战场环境传感信息的可视化研究

2011-06-14 12:07:35来源: 互联网

在现代战争中,高科技技术有着重要应用,如红外成像制导技术、合成孔径雷达成像技术、红外成像技术等在现代战争中发挥着重要作用。自20世纪下半叶,基于雷达、红外、地磁、可见光等多传感器的传感信息的航空航天遥测遥感技术的快速发展,为现有的地理信息系统提出了新的要求,要求地理信息系统不仅携带地理位置、地貌特征数据,而且具有传感信息数据。直接利用地面的传感信息进行遥测遥感研究和作战武器性能的实战演练研究,有许多不足之处:要耗费大量的资金和军用物资,研制周期长,安全性差,而且很难在实战演习条件下改变状态,因此有必要利用可视化仿真技术进行研究。然而现阶段,国内外的虚拟战场环境仿真技术大多是对战场环境及作战过程的仿真,对利用传感信息进行战场环境的可视化仿真研究不多。基于此,本文提出了一种利用传感信息对战场环境进行仿真研究的方法。

1 战场环境的传感信息

航天航空平台能装载多种特征的遥感传感器,如雷达、可见光、红外、地磁等。这些平台综合利用多种传感信息进行融合效果分析,能够更准确地发现、识别和描绘地面的实体目标特征。在这些航天航空平台中,星载、机载成像雷达和红外成像系统就是一个很重要的应用。成像雷达主要包括合成孔径雷达、实孔径阵列成像雷达、逆合成孔径雷达等,合成孔径雷达的主要应用是发现和识别军事目标,如作战飞机、坦克群,机场和停机坪,各种车辆、桥梁、铁路、公路、堤坝和各种军事建筑物等。另外目前SAR正在向多频段、多极化、变入射角、多模式方向发展,即使被伪装或隐藏起来的军事目标,SAR照样可以发现和识别目标。红外成像在战场环境中的重要应用之一是红外成像制导,红外成像制导是当今最先进的红外制导方式之一,由于其目标识别能力强,因而成为当今精确制导武器的一大发展趋势。同时在红外导引头的研制测试过程中,红外图像的获取是十分重要的。然而通过现场实拍得到的图像有很大的局限性,首先很难获得各种气象条件下的红外图像,另外许多军事目标的红外图像也是无法拍到的,而且外场拍摄要耗费很长的时间和大量的人力物力。红外景象仿真技术可以很好地解决这些问题,其优点是有效、完备、经济、安全。因此很有必要利用现代快速发展的计算机技术进行成像仿真研究。从合成孔径雷达成像和红外成像的机理可知,要进行战场的SAR成像和红外成像仿真,就要建立相应的传感信息源,即建立与真实战场环境所对应的地物、军事目标、建筑物的物理属性数据库。

根据合成孔径雷达成像仿真机理和红外成像仿真机理可知,战场环境传感信息与环境中的背景、军事目标、建筑物的表面纹理材质的物理属性有关。合成孔径雷达成像利用材料对电磁波的散射特性数据,即雷达散射截面(RCS)。自然场景的RCS是其后向散射系数的函数,人造物体的RCS是入射电磁波的频率、极化方式、入射角、反射角的函数。因此SAR成像仿真的传感信息是场景及三维模型实体的雷达散射截面,为了仿真需求,必须建立场景中纹理材料的后向散射系数数据和入射到三维实体模型的表面的电磁波的频率、极化方式、入射角和反射角数据。红外成像利用材料的物理属性数据和空间中大气的传输特性数据,如纹理材料的光谱吸收率、反射率、热特性、大气的辐射、大气对红外辐射的衰减等。红外成像仿真的关键是确定物体表面的温度分布和辐射场,通过温度场来计算各点的红外辐射。

2 战场传感信息集成

战场传感信息集成,就是建立战场环境传感信息的数据库。建立传感信息数据库,与建立一般仿真所需的数据库不同。数据库中材料的物理属性必须与真实材料的物理属性相同。Vega软件提供了150多种材料的物理属性数据,该数据库文件(.mtl)是二进制文件,利用Vega自带的工具spabba可以把文件转换成ASCII文件,可以使使用者编辑和修改数据库文件。使用者也可以创建自己的材料数据库文件。下面是一个纹理材料文件的例子:

虽然Vega软件已提供了150多种材料的物理属性数据,但距离战场环境的仿真需要相差甚远,因此为了仿真的需要,有必要建立多种材料的物理属性数据库。

3 合成孔径雷达成像仿真方法实现过程

该方法是在建立场景模型的基础上,利用场景、目标模型的纹理材料特性数据和雷达电磁波的特性(频率、极化)计算雷达散射截面(RCS),然后利用Vega的传感器模型得到SAR图像。下面具体介绍该方法的实现过程。

