飞行仿真中雷达地形数据库构建关键技术

徐涛，周强，张立民，余应福

（海军航空工程学院a.信息融合研究所；b.科研部，山东烟台264001）

飞行仿真中雷达地形数据库构建关键技术

徐涛a，周强b，张立民b，余应福a

（海军航空工程学院a.信息融合研究所；b.科研部，山东烟台264001）

雷达图像仿真是飞行仿真的重要组成部分，而雷达地形数据库为雷达图像仿真提供基本的数据支持。为构建满足仿真精度与实时性要求的雷达地形数据库，对相关关键技术进行了研究。在分析雷达图像仿真原理的基础上，研究了雷达地形数据库在分布式飞行仿真系统中的应用方式和组成形式。根据所用数据源的不同，对雷达地形建模技术进行了分类，并分析了不同建模方法的优缺点。比较了网格式与多边形式2种数据存储与调度技术的特点和适用性，指出多分辨率表示技术雷达地形建模中的重要性，给出了一种材质数据多分辨率映射的基于材质最大出现概率的子取样方法。对机载雷达实波束地形测绘成像进行了仿真。

雷达图像仿真；雷达地形建模；数据存储与调度；分辨率表示

雷达仿真的逼真度是影响飞行仿真训练真实感的关键因素之一。现代机载雷达的功能与工作机理越来越复杂，飞行仿真训练对雷达仿真的需求也在不断提高。雷达仿真系统不同种类雷达功能的仿真，尤其是成像雷达的仿真在飞行仿真中发挥着重要作用。从事雷达功能研究与仿真训练产品开发的研究人员提出了多种雷达图像仿真的方法[1-13]。文献[14]将雷达仿真分为效果级的仿真与能量级的仿真。效果级的仿真采用各种视觉技术对地形进行处理，以产生类似于雷达图像的视觉效果，处理方法并非基于雷达工作的物理模型[3，5，9]。这类方法简单高效，适用于简单雷达及场景的仿真，但无法对复杂工作条件下的雷达成像过程进行仿真。能量级的仿真基于环境与雷达系统的高精度物理模型，因而可以在各种情况下实现高逼真度的仿真效果。

分布式飞行仿真要求雷达图像仿真系统具备很高的灵活性和实时性。效果级的仿真方法并不适用于飞行仿真中的雷达图像仿真。Holtzman等人[1]提出了雷达图像仿真的点散射模型，并对其在数字计算机上的实现进行了研究。随着数字计算机计算能力的提升，人们对点散射模型进行了改进，采用了一些更为复杂的模型对雷达图像或者雷达回波信号进行仿真[6-7，10-12]，这些仿真方法都需地形模型支持。鉴于此，本文对雷达地形数据库相关关键技术进行了研究。

1 雷达地形数据库的组成与应用

1.1 雷达地形数据库的组成

基于点散射模型的雷达图像仿真模型如图1所示，包括4个部分的主要内容，即成像模型、雷达几何传播现象模型、地面模型及和反射特性模型。

图1 雷达图像仿真模型示意图Fig.1 Schematic diagram of radar image simulation model

成像模型提供了由回波功率计算仿真图像像素灰度的灰度方程。雷达几何传播效应模型处理雷达图像中的阴影、叠掩、距离压缩等效应。地面模型一般用地面材质数据库表示。数据库是对成像区域地形的地物类别和高程变化的符号化表示。反射特性模型为地面模型中每一类地物的电介质特性建模。

可以看到，仿真模型需要3种基本输入数据：首先，包含被仿真雷达的工作参数；其次，必须定义一种所选择仿真地形地貌与电介质类型的符号表示方法，也就是地面材质数据库；最后，必须给出地面材质数据库中每种不同电介质类型的电磁反射特性。

由此可见，进行雷达图像仿真时，雷达地形数据库需要提供数字高程数据、地面材质数据和人造目标数据。由于人造目标数据库的构建和表示方式相对独立[10]，本文重点对数字高程数据、地面材质数据相关技术进行了研究。

