兩種實現(xiàn)海面艦船SAR成像模擬的編程語言對比分析?

郭 濤 祝明波 陳 麒 梁佐堂

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

1 引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天時、全天候的觀測能力，對于海洋環(huán)境監(jiān)測、航海安全、漁業(yè)管理以及海面目標的檢測、監(jiān)視與識別等方面的研究發(fā)揮著重要作用［1～3］。但是，SAR系統(tǒng)受到各種因素的制約，如探測環(huán)境、系統(tǒng)參數(shù)、目標特性變化等，無法獲取滿足任意條件下的實測數(shù)據(jù)，且測試代價大、可擴展性和數(shù)據(jù)靈活性差［4］。對海面艦船目標進行成像模擬解決了SAR系統(tǒng)無法獲取任意條件下海面艦船SAR圖像的問題，在海上目標識別、判讀人員訓練、SAR系統(tǒng)設計優(yōu)化與性能評估等應用中充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

本文采用基于回波信號的模擬方法對海面艦船進行SAR成像仿真。介紹了海面艦船SAR成像信號級模擬流程，分析其數(shù)據(jù)運算的特點。分別基于Microsoft Visual C++（以下簡稱VC++）與Matlab兩種開發(fā)環(huán)境，利用C和Matlab兩種編程語言實現(xiàn)海面艦船SAR成像仿真，對這兩種編程方法進行對比研究。

2 海面艦船SAR成像信號級模擬流程

為實現(xiàn)海面艦船SAR成像信號級模擬，需構(gòu)建精細的艦船和時變動態(tài)海面三維復合模型，進行面元的劃分；分析電磁波與隨時間演進的海面及艦船之間的相互作用機理，通過電磁計算方法得到海面和艦船的電磁散射模型；分析海面與艦船復雜的電磁耦合機制引起的多徑效應，構(gòu)建多徑效應模型；對復合模型進行消隱處理，計算得到復合模型的后向散射系數(shù)；根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進行SAR回波模擬，生成原始回波信號；通過成像算法處理回波數(shù)據(jù)，獲得SAR仿真圖像，實現(xiàn)海面艦船SAR成像信號級模擬［5～6］。其流程如圖1所示。

圖1 海面艦船SAR成像信號級模擬流程圖

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時刻的波點高度，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算。

對海面艦船模型進行遮擋判斷時，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的距離值，做陰影判斷。因此，需要遍歷所有面元進行比較計算。利用物理光學法和電磁散射計算得到各個面元的后向散射系數(shù)后，生成模擬回波。設方位向采樣點有M個，每個采樣點內(nèi)在距離向上發(fā)射N個脈沖串，對K個理想點目標進行采樣后，其回波數(shù)據(jù)為一M×N矩陣?；夭x散后可表示為：

式中Sr為回波矩陣，σ為目標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，Tr為脈沖持續(xù)時間，Tsar為合成孔徑時間。R、x(k)分別為目標面元到雷達的斜距和在參考坐標系中方位向坐標。

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

3 開發(fā)環(huán)境簡介

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

3.1 Matlab簡介

Matlab是由Mathworks軟件開發(fā)公司設計的一款計算軟件，其運算的基本數(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算的工程技術(shù)上的問題［7～9］。它主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的計算環(huán)境［10］。其Matlab語言是一種解釋性語言，語法規(guī)則簡單、容易掌握、調(diào)試方便，具有強大、便捷的數(shù)學運算和圖形、圖像處理功能。

3.2 Microsoft Visual C++簡介

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等編程語言。它包括Microsoft的代碼優(yōu)化技術(shù)、強大的GUI功能和復雜的資源編輯器，應用程序的設計效率高，開發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行速度快，實時性好。具有接口友好、易維護和升級等優(yōu)點［11～13］。但是相對于 Matlab 缺乏對大量數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)可視化分析方面的能力［14］。

4 兩種編程語言對比

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，在第一次運行中即可選擇VC++開發(fā)設置，即可進入VC++開發(fā)環(huán)境。本文中所進行的測試，均在CORSAIR 900D上進行，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。測試的軟件平臺為Matlab R2014和Visual Studio 2010。

