基于Creator/Vega的合成孔径雷达图像仿真*

孟献轲 朱 峰

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

基于Creator/Vega的合成孔径雷达图像仿真*

孟献轲 朱 峰

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

合成孔径雷达(SAR)成像以飞机或卫星为平台,且以全天候,全天时,可全透性等优点获取高分辨率图像,已经成为国内外研究热点,特别在军事领域有着广泛的应用前景。论文研究了合成孔径雷达成像仿真原理以及其成像仿真系统框架结构,以及地形场景模型的构建与RCS材质映射,最后通过Vega中的RadarWorks模块来模拟合成孔径雷达成像仿真,通过设置合理的参数,能够较好的仿真出真实的合成孔径雷达图像。

Creator/Vega; 虚拟现实; SAR; 成像

Class Number TN957

1 引言

合成孔径雷达(Synthetic Apertute Radar,SAR)成像以飞机或卫星为平台,且以全天候、全天时、可全透性等优点获取高分辨率图像,已经成为国内外研究热点,特别在军事领域有着广泛的应用前景。随着现代高科技技术的迅猛发展,雷达设备变得越来越复杂,获取相关的实测数据的费用也越来越高,试验周期也越来越长,从而要求对合成孔径雷达(SAR)仿真图像开展研究。

虚拟现实技术为其提供了良好的基础。它采用计算机图形图像技术,构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境,达到非常逼真的仿真效果[1],本文利用Multigen-Paradim公司的Creator与Vega软件,对复杂环境进行合成孔径雷达(SAR)防真工作,为后续开展图像为后续开展的图像特征提取、识别等工作提供大量的素材,从而验证各类算法的有效性和实用性。

2 SAR成像仿真原理

SAR成像是一个回波信号处理的过程,即从机载或星载合成孔径雷达发射天线发射出去的电磁波,经目标散射后回到合成孔径雷达接收天线后进行相应的处理,运用相应的成像算法生成图像[2]。它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率,利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率,从而获得大面积高分辨率雷达图像[3]。雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定,方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定。

影响SAR成像的主要系统参数有波长、脉冲重复周期、峰值发射功率、发射和接收的极化方式、脉冲宽度、侧视角及飞行速度等。

2.1 SAR成像仿真系统框架结构

图1完整表述了整个SAR成像过程的仿真框架原理图[4],其整体结构主要包括如下几个部分:成像几何计算模块、场景生成模块、原始数据产生模块、图像生成处理模块。

图1 SAR成像防真框架原理

根据图1框架来进行复杂环境的SAR图像仿真运行效率较低,且实时性也不能满足要求。利用Multigen-Paradim公司的Creator/Vega软件能高效快速生成仿真图像,其防真流程主要通过Creator建模、纹理材料映射、Vega各模块设置和SAR图像几个步骤完成[5],具体流程如图2所示。

图2 SAR图像仿真流程

2.2 地形场景模型的构建与RCS材质映射

合成孔径雷图像仿真常见于大面积地形模型和各类复杂的地面文化特征模型构成,其仿真效果的逼真度与仿真实时性关键在于合理地构建地形模型与地面文化特征模型正确的RCS材质映射。对于一定的地形范围来说,建立好一个组织有序、效率很高的地形数据库是一个需要反复测试的过程。在创建大面积的地形场景之前,可以先提取小部分原始DED(Digital Elevation Data)创建一个用来测试的数据样本,待测试得到较好的效果后,再建立整个地形模型数据库,其具体流程如图3所示。

在Vega中可以根据目标模型的真实物理材质属性,快速生成灰度化的RCS图像的整套机制。因为Vega中产生的RCS图像是基于真实物理材质属性的,因此可以模拟出较高真实度的雷达图像。Vega软件的数据库提供了150多种材质的RCS数据库,在材质数据库中,不同的工作频段,不同的极化方试,不同的入射角都对应不同RCS值。可以通过Vega自带的工具Spabba来查看其每种材质的RCS数据库,并且可以对其修改和扩展[6];利用Vega系统自带的工具TMM(Texture Material Mapper),可以对模型中每一个纹理图片中的texel赋予不同的材质,比如,在一块模型场景中,对其中的一些绿色场景赋予草地材质,一些绿色赋予树木。在雷达成像模拟过程中,场景的材质属性将取代纹理属性,这样生成的雷达图像就比较真实[7]。其RCS数据库获取流程如图4所示。

