基于Creator/Vega的合成孔徑雷達圖像仿真*

孟獻軻 朱 峰

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

基于Creator/Vega的合成孔徑雷達圖像仿真*

孟獻軻 朱 峰

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

合成孔徑雷達(SAR)成像以飛機或衛星為平臺,且以全天候,全天時,可全透性等優點獲取高分辨率圖像,已經成為國內外研究熱點,特別在軍事領域有著廣泛的應用前景。論文研究了合成孔徑雷達成像仿真原理以及其成像仿真系統框架結構,以及地形場景模型的構建與RCS材質映射,最后通過Vega中的RadarWorks模塊來模擬合成孔徑雷達成像仿真,通過設置合理的參數,能夠較好的仿真出真實的合成孔徑雷達圖像。

Creator/Vega; 虛擬現實; SAR; 成像

Class Number TN957

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Apertute Radar,SAR)成像以飛機或衛星為平臺,且以全天候、全天時、可全透性等優點獲取高分辨率圖像,已經成為國內外研究熱點,特別在軍事領域有著廣泛的應用前景。隨著現代高科技技術的迅猛發展,雷達設備變得越來越復雜,獲取相關的實測數據的費用也越來越高,試驗周期也越來越長,從而要求對合成孔徑雷達(SAR)仿真圖像開展研究。

虛擬現實技術為其提供了良好的基礎。它采用計算機圖形圖像技術,構造仿真對象的三維模型并再現真實的環境,達到非常逼真的仿真效果[1],本文利用Multigen-Paradim公司的Creator與Vega軟件,對復雜環境進行合成孔徑雷達(SAR)防真工作,為后續開展圖像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[2]。它利用脈沖壓縮技術獲得高的距離向分辨率,利用合成孔徑原理獲得高的方位向分辨率,從而獲得大面積高分辨率雷達圖像[3]。雷達的距離分辨率由雷達發射信號帶寬決定,方位分辨率由雷達方位向的多譜勒帶寬決定。

影響SAR成像的主要系統參數有波長、脈沖重復周期、峰值發射功率、發射和接收的極化方式、脈沖寬度、側視角及飛行速度等。

2.1 SAR成像仿真系統框架結構

圖1完整表述了整個SAR成像過程的仿真框架原理圖[4],其整體結構主要包括如下幾個部分:成像幾何計算模塊、場景生成模塊、原始數據產生模塊、圖像生成處理模塊。

圖1 SAR成像防真框架原理

根據圖1框架來進行復雜環境的SAR圖像仿真運行效率較低,且實時性也不能滿足要求。利用Multigen-Paradim公司的Creator/Vega軟件能高效快速生成仿真圖像,其防真流程主要通過Creator建模、紋理材料映射、Vega各模塊設置和SAR圖像幾個步驟完成[5],具體流程如圖2所示。

圖2 SAR圖像仿真流程

2.2 地形場景模型的構建與RCS材質映射

合成孔徑雷圖像仿真常見于大面積地形模型和各類復雜的地面文化特征模型構成,其仿真效果的逼真度與仿真實時性關鍵在于合理地構建地形模型與地面文化特征模型正確的RCS材質映射。對于一定的地形范圍來說,建立好一個組織有序、效率很高的地形數據庫是一個需要反復測試的過程。在創建大面積的地形場景之前,可以先提取小部分原始DED(Digital Elevation Data)創建一個用來測試的數據樣本,待測試得到較好的效果后,再建立整個地形模型數據庫,其具體流程如圖3所示。

在Vega中可以根據目標模型的真實物理材質屬性,快速生成灰度化的RCS圖像的整套機制。因為Vega中產生的RCS圖像是基于真實物理材質屬性的,因此可以模擬出較高真實度的雷達圖像。Vega軟件的數據庫提供了150多種材質的RCS數據庫,在材質數據庫中,不同的工作頻段,不同的極化方試,不同的入射角都對應不同RCS值。可以通過Vega自帶的工具Spabba來查看其每種材質的RCS數據庫,并且可以對其修改和擴展[6];利用Vega系統自帶的工具TMM(Texture Material Mapper),可以對模型中每一個紋理圖片中的texel賦予不同的材質,比如,在一塊模型場景中,對其中的一些綠色場景賦予草地材質,一些綠色賦予樹木。在雷達成像模擬過程中,場景的材質屬性將取代紋理屬性,這樣生成的雷達圖像就比較真實[7]。其RCS數據庫獲取流程如圖4所示。

