基于Vega的艦船SAR圖像仿真＊

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)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(wèi)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(guān)等特點,已成為國內(nèi)外研究的熱點。隨著現(xiàn)代高科技技術(shù)的發(fā)展,雷達設(shè)備變得越來越復(fù)雜,獲取實測數(shù)據(jù)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(fā)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(xù)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(fā)射天線發(fā)射出去的電磁波,經(jīng)目標(biāo)散射后回到合成孔徑雷達接收天線后進行相應(yīng)的處理,運用相應(yīng)的成像算法生成圖像?？梢?回波信號是決定成像效果的基礎(chǔ),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(biāo)區(qū)域的RCS值。目標(biāo)區(qū)域的RCS受到目標(biāo)區(qū)域的物理屬性影響,因此除了建立目標(biāo)區(qū)域的模型外,還需建立相應(yīng)的紋理材料數(shù)據(jù)庫,獲取各種材質(zhì)的平均后向散射截面積,同時根據(jù)仿真的波段、極化方式、脈沖重復(fù)頻率、回波功率范圍等參數(shù),生成目標(biāo)區(qū)域的像素化RCS圖,并根據(jù)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(yōu)化的三維建模工具,提供創(chuàng)建和編輯數(shù)據(jù)庫文件的可視化環(huán)境,使用統(tǒng)一的OpenFlight格式數(shù)據(jù),具有如細節(jié)層次、多邊形刪減、繪制優(yōu)先級、分離平面等特點[2～3],并且能夠與后續(xù)的仿真軟件結(jié)合,完成視景方針。

Multigen Vega是一套專業(yè)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(yīng)用程序接口API、豐富的相關(guān)使用庫函數(shù)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(chǎn)生目標(biāo)材料紋理,得到目標(biāo)區(qū)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(yīng)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(shè)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(shè)計艦船模型時,將艦船目標(biāo)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(guān)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(fù)雜的艦船按照艦體結(jié)構(gòu)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(gòu)成艦船三維模型的整體。具體步驟如下：

1)建模數(shù)據(jù)采集

采集關(guān)于艦船大量文字性描述知識、較為準(zhǔn)確模型參數(shù)和模型圖紙。數(shù)據(jù)收集工作完成后,要對收集到的數(shù)據(jù)要進行初步的處理,去掉一些不正確或冗余的數(shù)據(jù),同時使收集的數(shù)據(jù)保持相同的精度,然后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和剪裁在掌握了該型艦主船體型值參數(shù)和橫剖型線之后,就可以在Multigen Creator環(huán)境下,構(gòu)建其三維模型。

2)確定艦船三維模型的層次結(jié)構(gòu)[7～8]

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

表1 艦船的基本層次結(jié)構(gòu)

3)進行可視建模

按照所確定的模型層次結(jié)構(gòu)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(jù)模型圖紙確定Multigen Creator中合適的三維空間坐標(biāo)系及適當(dāng)?shù)谋壤?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(jù)長、寬算出每個節(jié)點對應(yīng)在Multigen Creator中的坐標(biāo)位置;接著利用Multigen Creator中的多邊形工具(Polygon)將節(jié)點連接成面,形成各個部位的截面圖,并將其按照站點轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的位置;最后根據(jù)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(jié)構(gòu),當(dāng)每個部位的模型都建立之后,根據(jù)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(dǎo)彈巡洋艦三維立體模型如圖2所示。

圖2 提康德羅級導(dǎo)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(biāo)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(shù)據(jù)及其物理屬性數(shù)據(jù)。本文利用Vega的紋理材料生成器(TMM),指定目標(biāo)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(zhì)信息的后綴名為.tmm的紋理材質(zhì)映射文件。

4.3 Vega各模塊設(shè)置

在Vega的圖形用戶界面Lynx中設(shè)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(shè)置系統(tǒng)的初始化參數(shù)等之后,設(shè)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(shè)置雷達的類型為SAR,其他的性能參數(shù)根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),各個模塊設(shè)置完畢最終生成應(yīng)用程序定義文件(ADF)。

4.4 SAR圖像模擬

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

表2 具體參數(shù)設(shè)置

5 仿真結(jié)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(jié)果,具體參數(shù)設(shè)置如表2所示,成像結(jié)果如圖3和圖4所示。

6 結(jié)語

本文通過Multigen Creator進行艦船模型建立,并應(yīng)用Multigen Vega進行SAR圖像仿真,得到了仿真結(jié)果,該圖像可以為后續(xù)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(xù)研究結(jié)果,能夠滿足開展后續(xù)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(yè)出版社,2005,2

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

[3]楊波.虛擬現(xiàn)實技術(shù)-MultiGen、Vega應(yīng)用研究[D].電子科技大學(xué),2001

[4]王乘,李利軍,周均清,等.Vega實時三維視景仿真技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)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(tǒng)[J].現(xiàn)代雷達,2009,31(3)：27～30

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

[7]朱錫.水面艦艇結(jié)構(gòu)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,1997

[8]魏剛,宋裕農(nóng).基于Multigen構(gòu)建艦船三維模型的探討[J].青島大學(xué)學(xué)報,2002,17(4)：86～88

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

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

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