图3 地形建模流程图

图4 RCS数据库获取流程

· 规划数据库:在确定仿真目标情况下,确定硬件和软件相关平台是否满足要求。

· 准备地形数据:获取地形数据库所需数据,将其处理为Creator能够识别的数据。

· 创建测试地形:利用小部分DED创建一个测试地形数据库,并进行有针对性的测试。

· 完善地形模型:选择合适的纹理映射方式对地形模型进行纹理映射,并添加地物模型。

· 检验与优化:在实时仿真系统中运行,检验其性能,包括每个细节层次,确保相邻的LOD之间可以平滑过渡。

· 添加地形模型:在仿真系统资源允许的条件下,向地形模型数据库添加地物模型来达到丰富的视觉效果。

3 Vega中SAR成像仿真

3.1 Vega中RadarWorks模块

对于传统的雷达系统仿真过程和结果都是以数学公式和大量的数据呈现出来,不但形式上不直观,内容上也枯燥,Vega提供了实时、高逼真的模拟雷达成像仿真,解决了这一问题[8]。

Vega中用于仿真雷达成像的模块是RadarWorks,其原理是获取仿真场景模型的材质属性(不同的金属、沙子、木材等)来成像,这些材质属性在RadarWorks数据库中都有对应的RCS值,然后根据RCS值模拟雷达成像,从而生成逼真的雷达成像图[9]。

3.2 RadarWorks参数设置

RadarWorks模块主要模拟空对地类型的机载类雷达成像图,RadarWorks模块支持的雷达类型有三类,分别为:用于导航和确定目标位置的地形测绘雷达(Real Beam Ground Mapping,RBGM)、多普勒波束锐化雷达(Doppler Beam Sharpening,DBS)以及合成阵列(孔径)雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR);支持雷达发射脉冲频率的范围为1GHz～27GHz;支持同极化(VV和HH)和交叉极化方式(VH和HV),但不支持综合极化方式;支持两种分辨率;线性指定(Linear)和系统参数计算(system parameters)[10]。通过设置合理的雷达工作参数,就可以仿真出较为真实的SAR雷达图像。可对SAR成像仿真产生主要影响的参数有:雷达平台于仿真目标间的距离、工作频率、飞行速度等。

图5～图8为工作频段和极化参数在不同设置情况下的SAR成像仿真。

1) 不同工作频段的成像仿真:

图5 L波段成像图

图6 X波段成像图

2) 不同极化方式的成像仿真:

图7 HH极化成像图

图8 VV极化成像图

图9、图10为RadarWorks在实际中运用的效果图,其中参数是以C工作频段,VV极化方式,10°入射角,SAR平台与场景中心距离为5000m:

图9 城市场景图

图10 城市场景的RCS图

4 结语

本文研究了合成孔径雷达成像仿真原理以及其成像仿真系统框架结构,然后通过Vega中的RadarWorks模块来模拟合成孔径雷达成像仿真,通过设置合理的参数,能够较好地仿真出真实的合成孔径雷达图像。该方法能够方便有效地修改参数,并且在修改之后能够很快看到修改后的结果,因此在合成孔径雷达系统测试、评估等方面都有良好的辅助作用。

[1] 王正中.仿真学科的研究与思考[J].系统仿真技术及其应用,2007(9):1-4.

[2] 唐婕,龚光红.大面积真实地形场景库的生成与普实时显示技术[J].系统仿真学报,2006,8(18).

[3] 孙家广,等.计算机图形学[M].第三版.北京:清华大学出版社,1998:70-72.

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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

孟献轲,男,工程师,研究方向:作战指挥控制。朱峰,男,工程师,研究方向:作战指挥控制。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.028