兩種實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像模擬的編程語(yǔ)言對(duì)比分析?

郭 濤 祝明波 陳 麒 梁佐堂

（1.海軍航空大學(xué)電子信息工程系 煙臺(tái) 264001）（2.海軍航空大學(xué)研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天時(shí)、全天候的觀測(cè)能力，對(duì)于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、航海安全、漁業(yè)管理以及海面目標(biāo)的檢測(cè)、監(jiān)視與識(shí)別等方面的研究發(fā)揮著重要作用［1～3］。但是，SAR系統(tǒng)受到各種因素的制約，如探測(cè)環(huán)境、系統(tǒng)參數(shù)、目標(biāo)特性變化等，無(wú)法獲取滿足任意條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且測(cè)試代價(jià)大、可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)靈活性差［4］。對(duì)海面艦船目標(biāo)進(jìn)行成像模擬解決了SAR系統(tǒng)無(wú)法獲取任意條件下海面艦船SAR圖像的問題，在海上目標(biāo)識(shí)別、判讀人員訓(xùn)練、SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能評(píng)估等應(yīng)用中充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

本文采用基于回波信號(hào)的模擬方法對(duì)海面艦船進(jìn)行SAR成像仿真。介紹了海面艦船SAR成像信號(hào)級(jí)模擬流程，分析其數(shù)據(jù)運(yùn)算的特點(diǎn)。分別基于Microsoft Visual C++（以下簡(jiǎn)稱VC++）與Matlab兩種開發(fā)環(huán)境，利用C和Matlab兩種編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像仿真，對(duì)這兩種編程方法進(jìn)行對(duì)比研究。

2 海面艦船SAR成像信號(hào)級(jí)模擬流程

為實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像信號(hào)級(jí)模擬，需構(gòu)建精細(xì)的艦船和時(shí)變動(dòng)態(tài)海面三維復(fù)合模型，進(jìn)行面元的劃分；分析電磁波與隨時(shí)間演進(jìn)的海面及艦船之間的相互作用機(jī)理，通過電磁計(jì)算方法得到海面和艦船的電磁散射模型；分析海面與艦船復(fù)雜的電磁耦合機(jī)制引起的多徑效應(yīng)，構(gòu)建多徑效應(yīng)模型；對(duì)復(fù)合模型進(jìn)行消隱處理，計(jì)算得到復(fù)合模型的后向散射系數(shù)；根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行SAR回波模擬，生成原始回波信號(hào)；通過成像算法處理回波數(shù)據(jù)，獲得SAR仿真圖像，實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像信號(hào)級(jí)模擬［5～6］。其流程如圖1所示。

圖1 海面艦船SAR成像信號(hào)級(jí)模擬流程圖

本文中，海面模型采用雙線性疊加法建立，其海譜模型采用雙尺度模型。其波面高度表示為

式中，ζ(x,y,t)為（x,y）位置在t時(shí)刻的波點(diǎn)高度，aij為振幅，ki為波數(shù)，θj為波向，ωi為角頻率，εij為初始相位。波數(shù)與角頻率的關(guān)系由色散公式確定。振幅滿足瑞利分布，可由雙尺度海譜模型來計(jì)算。

對(duì)海面艦船模型進(jìn)行遮擋判斷時(shí)，采用Z-Buffer算法，比較同一電磁波射線上所穿過的面元同雷達(dá)的距離值，做陰影判斷。因此，需要遍歷所有面元進(jìn)行比較計(jì)算。利用物理光學(xué)法和電磁散射計(jì)算得到各個(gè)面元的后向散射系數(shù)后，生成模擬回波。設(shè)方位向采樣點(diǎn)有M個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)在距離向上發(fā)射N個(gè)脈沖串，對(duì)K個(gè)理想點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行采樣后，其回波數(shù)據(jù)為一M×N矩陣。回波離散后可表示為：

式中Sr為回波矩陣，σ為目標(biāo)模型的后向散射系數(shù)矩陣，C為電磁波傳播速度，λ為電磁波波長(zhǎng)，Tr為脈沖持續(xù)時(shí)間，Tsar為合成孔徑時(shí)間。R、x(k)分別為目標(biāo)面元到雷達(dá)的斜距和在參考坐標(biāo)系中方位向坐標(biāo)。

由此可見，海面艦船SAR成像模擬的數(shù)據(jù)類型大部分是浮點(diǎn)型，數(shù)據(jù)的運(yùn)算大部分為大規(guī)模的矩陣運(yùn)算以及多層循環(huán)計(jì)算，其中矩陣運(yùn)算主要是點(diǎn)乘以及求和運(yùn)算。因此，其數(shù)據(jù)運(yùn)算的特點(diǎn)屬于循環(huán)和浮點(diǎn)運(yùn)算密集型。

