1 RadarWork仿真原理

作為Vega的一個模塊， RadarWorks可根據場景和雷達的物理特性模擬特定的雷達顯示。雷達反射面值(RCS)信息是精確生成雷達仿真圖像的基礎。RadarWorks首先根據場景中紋理的材料構成，從材料文件中獲取各種材料的平均后向散射系數及其方差。它們都是頻率、極化方式、入射角的函數。然后再結合場景的幾何信息和雷達參數查找材料數據庫和文化特征數據庫獲取RCS值，生成場景的RCS圖。RCS圖接著被作為雷達模型的輸入。RadarWorks根據用戶定義的雷達參數建立相應的雷達模型，接受RCS圖輸入進行處理，并模擬實際雷達的各種效果，最終生成逼真的雷達顯示圖像。

2.2 仿真系統開發流程

用Multigen Creator和Vega開發[4-5]SAR成像仿真系統，主要包括以下4個步驟:

(1)Multigen Creator建模。

建立SAR所要成像的地表場景的三維模型，包括自然景物和重要的人造目標。這一步要充分考慮SAR成像性能評估的實際需求，建立各種不同特性的場景，如草地、高山、水源、森林、公路、樓房，以充分測試SAR對不同物理特性目標的成像能力。為達到高的逼真度，還要給三維模型貼上恰當的紋理，最終生成FLT模型文件供Vega調用。用Creator建模是一項極其繁瑣、費時的工作，為提高開發速度本文利用Vega自帶的地形文件“town.flt”建立了一個場景。

(2)紋理材料映射。

用Vega的紋理材料生成器(texture material maper， TMM)[6-7]指定各種RGB紋理的材料構成，為RCS信息的計算建立物理特性庫，生成TMM文件。

(3) Vega基本模塊和RadarWorks模塊設置。

在Vega的圖形用戶界面Lynx中設置各輸入文件的路徑[8]，把Creator建立的各種FLT模型文件添加到場景中，設置系統的初始化參數等之后，設定各個模型的放置位置、運動方式、視點位置、視點方式、特殊效果。由于大氣參數如介電常數對雷達的成像效果也有較大的影響， 因此在Vega 的“Environments”和“Environment Effects”模塊[9]中必須詳細設置氣候條件、天氣狀況、大氣濕度、大氣溫度、季節、時間、地理位置等。其他的性能參數用常見參數，作為仿真開始時的默認參數，當然在本文設計的仿真控制面板中可根據實際所要模擬的SAR的參數進行修改。各個模塊設置完畢最終生成應用程序定義文件(ADF)。

(4) 視景驅動。

Vega是一個類庫，它以C語言的API形式出現，每個Vega類都是一個完整的控制結構[10]。在Vega中幾乎每一項內容都是以類來完成的。在這一步中利用Vega的API函數編寫仿真控制程序并啟動，載入ADF文件，通過人機交互界面修改SAR參數，進入主仿真循環。RadarWorks實時計算各種參數，生成模擬的SAR圖像，并接收鍵盤輸入實時更改仿真參數。

2.3 仿真結果

Radarworks模塊的關鍵參數設置如下:

飛機速度:500 km/h;工作頻帶:X波段(8~12 GHz);極化方式:VV;最小顯示(RCS):-30 dBsm;最大顯示(RCS):30 dBsm;高度補償:0;SAR模式:條帶; 斜視角:90°;分辨率計算方法:線性指定;分辨率:2 pixel/m。

C++仿真程序編輯如下:

#include

#include

#include

#include

static void getInput(void);

void main(int argc， char *argv[])

{

/* 初始化 Vega */

vgInitSys();

vgInitRW();

/* 調用設置好的\"sar-town\"Lynx */

vgDefineSys(“sar-town”);

vgConfigSys();

/* 進入主循環 */

while (1) {

vgSyncFrame();

vgFrame();

getInput();

}

}

/* 主循環程序，其中包括對radar參數的實時操作功能 */

static void getInput(void)

{

……

case ′B′: /* 增加噪聲 */

fval = vgGetProp(

vgGetRWSensor(0)， VGRWSENSOR_PPI_BIAS) + 0.05f;

vgProp(vgGetRWSensor(0)， VGRWSENSOR_PPI_BIAS， fval);

break;

…

}

仿真計算結果如圖1，圖2所示，其中圖1為Creator所建立模型的仿真成像區域，圖2為SAR成像結果。

從圖1，圖2可以看出，基于物理機制的雷達模擬成像模塊RadarWorks能很好地模擬SAR成像。從圖中的SAR成像的仿真圖像可以看到圖中的1個像素或多個像素比附近的其他像素更亮，這被看作噪聲。這是由于在一個頻率上高反射的物體在另一個頻率上反射就很少。采用多視技術改變雷達頻率取平均能最小化這種噪聲。Vega的RadarWorks模塊提供了一種頻率跳動的開關去模擬這種效果。

圖1 Creator建模圖

圖2 SAR成像生成圖

3 結 語

SAR雷達視景仿真現已成為仿真軟件系統不可缺少的部分，其具有目標識別能力強，全天候作戰能力以及抗干擾能力強的特點，本文分析了SAR成像仿真機理，提出了一種實時SAR圖像產生方法，并給出了仿真結果。這種方法可以靈活地調節載機、雷達參數，可以根據實際需求方便地產生各種人造目標的回波數據。該項技術具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]龔卓榮.Vega程序設計[ M] .北京:國防工業出版社，2002.

[2]周明俊，陸軍，常青，等.基于Radbase和Vega的SAR圖像仿真系統[ J] .現代雷達，2009，31(3):20-23.

[3]李軍，王紹棣，常建剛，等.基于Vega的視景驅動軟件的分析與設計[J].系統仿真學報，2003，15(3):397-411.

[4]MGPI. Vega programmer′s guide[ M] . Version 3.7.[ S.l.] : MultiGen-Paradigm Inc.， 1998.

[5]MGPI. Mtingultigen Creator User′s Guide[ M] . version 2.6.[ S.l.] : MultiGen-Paradigm Inc.， 1999.

[6]杜健，尹勇，金一垂.MFC框架下基于vega的視景驅動程序的開發[ C] .第四屆全國虛擬現實與可視化學術會議論文集，2004.

[7]HORRELL J M， INGGS M R. Satellite and airborne SAR simulator [C] //Proceeding of the 1993 IEEE South African Symposium.[S.l.]: IEEE， 1993.

[8]宋志明，康鳳舉.Vega開發環境的擴展研究[J].系統仿真學報，2004，16(1):178-179.

[9]賈建科，張麟兮，趙軍倉.合成孔徑雷達(SAR)實時成像仿真研究[J].計算機仿真，2006，23(11):15-18.

[10]李瑞，劉鵬遠，張錫恩.Vega程序設計在MFC中的應用[J].計算機工程與設計，2002，23(8):55-57.