4.1 Matlab與C執(zhí)行效率對比

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

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)進行一次浮點運算，并不涉及大容量內(nèi)存的存取，適合測試程序的浮點運算速度和執(zhí)行循環(huán)的效率。測試結(jié)果如表1所示。

表1 Matlab與C執(zhí)行效率對比

計算平均耗時數(shù)據(jù)時，取算法中的n=25。由上表數(shù)據(jù)可得，C語言在浮點運算和循環(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 點目標SAR成像仿真

根據(jù)SAR成像工作原理，通過Matlab和C語言編寫實現(xiàn)點目標的回波仿真，隨著點目標的數(shù)量的增加，比較兩種編程語言在點目標進行SAR成像仿真時的執(zhí)行效率。其耗時結(jié)果如圖2所示。

圖2 點目標仿真下Matlab與C的耗時對比

由上圖可知，隨著成像區(qū)域點目標個數(shù)的增加，點目標成像仿真的時間呈線性增長。由C語言編寫實現(xiàn)點目標SAR成像仿真的代碼執(zhí)行效率相對于Matlab所編寫的要高，且目標點數(shù)越多，C語言實時性好的優(yōu)勢越明顯。

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合成目標模型；對目標模型進行遮擋判斷、消隱處理；利用物理光學法求解目標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。其計算量主要在海面生成、艦船與海面復合模型的遮擋判斷以及回波生成這幾個方面。因此，將從這三個方面出發(fā)，對Matlab與C的耗時進行對比實驗。仿真的海面場景大小為200m×300m，仿真的像素點數(shù)為512×1024個，其結(jié)果如表2所示。

表2 海面艦船SAR成像仿真兩種語言耗時對比

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多，占總仿真時間約98%。并且在海面生成、消隱處理實現(xiàn)及回波計算上C語言執(zhí)行效率明顯占優(yōu)勢。在海面艦船SAR成像仿真的總耗時上，C語言編程大約是Matlab編程的5.70%。

在本節(jié)分別從執(zhí)行效率上、點目標SAR成像仿真和海面艦船SAR成像仿真三個層次，對Matlab與C兩種編程語言進行了仿真實驗，對比分析得出結(jié)論?；赩C++開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)海面艦船SAR成像仿真的執(zhí)行效率比Matlab高，C語言實現(xiàn)的海面艦船SAR成像仿真比Matlab所實現(xiàn)的實時性更好。

5 結(jié)語

本文介紹并分析了信號級海面艦船SAR仿真的過程以及數(shù)據(jù)運算特點，介紹了Matlab和VC++開發(fā)環(huán)境。通過Matlab和C編程實現(xiàn)了信號級海面艦船SAR成像仿真。經(jīng)過仿真實驗對比分析，得出結(jié)論。

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

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Matlab的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣，對矩陣具有強大處理能力，而SAR成像模擬的計算過程大部分是對矩陣進行運算，因此，相對于采用只支持標量和非交互式的編程語言（如C語言）實現(xiàn)起來更為方便。

2）豐富的數(shù)學函數(shù)庫。Matlab中包含了大量的計算函數(shù)，如成像處理算法中所用的Fourier變換和Inverse Fourier變換等，可以方便編程實現(xiàn)一些復雜的數(shù)學表達式。

3）強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++實現(xiàn)海面艦船SAR成像模擬，有以下幾方面優(yōu)勢。

1）代碼的執(zhí)行效率高。C語言是較低級的語言，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代碼效率低10-20%。在同一量級的循環(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)的運算存在多層的大量的循環(huán)，在實時性方面，C比Matlab有優(yōu)勢。

2）結(jié)構(gòu)式的語言。C語言是結(jié)構(gòu)式的語言，程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立，使得程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護。

因此，對于SAR成像實時性要求較高的條件下，應該選擇C語言編程。此外，基于VC++開發(fā)環(huán)境便于實現(xiàn)軟件開發(fā)、維護、升級，但是在數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)上繁瑣。而Matlab具有強大的圖形圖像處理功能，編程語言簡單，容錯性好，操作相對容易，對于SAR成像實時性要求不高的條件下，可以選擇Matlab進行編程。