基于Vega的雷达图像生成仿真系统设计

摘 要:进行合成孔径雷达(SAR)成像仿真是研究成像雷达的一个重要手段。利用软件平台VC++,Multigen Creator和Vega设计机载合成孔径雷达(SAR)成像仿真系统是一种新的仿真手段,在此论述了利用Vega的雷达仿真模块――RadarWorks开发机载SAR成像仿真软件的流程以及整体系统的实现等关键技术。仿真结果表明新方法能较好地满足SAR实时成像仿真需求,有助于促进SAR成像实时仿真技术的发展。

关键词:SAR; 虚拟现实; Vega软件; Radarworks模块

中图分类号:TN957.53 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)14-0056-03

Design of Radar Imaging Simulation System Based on Vega

JU Xiao-jie1,2, DONG Jun-yu1, ZHANG Peng2, ZHAO Li-li2

(1. Ocean University of China, Qingdao 266000, China; 2. The Second Artillery Soldiers and Officers School, Qingzhou 262500, China)

Abstract: The imaging simulation of synthetic aperture radar(SAR) is an important mean for studying the imaging radar. The airborne synthetic aperture radar imaging simulation system designed by software platform VC++, Multigen Creator and Vega is a new simulation method. A series of key techniques such as the process of airborne SAR imaging simulation software developed by Vega radar simulation module RadarWorks, and the implementation of the whole system are discussed. The simulation results indicate that the new method can meet therequirement, and promote the development of SARs′ real-time imaging simulation.

Keywords: SAR; virtual reality; Vega; Radarworks; module

0 引 言

SAR图像仿真是一种利用计算机仿真的手段获取SAR数据的技术,由于它具有可靠、无破坏性、安全经济、研制周期短、不受气象条件和地域限制等优点,已受到世界各国的广泛关注。不断拓展的SAR应用需求对SAR系统的性能提出了更高的要求。高性能SAR系统构成日益复杂,研制周期变长,生产成本上升,技术风险加大,这使SAR成像系统的仿真技术显得日益重要。本文利用三维视景仿真开发工具Multigen Creator和Vega[1]的雷达仿真模块――RadarWorks开发出SAR成像仿真系统。

1 SAR成像原理及视景仿真软件介绍

机载SAR[2]成像是通过沿航线不断发射和接收电磁波来完成的,每一个沿航线发送和接收电磁波的位置都被看作是大天线阵中的一个元素,通过合成产生一个大天线阵。它依靠脉冲压缩技术,利用发射宽带脉冲和飞行平台运动形成的多普勒带宽,分别取得距离向和方位向的高成像分辨率,提高空间分辨率,获得观测对象的清晰图像。

Creator[1,3]软件是美国Multigen-Paradigm公司针对可视化仿真行业应用特点推出的实时可视化三维建模软件系统,它可以用来对战场仿真、娱乐、城市仿真、训练模拟器和计算可视化等领域的视景数据库进行产生、编辑和查看。Vega是美国Multigen-Paradigm公司推出的先进的软件环境,主要用于虚拟现实技术中的实时场景生成、声音仿真及科学计算可视化等领域,它支持快速复杂的视觉仿真程序,能为用户提供一种处理复杂仿真事件的便携手段。Vega包括友好的图形环境界面LynX、完整的C语言应用程序接口API、丰富的相关实用库函数和一批可选的功能模块,能够满足多种特殊的仿真要求。

2 基于Vega的雷达图像仿真系统

2.1 RadarWork仿真原理

作为Vega的一个模块, RadarWorks可根据场景和雷达的物理特性模拟特定的雷达显示。雷达反射面值(RCS)信息是精确生成雷达仿真图像的基础。RadarWorks首先根据场景中纹理的材料构成,从材料文件中获取各种材料的平均后向散射系数及其方差。它们都是频率、极化方式、入射角的函数。然后再结合场景的几何信息和雷达参数查找材料数据库和文化特征数据库获取RCS值,生成场景的RCS图。RCS图接着被作为雷达模型的输入。RadarWorks根据用户定义的雷达参数建立相应的雷达模型,接受RCS图输入进行处理,并模拟实际雷达的各种效果,最终生成逼真的雷达显示图像。

2.2 仿真系统开发流程

用Multigen Creator和Vega开发[4-5]SAR成像仿真系统,主要包括以下4个步骤:

(1)Multigen Creator建模。

建立SAR所要成像的地表场景的三维模型,包括自然景物和重要的人造目标。这一步要充分考虑SAR成像性能评估的实际需求,建立各种不同特性的场景,如草地、高山、水源、森林、公路、楼房,以充分测试SAR对不同物理特性目标的成像能力。为达到高的逼真度,还要给三维模型贴上恰当的纹理,最终生成FLT模型文件供Vega调用。用Creator建模是一项极其繁琐、费时的工作,为提高开发速度本文利用Vega自带的地形文件“town.flt”建立了一个场景。

(2)纹理材料映射。

用Vega的纹理材料生成器(texture material maper, TMM)[6-7]指定各种RGB纹理的材料构成,为RCS信息的计算建立物理特性库,生成TMM文件。