3.1 场景建模

场景建模即建立了三维自然地形、人文特征目标等模型,在建立三维自然地形模型时,要在模型上贴上地表纹理。在建立人文特征目标模型时,要选择相应的特征码和表面材质码,贴上相应的纹理材质。

3.2 初始化LynX图形界面

初始化LynX图形界面主要包括窗口、通道、场景、对象物、碰撞检测、环境及环境特效、场景运动体、观察方式的初始化。同时要初始化RadarWorks模块,包括频率、极化方式等参数的选择,SAR图像输出方式的选择,运动补偿等。

3.3 建立纹理材质与真实材质的映射

为了对战场环境进行SAR成像仿真,在建立场景模型的基础上,需要建立纹理材质与真实材料的映射关系,以便得到纹理材料的物理属性。当雷达天线的波束辐射到场景中某一区域时,要指定该区域内纹理材料的真实材质,如指定这种纹理材料是植被,那种纹理材料是金属,如图1所示。对于这一工作,Vega软件中纹理材料图生成器(Texture Material Mapping,TMM)来完成。TMM工具是Vega软件提供的材质赋予工具,利用它在纹理图上定义材质特性,生成材质图片,为红外探测器、雷达等模块运行时提供物体的材质属性。TMM工具并为纹理材料数据库中的所有纹理分类,通过分类使纹理材料与真实材质建立了映射关系。这些被分类的纹理被用来决定纹理材料数据中的材料属性。

 3.4 图像模拟

利用模型的纹理材料的物理属性数据和初始化LynX图形界面时初始化的一些雷达参数,从计算电磁场角度计算场景中每一个像素的RCS值,然后利用SAR成像算法,就可以进行SAR成像仿真。当用户飞过Vega场景时,Vega软件中的RadarVision计算每一个像素的RCS值,RadarWorks模块的传感器模型将RadarVision计算的RCS值与用户定义的雷达参数值(波束宽度,距离向大小,天线模式,信号处理信息)相结合产生SAR图像。这充分体现了SAR成像仿真的实时性,即当用户飞过Vega场景时,就可得到场景的SAR图像。RadarWorks也模拟了有效的SAR传感器和处理效果如频率跳动、分辨率、运动补偿,边缘增强,并且相应的修改RCS图。数据能够实时地被处理直到扫描区域一副完整的图被编辑完成。运动补偿通过计算每个像素的方位向和距离向加权函数的卷积来完成。RadarWorks也考虑了地形和人文要素形成的雷达阴影的实时计算,阴影通过IRIS Performer计算,因此要利用SGI硬件。这保证了当用户飞过Vega场景时,每个对象的几何阴影能被实时计算。

3.5 编程仿真

在VC++语言环境下,编程仿真。Vega软件具有友好的图形环境界面,完整的C语言程序应用程序接口API,丰富的实用库函数,这就减少了源代码的编写,提高了工作效率。编程过程中,可以调用Vega的库函数VgCetProp,通过键控来达到不同时刻、不同环境下的SAR图像。程序流程图如图2所示。

4 红外成像仿真过程

根据红外成像仿真原理可知,基于Vega的红外成像仿真方法可分为以下几个过程:首先建立场景模型;其次建立大气传输模型,并计算大气衰减;最后计算红外探测器上接收到的红外辐射强度,并完成由辐射强度到灰度值的转换,生成红外图像。SensorVision模块可以实时产生从可见光到远红外线间各个波段的红外仿真图像。利用SensorVision模块生成红外图像的过程为:在利用图形界面LynX定义的,ADF文件的基础上,SensorVision模块利用Texture Mapping Tool(TMM)设定物体的纹理和材料物理特性;然后利用MOSART Atmospheric Tool(MAT)设定大气传输模型,计算大气透射率、大气背景辐射、太阳或月亮的直接辐射等,由于计算量很大,采用预先计算好,生成mat文件。在仿真中,可以有多个mat文件,SensorVision读取.mat文件,直接使用预先计算好的这些参数可以加速仿真速度;最后通过SensorVision调用已经计算的各种参数,利用辐射度计算公式,计算场景中的红外辐射强度,并完成从辐射强度到灰度值的转换,生成红外图像。该过程用流程图可表示如图3所示。

4.1 场景建模

场景的红外成像仿真中,场景包括目标和背景。场景建模首先要建立目标和背景的三维几何模型。目标主要包括车辆、飞机、坦克等;背景主要包括地表、山坡、河流、公路、稻田、树木、建筑物等。在几何建模过程中既要模型的逼真性,又要考虑仿真的实时性要求,传统的用增加多边形数量来提高几何模型逼真性的方法是不可取的。为了加快图形显示速度,本文采用纹理映射技术来实现。TMM工具是视景仿真软件Vega提供的材料纹理赋予工具,利用它在纹理图上定义材质特性,生成纹理材质图片,为红外探测器、雷达等模块运行时提供物体的材质属性。由于物体的材质属性直接影响其红外辐射特性,这一步对红外成像仿真工作很重要,对大幅场景这部分工作也是十分繁重的。目前版本的TMM提供了10大类172种材质,并且可以创建新的材质数据,每种材质都有相应的光谱特性库和热特性库。因此,为了红外成像仿真的需要,目标和背景的几何模型建成后,要利用TMM工具为模型映射相对应的纹理材质,同时也就建立了目标的红外辐射模型。同时在建立模型的过程中,还要设定具体天气情况、星历模型以及观察者的位置及状态等。