圖3 地形建模流程圖

圖4 RCS數據庫獲取流程

· 規劃數據庫:在確定仿真目標情況下,確定硬件和軟件相關平臺是否滿足要求。

· 準備地形數據:獲取地形數據庫所需數據,將其處理為Creator能夠識別的數據。

· 創建測試地形:利用小部分DED創建一個測試地形數據庫,并進行有針對性的測試。

· 完善地形模型:選擇合適的紋理映射方式對地形模型進行紋理映射,并添加地物模型。

· 檢驗與優化:在實時仿真系統中運行,檢驗其性能,包括每個細節層次,確保相鄰的LOD之間可以平滑過渡。

· 添加地形模型:在仿真系統資源允許的條件下,向地形模型數據庫添加地物模型來達到豐富的視覺效果。

3 Vega中SAR成像仿真

3.1 Vega中RadarWorks模塊

對于傳統的雷達系統仿真過程和結果都是以數學公式和大量的數據呈現出來,不但形式上不直觀,內容上也枯燥,Vega提供了實時、高逼真的模擬雷達成像仿真,解決了這一問題[8]。

Vega中用于仿真雷達成像的模塊是RadarWorks,其原理是獲取仿真場景模型的材質屬性(不同的金屬、沙子、木材等)來成像,這些材質屬性在RadarWorks數據庫中都有對應的RCS值,然后根據RCS值模擬雷達成像,從而生成逼真的雷達成像圖[9]。

3.2 RadarWorks參數設置

RadarWorks模塊主要模擬空對地類型的機載類雷達成像圖,RadarWorks模塊支持的雷達類型有三類,分別為:用于導航和確定目標位置的地形測繪雷達(Real Beam Ground Mapping,RBGM)、多普勒波束銳化雷達(Doppler Beam Sharpening,DBS)以及合成陣列(孔徑)雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR);支持雷達發射脈沖頻率的范圍為1GHz～27GHz;支持同極化(VV和HH)和交叉極化方式(VH和HV),但不支持綜合極化方式;支持兩種分辨率;線性指定(Linear)和系統參數計算(system parameters)[10]。通過設置合理的雷達工作參數,就可以仿真出較為真實的SAR雷達圖像。可對SAR成像仿真產生主要影響的參數有:雷達平臺于仿真目標間的距離、工作頻率、飛行速度等。

圖5～圖8為工作頻段和極化參數在不同設置情況下的SAR成像仿真。

1) 不同工作頻段的成像仿真:

圖5 L波段成像圖

圖6 X波段成像圖

2) 不同極化方式的成像仿真:

圖7 HH極化成像圖

圖8 VV極化成像圖

圖9、圖10為RadarWorks在實際中運用的效果圖,其中參數是以C工作頻段,VV極化方式,10°入射角,SAR平臺與場景中心距離為5000m:

圖9 城市場景圖

圖10 城市場景的RCS圖

4 結語

本文研究了合成孔徑雷達成像仿真原理以及其成像仿真系統框架結構,然后通過Vega中的RadarWorks模塊來模擬合成孔徑雷達成像仿真,通過設置合理的參數,能夠較好地仿真出真實的合成孔徑雷達圖像。該方法能夠方便有效地修改參數,并且在修改之后能夠很快看到修改后的結果,因此在合成孔徑雷達系統測試、評估等方面都有良好的輔助作用。

[1] 王正中.仿真學科的研究與思考[J].系統仿真技術及其應用,2007(9):1-4.

[2] 唐婕,龔光紅.大面積真實地形場景庫的生成與普實時顯示技術[J].系統仿真學報,2006,8(18).

[3] 孫家廣,等.計算機圖形學[M].第三版.北京:清華大學出版社,1998:70-72.

[4] 王乘,李利軍,等.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2005:93-95.

[5] 朗代兵.全力保證三維數模的質量[J].CAD/CAM與制造業信息化,2003(11):86-87.

[6] Skolnik M I. Radar handbook[M].北京:電子工業出版社,2003:12-14.

[7] Sensor Products Guide[M]. USA: Multigen2Paradigm Inc.,2000:51-52.

[8] Alfred J Menezes, Paul C van Orschot, Scott A Vanstore. Handbook of applied cryptography[M]. Beijing: Publishing House of Electronic Industry,2004:434-435.

[9] 劉永坦.雷達成像技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1999:173-174.

[10] George. W. Stimson機載雷達導論[M].北京:電子工業出版社,2005:38-39.

Image Simulation in SAR Based on Creator/Vega

MENG Xiangkuo ZHU Feng

(The 28th Reaseach Institude of China Electronics Technology Guoup Corporation, Nanjing 210007)

Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging based on aircraft or satellite platform, can obtain high-resolution images through features such as with all-weather, all-time, full-permeable, which has become the research focus of world, especially in the military field. In this paper, synthetic aperture radar imaging principle and its imaging simulation system framework, as well as terrain scene model RCS’s construction and material mapping are studied, and finally the RadarWorks of Vega modules is used to simulate synthetic aperture radar imaging simulation, and by setting reasonable parameters, better simulation of real synthetic aperture radar images can be achieved.

Creator/Vega, virtual, SAR, imaging

2013年7月5日,

2013年8月21日

孟獻軻,男,工程師,研究方向:作戰指揮控制。朱峰,男,工程師,研究方向:作戰指揮控制。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.028