(3) Vega基本模块和RadarWorks模块设置。

在Vega的图形用户界面Lynx中设置各输入文件的路径[8],把Creator建立的各种FLT模型文件添加到场景中,设置系统的初始化参数等之后,设定各个模型的放置位置、运动方式、视点位置、视点方式、特殊效果。由于大气参数如介电常数对雷达的成像效果也有较大的影响, 因此在Vega 的“Environments”和“Environment Effects”模块[9]中必须详细设置气候条件、天气状况、大气湿度、大气温度、季节、时间、地理位置等。其他的性能参数用常见参数,作为仿真开始时的默认参数,当然在本文设计的仿真控制面板中可根据实际所要模拟的SAR的参数进行修改。各个模块设置完毕最终生成应用程序定义文件(ADF)。

(4) 视景驱动。

Vega是一个类库,它以C语言的API形式出现,每个Vega类都是一个完整的控制结构[10]。在Vega中几乎每一项内容都是以类来完成的。在这一步中利用Vega的API函数编写仿真控制程序并启动,载入ADF文件,通过人机交互界面修改SAR参数,进入主仿真循环。RadarWorks实时计算各种参数,生成模拟的SAR图像,并接收键盘输入实时更改仿真参数。

2.3 仿真结果

Radarworks模块的关键参数设置如下:

飞机速度:500 km/h;工作频带:X波段(8~12 GHz);极化方式:VV;最小显示(RCS):-30 dBsm;最大显示(RCS):30 dBsm;高度补偿:0;SAR模式:条带; 斜视角:90°;分辨率计算方法:线性指定;分辨率:2 pixel/m。

#include

#include

#include

#include

static void getInput(void);

void main(int argc, char *argv[])

{

/* 初始化 Vega */

vgInitSys();

vgInitRW();

/* 调用设置好的"sar-town"Lynx */

vgDefineSys(“sar-town”);

vgConfigSys();

/* 进入主循环 */

while (1) {

vgSyncFrame();

vgFrame();

getInput();

}

}

/* 主循环程序,其中包括对radar参数的实时操作功能 */

static void getInput(void)

{

……

case ′B′: /* 增加噪声 */

fval = vgGetProp(

vgGetRWSensor(0), VGRWSENSOR_PPI_BIAS) + 0.05f;

vgProp(vgGetRWSensor(0), VGRWSENSOR_PPI_BIAS, fval);

break;

…

}

仿真计算结果如图1,图2所示,其中图1为Creator所建立模型的仿真成像区域,图2为SAR成像结果。

从图1,图2可以看出,基于物理机制的雷达模拟成像模块RadarWorks能很好地模拟SAR成像。从图中的SAR成像的仿真图像可以看到图中的1个像素或多个像素比附近的其他像素更亮,这被看作噪声。这是由于在一个频率上高反射的物体在另一个频率上反射就很少。采用多视技术改变雷达频率取平均能最小化这种噪声。Vega的RadarWorks模块提供了一种频率跳动的开关去模拟这种效果。

图1 Creator建模图

图2 SAR成像生成图

3 结 语

SAR雷达视景仿真现已成为仿真软件系统不可缺少的部分,其具有目标识别能力强,全天候作战能力以及抗干扰能力强的特点,本文分析了SAR成像仿真机理,提出了一种实时SAR图像产生方法,并给出了仿真结果。这种方法可以灵活地调节载机、雷达参数,可以根据实际需求方便地产生各种人造目标的回波数据。该项技术具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]龚卓荣.Vega程序设计[ M] .北京:国防工业出版社,2002.

[2]周明俊,陆军,常青,等.基于Radbase和Vega的SAR图像仿真系统[ J] .现代雷达,2009,31(3):20-23.

[3]李军,王绍棣,常建刚,等.基于Vega的视景驱动软件的分析与设计[J].系统仿真学报,2003,15(3):397-411.

[4]MGPI. Vega programmer′s guide[ M] . Version 3.7.[ S.l.] : MultiGen-Paradigm Inc., 1998.

[5]MGPI. Mtingultigen Creator User′s Guide[ M] . version 2.6.[ S.l.] : MultiGen-Paradigm Inc., 1999.

[6]杜健,尹勇,金一垂.MFC框架下基于vega的视景驱动程序的开发[ C] .第四届全国虚拟现实与可视化学术会议论文集,2004.

[7]HORRELL J M, INGGS M R. Satellite and airborne SAR simulator [C] //Proceeding of the 1993 IEEE South African Symposium.[S.l.]: IEEE, 1993.

[8]宋志明,康凤举.Vega开发环境的扩展研究[J].系统仿真学报,2004,16(1):178-179.

[9]贾建科,张麟兮,赵军仓.合成孔径雷达(SAR)实时成像仿真研究[J].计算机仿真,2006,23(11):15-18.

[10]李瑞,刘鹏远,张锡恩.Vega程序设计在MFC中的应用[J].计算机工程与设计,2002,23(8):55-57.