1.2 雷达地形数据库的应用特点

雷达地形数据库在分布式飞行仿真系统中的应用特点可以用图2表示。雷达仿真分系统通过网络通信引擎获得载机平台、实体目标等信息，然后从地形数据库获得地形数据支持。可以看到，雷达地形数据库除了为雷达仿真提供支持，同时也为其他仿真分系统提供支持。

图2 雷达地形数据库在仿真系统中的应用Fig.2 Application of radar landmass database in simulation system

由于作战飞机具有很高的机动性，机载雷达需要对大范围的地形进行成像，而且现代机载雷达通常具有多种工作模式进行地形测绘。在分布式飞行仿真系统中，雷达地形数据库具有以下特点：

1）需要获取大范围场景地形数据。机载雷达具有距离达几百千米的成像能力，同时载机又具有极强的机动性能，因而模拟训练系统往往需要构建覆盖几十万平方千米甚至更大区域的地形数据库。

2）需要支持变化精度地形分辨率的需求。机载雷达采用多种模式完成地形测绘功能，包括RBGM、DBS以及SAR。这些工作模式具有不同的距离分辨率，因而需要地形数据库可以支持仿真对不同距离分辨率的需求。

事业单位的本质为，国有资产出资创立、主要运营方向带有浓郁的社会公益色彩，并受到党的直接领导与管控，事业单位主要为学校等教育事业单位、医院等卫生事业单位组成。而因事业单位的特殊性决定，党对其掌控力度的强弱至关重要，而政工工作作为党控制事业单位的主要工作内容与表现形式，极大增强了事业单位中党的实际控制能力。

3）需要支持高效的存储、调度策略。由于数据库需要覆盖巨大区域的地形，并提供不同的分辨率支持，因而需要巨大的存储空间、合理的储存方式和调度方式，以满足仿真的逼真度和实时性的需求。

2 雷达地形数据库关键技术

2.1 雷达地形建模技术

根据数据来源的不同，雷达地形建模技术可以分为：采用现有数据的自动建模方法，需要人工提取地面材质信息的半自动方法，以及人工地形建模方法。

2.1.1 自动地形建模

地形通过地形生成软件自动构建。采用的数据为已有地理信息数据（GIS），包括高程数据和材质数据。一些国家和组织为满足本国和组织内的军事需求，建立了通用的地形数据库系统。从上世纪60年代开始，美国与英国制图结构就开发数字雷达地形仿真系统（DRLMS）的项目展开合作，后来此项目名称改为数字地形系统（DLMS）[15]。美国国防地图局DMA（现为国家制图局NIMA）于1977年发布了DLMS的详细产品规则。该项目为北约国家军事项目对地形数据库的需求提供了支持。Camber公司的雷达仿真产品Radar Toolkit就使用了该项目的地形数据库产品，同时也是DRLMS的主要供应商[14]。文献[10]的研究则采用了芬兰国土勘测机构提供的数据。

自动地形建模比较节省人力，因而很有吸引力，但是该方法存在以下问题：

1）无法获取某些地区的地形数据。某些偏远地区或者敏感地区无法进行测绘作业，无法获得详细的地形材质数据。

2）已有的GIS数据精度难以满足不同雷达图像仿真需求。如SAR图像的仿真需要极高分辨率的地形数据，一般通用地形数据库只能支持中低分辨率的仿真应用。

3）数据的时效性差。受经济和人力成本的限制，通用数据库的更新有一定的滞后性，无法及时体现感兴趣地区地形地物的变化。

4）某些应用无法获得能够满足仿真需求的通用地形数据库的支持，因而无法采用自动地形建模的建模方法。

2.1.2 人工地形建模

地形完全采用人工方式通过交互式3D建模软件构建。该方法一般用于地形范围较小而对细节要求较高的应用。该方法采用的数据源为真实的或者虚构的地图/图像。该方法只适用于小范围地形的仿真应用，由于极高的人工和时间消耗，无法满足飞行仿真大范围场景地形数据的需求。

