基于Vega的艦船SAR圖像仿真＊

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率的成像雷達,以飛機或衛星為平臺,獲取高分辨率的圖像,具有不受時間、天氣的因素限制、分辨率與距離無關等特點,已成為國內外研究的熱點。隨著現代高科技技術的發展,雷達設備變得越來越復雜,獲取實測數據的費用越來越高,要求人們針對合成孔徑雷達(SAR)仿真圖像開展研究。

本文利用三維視景仿真開發工具Multigen Creator和Vega,針對艦船開展合成孔徑雷達(SAR)圖像的仿真工作,為后續開展的圖像特征提取、識別等工作提供大量的素材,從而驗證各類算法的有效性和實用性。

2 SAR成像仿真原理

SAR成像是一個回波信號處理的過程,即從機載或星載合成孔徑雷達發射天線發射出去的電磁波,經目標散射后回到合成孔徑雷達接收天線后進行相應的處理,運用相應的成像算法生成圖像。可見,回波信號是決定成像效果的基礎,而決定回波信號的重要因素是雷達散射截面(RCS)[1],所以開展SAR圖像仿真,必須要確定目標區域的RCS值。目標區域的RCS受到目標區域的物理屬性影響,因此除了建立目標區域的模型外,還需建立相應的紋理材料數據庫,獲取各種材質的平均后向散射截面積,同時根據仿真的波段、極化方式、脈沖重復頻率、回波功率范圍等參數,生成目標區域的像素化RCS圖,并根據場景信息對RCS圖進行修改,生成最終的SAR圖像。

3 SAR成像仿真軟件Multigen Creator和Vega介紹

SAR成像仿真包括建模和仿真兩個部分。Multigen Creator是一套高逼真度、最佳優化的三維建模工具,提供創建和編輯數據庫文件的可視化環境,使用統一的OpenFlight格式數據,具有如細節層次、多邊形刪減、繪制優先級、分離平面等特點[2～3],并且能夠與后續的仿真軟件結合,完成視景方針。

Multigen Vega是一套專業視景仿真軟件,具有友好的圖形用戶界面Lynx、完整的C語言應用程序接口API、豐富的相關使用庫函數和一批可選的功能模塊[4]。本文利用Vega中的一個可選模塊RadarWorks,通過紋理材料圖生成器(TMM)產生目標材料紋理,得到目標區域的RCS,選取不同的極化方式(VV,VH,HV,HH)和入射波頻率等因素,得到相應的仿真圖像。

4 圖像仿真流程

SAR圖像仿真主要通過Multigen Creator建模、紋理材料映射、Vega各模塊設置和SAR圖像模擬等四個步驟完成[5],具體流程如圖1所示。

圖1 SAR圖像仿真流程

4.1 Multigen Creator建模

在設計艦船模型時,將艦船目標劃分為分段模塊、次模塊、組件、零部件等,運用積木式模塊化建模思想[6],并逐一定義其上下層次關系、制造方法。積木式模塊化建模思想建造艦船三維模型,就是先將復雜的艦船按照艦體結構逐級劃分為有限多個模塊單元,再把各模塊單元作為獨立單位分別建模,最后是完成多個模塊的拼接,構成艦船三維模型的整體。具體步驟如下：

1)建模數據采集

采集關于艦船大量文字性描述知識、較為準確模型參數和模型圖紙。數據收集工作完成后,要對收集到的數據要進行初步的處理,去掉一些不正確或冗余的數據,同時使收集的數據保持相同的精度,然后進行數據轉換和剪裁在掌握了該型艦主船體型值參數和橫剖型線之后,就可以在Multigen Creator環境下,構建其三維模型。

2)確定艦船三維模型的層次結構[7～8]

通過數據采集和模型測量后,就可以確定整個目標的大體結構。按照實體位置的分布情況,可以對整個艦船區域進行分割,并由此劃分實際艦船的基本層次結構,一般來說,航行狀態的艦船可見的基本結構包括：主船體結構(Hull)、上層建筑結構(Superstructure),其它裝備結構(Other)。具體層次結構如表1所示。