3 開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

由于海面艦船SAR成像模擬中含有大量矩陣運(yùn)算，因此，常常利用以矩陣為運(yùn)算基本單元的Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)成像仿真。而對(duì)于軟件的開發(fā)，則往往采用VC++集成開發(fā)環(huán)境，這樣能夠提高應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)效率，便于軟件的維護(hù)、升級(jí)。此外，VC++的代碼執(zhí)行效率比Matlab高。

3.1 Matlab簡(jiǎn)介

Matlab是由Mathworks軟件開發(fā)公司設(shè)計(jì)的一款計(jì)算軟件，其運(yùn)算的基本數(shù)據(jù)元素是沒有維數(shù)限制的陣列，使得用戶可以解決許多包含了矩陣和向量的公式計(jì)算的工程技術(shù)上的問題［7～9］。它主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的計(jì)算環(huán)境［10］。其Matlab語(yǔ)言是一種解釋性語(yǔ)言，語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單、容易掌握、調(diào)試方便，具有強(qiáng)大、便捷的數(shù)學(xué)運(yùn)算和圖形、圖像處理功能。

3.2 Microsoft Visual C++簡(jiǎn)介

Microsoft Visual C++是Microsoft公司推出的C++開發(fā)工具，具有集成開發(fā)環(huán)境，可以提供C、C++以及C++/CLI等編程語(yǔ)言。它包括Microsoft的代碼優(yōu)化技術(shù)、強(qiáng)大的GUI功能和復(fù)雜的資源編輯器，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)效率高，開發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行速度快，實(shí)時(shí)性好。具有接口友好、易維護(hù)和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)［11～13］。但是相對(duì)于 Matlab 缺乏對(duì)大量數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)可視化分析方面的能力［14］。

4 兩種編程語(yǔ)言對(duì)比

Visual Studio 2010是由微軟公司研發(fā)的一套基于組件的開發(fā)工具構(gòu)成，是一套完整的開發(fā)工具。將Visual Basic、Visual C#和Visual C++集成到了同一開發(fā)環(huán)境［15～17］。安裝完 Visual Studio 2010后，在第一次運(yùn)行中即可選擇VC++開發(fā)設(shè)置，即可進(jìn)入VC++開發(fā)環(huán)境。本文中所進(jìn)行的測(cè)試，均在CORSAIR 900D上進(jìn)行，操作系統(tǒng)為Windows7旗艦版64bit、內(nèi)存8GB、處理器為Intel（R）Xeon（R）CPU E3-1230 v3@3.30GHz。測(cè)試的軟件平臺(tái)為Matlab R2014和Visual Studio 2010。

4.1 Matlab與C執(zhí)行效率對(duì)比

通過第2節(jié)分析可知，海面艦船SAR成像模擬的數(shù)據(jù)類型大部分是浮點(diǎn)型，且運(yùn)算中含有大量循環(huán)。因此，通過式（3）來對(duì)Matlab和C執(zhí)行效率進(jìn)行比較。

上述公式中，循環(huán)次數(shù)N隨之n指數(shù)增大，每次循環(huán)進(jìn)行一次浮點(diǎn)運(yùn)算，并不涉及大容量?jī)?nèi)存的存取，適合測(cè)試程序的浮點(diǎn)運(yùn)算速度和執(zhí)行循環(huán)的效率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 Matlab與C執(zhí)行效率對(duì)比

計(jì)算平均耗時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，取算法中的n=25。由上表數(shù)據(jù)可得，C語(yǔ)言在浮點(diǎn)運(yùn)算和循環(huán)次數(shù)多的算法中代碼的執(zhí)行效率比Matlab高，大約是Matlab的4.35倍。

4.2 點(diǎn)目標(biāo)SAR成像仿真

根據(jù)SAR成像工作原理，通過Matlab和C語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)的回波仿真，隨著點(diǎn)目標(biāo)的數(shù)量的增加，比較兩種編程語(yǔ)言在點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行SAR成像仿真時(shí)的執(zhí)行效率。其耗時(shí)結(jié)果如圖2所示。

圖2 點(diǎn)目標(biāo)仿真下Matlab與C的耗時(shí)對(duì)比

由上圖可知，隨著成像區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)個(gè)數(shù)的增加，點(diǎn)目標(biāo)成像仿真的時(shí)間呈線性增長(zhǎng)。由C語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)SAR成像仿真的代碼執(zhí)行效率相對(duì)于Matlab所編寫的要高，且目標(biāo)點(diǎn)數(shù)越多，C語(yǔ)言實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢(shì)越明顯。