2.1.3 半自动地形建模

可以通过地形生成软件自动构建地形，但使用的已有数据只包括高程数据，而描述地面特征的材质数据需要使用纹理数据/遥感数据进行人工编辑。例如，Multigen-Paradigm公司Vega软件的RadarWorks模块可使用已有DEM数据，但材质数据主要通过建模工具TMM（Texture Material Mapper）[16]采用人工手动指定的方式生成。Holtzman等人[1]的研究中构建了一个交互式的特征提取工具，采用高精度航空图片及美国地质测绘图作为信息源提取所研究地点散射体类别几何分布图，然后由该图产生数字地面材质数据库。

随着遥感技术的快速发展，遥感图像的空间分辨率已达亚米级，且更新周期短。如QuickBird，其全光谱图像空间分辨率为0.61 m，重访间隔为1～3 d[17]。因此，基于遥感图像的地形建模方法可满足雷达图像仿真对地形精度、时效性、覆盖范围方面的要求。但考虑到地形覆盖范围非常广泛，遥感图像数据量巨大，人工材质提取方法将造成开发人员的工作量的增加。

为解决这一问题，一些研究采用了基于遥感图像的材质数据自动提取技术。例如，文献[13]在雷达地杂波的仿真研究中，以Landsat-7ETM+多光谱遥感图像作为信息源，采用RBFC（Radial Basis Function Classifier）算法提取地物分类信息，将地面属性分为：沥青和混凝土、耕地、森林、草地、市区及水域。文献[18] Worldview-2卫星影像为数据源，使用遥感图像分析工具ERDAS IMAGINE进行地形材质信息的自动提取。

2.2 数据存储与调度技术

仿真场景的地形数据库所需存储空间的大小远远大于计算机的内存，需要采用调度方法将地形数据从数据库读入内存。用于雷达仿真的地形数据主要采用2种数据组织方式：网格式与多边形式[11]。图3是2种数据组织方式的示意图，其中虚线表示地形的多边形（图中为不规则三角形）表示方式，实线表示网格式表示方式。

图3 雷达地形数据两种组织方式示意图Fig.3 Schematic diagram of two method for the organization of radar landmass data

网格方式适于雷达仿真建模，也更适用于计算机的实时处理，缺点是不适合对地形的多分辨率表示。多边形方式可以很简单的表示场景内变化程度不同的地形。例如，平坦的郊外只需要少数的多边形表示，而市区和重要的战略目标等区域则可以用大量的多边形表示。如果采用网格式，为了不丢失重要信息，在设计系统时只能依据变化最剧烈区域的需求来分隔网格，而这么做会造成极大的存储资源浪费。

数字计算机在进行雷达仿真是无法直接处理多边形信息，因而在运行时需要调度算法将地形转换为网格式，这增加了调度程序的设计难度和运行负载。在设计系统时可以根据仿真规模和成本选择数据存储方式。

2.3 雷达地形多分辨率表示技术

在飞行仿真训练中，雷达图像仿真的目的是能够满足操作员对雷达图像可读性的需求。雷达地形数据库的分辨率越高，产生的仿真图像表达细节的能力也就越强。尽管更高精度的地形数据可以产生更多的图像细节，但是也导致了更多运算资源的消耗和成本的上升，而且仿真雷达图像的逼真度越高并不意味着模拟训练的效果越好，文献[19]的研究证明了这一点。针对不同的仿真需求，需要采用不同分辨率的地形数据。比如，在机载雷达实波束地形测绘成像仿真中，由于雷达分辨单元在方位向和地面投影上的膨胀，近距离的地形需要较高的分辨率，远距离的地形较低分辨率的地形数据即可满足需求。

大规模地形模型的多分辨率显示问题是一个极具挑战性的问题。在飞行仿真系统中，地形的显示速度和质量直接关系到系统的好坏，而地形的逼真度和显示的实时性又是互为矛盾的。LOD（Level of Detail）技术是解决这一问题的有效手段[20]。