表1 艦船的基本層次結構

3)進行可視建模

按照所確定的模型層次結構和模型圖紙,在Multigen Creator中利用建模工具箱逐層進行可視建模。首先根據模型圖紙確定Multigen Creator中合適的三維空間坐標系及適當的比例尺;其次確定艦船每個部位相對位置,然后在模型圖紙上量出艦船各個部位的長、寬、高,根據長、寬算出每個節點對應在Multigen Creator中的坐標位置;接著利用Multigen Creator中的多邊形工具(Polygon)將節點連接成面,形成各個部位的截面圖,并將其按照站點轉移到相應的位置;最后根據高度,再利用放樣工具(Loft)將該部位的截面圖拉升,形成一個三維立體的艦體結構,當每個部位的模型都建立之后,根據以上步驟確定的每個部位相對位置將各個部位進行組合,從而獲得較為真實的艦船三維模型[9～10]。提康德羅級導彈巡洋艦三維立體模型如圖2所示。

圖2 提康德羅級導彈巡洋艦三維立體模型

4.2 紋理材料映射[11]

由SAR成像仿真原理可知,在建立場景和目標模型的過程中,為了SAR成像仿真的需求,須為模型建立紋理材料數據及其物理屬性數據。本文利用Vega的紋理材料生成器(TMM),指定目標艦船的紋理材料屬性,為RCS信息的計算建立物理特性庫,最后生成包含著模型幾何體材質信息的后綴名為.tmm的紋理材質映射文件。

4.3 Vega各模塊設置

在Vega的圖形用戶界面Lynx中設置各輸入文件的路徑,把Creator建立的flt模型文件添加到場景中,設置系統的初始化參數等之后,設定模型的放置位置、視點位置、視點方式、特殊效果等。在RadarWorks模塊中設置雷達的類型為SAR,其他的性能參數根據需要設置相應的參數,各個模塊設置完畢最終生成應用程序定義文件(ADF)。

4.4 SAR圖像模擬

RadarWorks模塊通過對應的材質信息,獲取目標的后向散射截面積,同時利用設置的波段、極化方式、脈沖重復頻率等信息,生成研究區域的像素化RCS圖,根據分辨率、平臺運行速度、運動補償、噪聲級別等參數,對RCS圖進行修改,生成SAR圖像。

表2 具體參數設置

5 仿真結果

本文得到在條帶式(Stripmap SAR)和聚束式(Spotlight SAR)兩種不同工作方式下的成像結果,具體參數設置如表2所示,成像結果如圖3和圖4所示。

6 結語

本文通過Multigen Creator進行艦船模型建立,并應用Multigen Vega進行SAR圖像仿真,得到了仿真結果,該圖像可以為后續的特征提取、識別開展研究提供素材。該方法是在部分理想條件下開展研究,得到的仿真圖像與實際的圖像有一定差別,但不影響后續研究結果,能夠滿足開展后續圖像處理研究的需求。

[1]孫洪.合成孔徑雷達圖像處理[M].北京：電子工業出版社,2005,2

[2]翟麗平.基于M ultiGen的虛擬現實三維建模技術研究與實現[D].重慶：重慶大學,2005

[3]楊波.虛擬現實技術-MultiGen、Vega應用研究[D].電子科技大學,2001

[4]王乘,李利軍,周均清,等.Vega實時三維視景仿真技術[M].武漢：華中科技大學出版社,2005,12

[5]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)：27～30

[6]王飛,趙廣州,張天序.基于Vega的艦船模型多尺度多視點提取技術[J].計算機與數字工程,2006,34(12)：26～29

[7]朱錫.水面艦艇結構[M].大連：大連海事大學出版社,1997

[8]魏剛,宋裕農.基于Multigen構建艦船三維模型的探討[J].青島大學學報,2002,17(4)：86～88

[9]孫長勇.虛擬現實中三維建模技術方法的分析與研究[D].信息工程大學,2004

[10]劉瑞玲.基于MultiGen/Vega虛擬現實的研究[D].北京：北京交通大學,2006

[11]陶旭,孫德建,李鵬,等.基于Vega軟件的SAR實時仿真技術[J].計算機與現代化,2008(12)：35～37