4.3 海面艦船SAR成像仿真

本文利用3DMAX軟件構(gòu)建艦船模型，同由雙尺度模型生成的海面模型復(fù)合成目標(biāo)模型；對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行遮擋判斷、消隱處理；利用物理光學(xué)法求解目標(biāo)模型的后向散射系數(shù)；配置SAR系統(tǒng)參數(shù)，生成模擬回波，通過成像算法處理回波獲得SAR圖像。其計(jì)算量主要在海面生成、艦船與海面復(fù)合模型的遮擋判斷以及回波生成這幾個(gè)方面。因此，將從這三個(gè)方面出發(fā)，對(duì)Matlab與C的耗時(shí)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。仿真的海面場(chǎng)景大小為200m×300m，仿真的像素點(diǎn)數(shù)為512×1024個(gè)，其結(jié)果如表2所示。

表2 海面艦船SAR成像仿真兩種語(yǔ)言耗時(shí)對(duì)比

由表中數(shù)據(jù)可知，海面艦船SAR成像仿真過程中消隱處理和回波生成耗時(shí)多，占總仿真時(shí)間約98%。并且在海面生成、消隱處理實(shí)現(xiàn)及回波計(jì)算上C語(yǔ)言執(zhí)行效率明顯占優(yōu)勢(shì)。在海面艦船SAR成像仿真的總耗時(shí)上，C語(yǔ)言編程大約是Matlab編程的5.70%。

在本節(jié)分別從執(zhí)行效率上、點(diǎn)目標(biāo)SAR成像仿真和海面艦船SAR成像仿真三個(gè)層次，對(duì)Matlab與C兩種編程語(yǔ)言進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析得出結(jié)論。基于VC++開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像仿真的執(zhí)行效率比Matlab高，C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的海面艦船SAR成像仿真比Matlab所實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性更好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹并分析了信號(hào)級(jí)海面艦船SAR仿真的過程以及數(shù)據(jù)運(yùn)算特點(diǎn)，介紹了Matlab和VC++開發(fā)環(huán)境。通過Matlab和C編程實(shí)現(xiàn)了信號(hào)級(jí)海面艦船SAR成像仿真。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得出結(jié)論。

基于Matlab實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像模擬，有以下幾方面優(yōu)勢(shì)。

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Matlab的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣，對(duì)矩陣具有強(qiáng)大處理能力，而SAR成像模擬的計(jì)算過程大部分是對(duì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算，因此，相對(duì)于采用只支持標(biāo)量和非交互式的編程語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）實(shí)現(xiàn)起來更為方便。

2）豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。Matlab中包含了大量的計(jì)算函數(shù)，如成像處理算法中所用的Fourier變換和Inverse Fourier變換等，可以方便編程實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

3）強(qiáng)大的圖形圖像處理功能。Matlab具有數(shù)據(jù)可視化和圖像處理功能，為用戶提供了非常豐富的用于數(shù)據(jù)可視化的函數(shù)，很好地滿足了SAR成像模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)可視化需求。

基于VC++實(shí)現(xiàn)海面艦船SAR成像模擬，有以下幾方面優(yōu)勢(shì)。

1）代碼的執(zhí)行效率高。C語(yǔ)言是較低級(jí)的語(yǔ)言，程序生成的代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高，一般只比匯編程序生成的目標(biāo)代碼效率低10-20%。在同一量級(jí)的循環(huán)次數(shù)下，C比Matlab的代碼執(zhí)行效率要高。海面艦船SAR成像模擬中數(shù)據(jù)的運(yùn)算存在多層的大量的循環(huán)，在實(shí)時(shí)性方面，C比Matlab有優(yōu)勢(shì)。

2）結(jié)構(gòu)式的語(yǔ)言。C語(yǔ)言是結(jié)構(gòu)式的語(yǔ)言，程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立，使得程序?qū)哟吻逦阌谑褂谩⒕S護(hù)。

因此，對(duì)于SAR成像實(shí)時(shí)性要求較高的條件下，應(yīng)該選擇C語(yǔ)言編程。此外，基于VC++開發(fā)環(huán)境便于實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)、維護(hù)、升級(jí)，但是在數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)上繁瑣。而Matlab具有強(qiáng)大的圖形圖像處理功能，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單，容錯(cuò)性好，操作相對(duì)容易，對(duì)于SAR成像實(shí)時(shí)性要求不高的條件下，可以選擇Matlab進(jìn)行編程。