高程数据的LOD技术研究已相对成熟，但这些方法一般不适用于材质数据的LOD处理。在高程数据和纹理数据中，数据的数值大小对应其物理属性的强度，因而可通过各种插值方法进行LOD层次映射[21]。而材质数据的数值表示的是地面材质的种类，差值会导致数据物理含义错误。

本文采用了一种基于材质最大出现概率的子取样方法，该方法使用高分辨率数据区域中出现概率最高的材质数值作为上级低分辨率数据的数值。

图4给出了该方法与平均滤波法的对比，1表示材质水，2表示材质草地，10表示材质沙滩，可以看到平均滤波法得到的结果物理意义是错误的，本文方法则保持了不同分辨率材质数据物理意义的一致性。

图4 材质数据的LOD映射方法对比Fig.4 Comparison of different method for LOD mapping of material data

3 雷达图像仿真实例

仿真采用卫星遥感图像与商业数字高程数据为数据源构建所需的雷达地形数据库。图5为成像区域的卫星图像，图6为成像区域的高程数据的伪彩色表示图，分辨率为15 m，图7为成像区域的地面材质数据图。图7区域内地物包括水系、植被、岩土3类。仿真采用网格式方式组织雷达地形数据库。

图5 成像区域的遥感图像Fig.5 Remote sensing image of the imaging area

图6 成像区域的高程数据Fig.6 DEM of the imaging area

图7 成像区域的地物分类Fig.7 Material of the imaging area

仿真参数设定设定如表1所示，图8和图9分别为雷达2种不同工作模式下的仿真图像。在图像中可以清晰的看到河流以及地形起伏造成的遮蔽效果。经空勤人员评定，仿真效果可以满足训练需求。

表1 仿真参数设置Tab.1 Parameters of simulation

图8 仿真图像（作用距离80km，扫描范围±60°）Fig.8 Simulated radar image（range80km,scan scope±60°）

图9 仿真图像（作用距离240km扫描范围±135°）Fig.9 Simulated radar image（range 240km,scan scope±135°）

4 结束语

雷达地形数据库是雷达图像仿真的基础，构建合理的雷达地形数据库对提高飞行仿真的逼真度具有重要意义。本文对雷达地形数据库相关关键技术进行了研究，分析了雷达地形数据库在分布式飞行仿真系统中的组成形式和应用特点。根据所采用数据源的不同，将雷达地形建模技术分为自动建模、人工建模和半自动建模3种方法。对数据存储与调度技术进行了分析比较，指出在构建数据库时，可以根据仿真精度与速度的需求选择地形分辨率和数据库的组织和存储方式。研究了多分辨率表示技术的必要性，指出了材质数据对多分辨率表示的特殊需求，并给出了一种基于材质最大出现概率的子取样方法进行材质数据的LOD映射。给出了机载雷达实波束地形测绘成像的仿真实例。

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Key Technology of Radar Terrain Database Construction for Flight Simulation

XU Taoa,ZHOU Qiangb,ZHANG Li-minb,YU Ying-fua
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Institute of Information Fusion; b.Department of Scientific Research,Yantai Shandong 264001,China）

Radar image simulation is an important part of flight simulation,and radar terrain database is the base of radar simulation.Key techology on construction of radar terrain modeling was analyzed in order to support efficient radar image simulation.Composition of modeling and its application in distributed flight simulation were described.Terrain modeling strategies were categorized due to the difference of source data,and the characteristics of the strategies were described. Resolution requirement and storage and processing of database were analyzed to get their advantages,limitation and applicability.The importance of multi-resolution technology in radar terrain modeling was emphasized,and a new method for multi-resolution mapping of material data was presented.Finally,an example of airborne radar real beam ground mapping simulation was proposed.

radar image simulation;radar terrain modeling;storage and dispatching;resolution representation

TN955

A

2014-02-24；

2014-04-04

国家自然科学基金资助项目（61102167）

徐涛（1985-），男，博士生；张立民（1966-），男，教授，博导，博士生。

1673-1522（2014）03-0269-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.03.015