4.2 建立大气传输模型

目标至红外探测器的路径上存在着大气,物体的红外辐射受到大气中某些气体选择性吸收和悬浮微粒散射等因素的作用而产生衰减。许多大气因素,如风、云、雾、雨、雪等,直接影响大气衰减。计算大气衰减的方法很多,主要有经验公式法和大气模型法,目前精度较高的是美国的LOWTRAN模型。而在Vega中,利用MAT设定大气传输模型,计算大气透射率、大气背景辐射、太阳或月亮的直接辐射等。MAT工具用来创建、编辑、生成大气传输特性的数据库,首先设定地理位置、大气状态、气象条件和光谱波段等参数,然后利用MOSART和TERTEM软件,根据所输入的参数,得到特定光谱范围内的大气传输特性以及相关物质的辐射特性,生成相应的数据库,以提供红外成像仿真过程中Sensor模块所需要的数据。

由于大气传输特性的计算十分复杂和繁琐,且计算量巨大,因此这部分的工作要在仿真前完成,以保证仿真的实时性。MAT将一种大气状况下,各个时间内的传输特性存放在一个数据库中,仿真过程中只要调用相应的数据库就可以得到所需数据。

4.3 场景的红外辐射建模

红外成像仿真的关键是确定物体表面的温度分布和辐射场,通过温度场来计算各点的红外辐射。实际情况下,目标的表面温度和辐射通量主要受背景辐射和内热源的影响,必须建立其适当的背景和内热源模型。对于无内热源目标,例如草地、人造物等它们的温度分布和自身材料的热特性、光谱反射特性以及背景辐射等因素有关,通过求解热交换方程来确定。而对于有内热源目标,例如飞机、车辆等,它们自身的某些部位是内热源,可以产生热量,是目标温度分布的主要因素,对此应根据实际情况给定目标的温度分布或建立内热源模型求解其温度分布。目前从国内外的研究状况来看,1996年,Hyum提出用等效热阻把内热源与物体表面联系起来的模型,借以模拟内热源与物体表面间热传导的物理过程。这种方法不仅使模型具有物理意义,而且红外仿真效果也有很大提高。目前对背景红外成像仿真的方法基本上遵从测量、经验与理论相结合的原则。TMM工具为场景模型赋予材质纹理,每种材质都有其相应的光谱反射特性库和热特性库。由于纹理材质数据库是开放的,可以根据模型的表面温度分布或建立内热源模型求解其温度分布和实际物体的材料特性,建立相应纹理材质文件(.mtl),且该文件包含材质的热特性库和光谱反射特性库,再把建立的材质文件添加到Vega的材质数据库中。根据已经建立的大气传输模型和目标与背景模型以及目标与背景构成材料的物理属性,利用辐射度计算公式计算探测器上所接受到的红外辐射强度。Vega的Sensor模块用来模拟生成可见光谱段以外的图像,Sensor模块包括SensorVision和SensorWorks两个部分。利用它可以控制红外探测器的参数,模拟探测器对红外成像的影响,处理Sensor模块与其他模块以及MAT、TMM工具的连接与调用。得到在探测器成像面上对应像元的辐射亮度,并不是最终结果,数字图像反映的是灰度值,因此必须把辐射亮度转化为灰度等级,这是个量化的过程。按照将最大的辐射度对应于255,最小的辐射度对应于0的原则生成一个灰度图像。

4.4 场景红外图像的实时仿真

Vega读取已经生成的三维红外场景模型,并考虑各种目标以及观察者的运动状态,对场景中的静态及动态目标进行实时模拟,使场景中的各种动态目标运动起来。为了方便控制场景,本文利用了一种将Vega窗口植入到基于MFC的View窗口的方法。该方法实质是将Vega着色放进MFC的View窗口中进行。当前有两种可实现View窗口的Vega驱动:一是直接继承MFC中的CView类,称为直接继承模式;二是通过继承MFC中的CView类而派生出一个子类zsVegaView,称为模板方法模式。这个zsVegaView类提供了启动一个Vega线程最基本功能,还以虚函数的形式定义了特定的应用要进行操作的通用接口,因此用户的应用程序只需从zsVegaView派生出新类并根据需要重载必要的虚函数即可。本文采用了模板方法模式。zsVegaView类由CView类派生,并封装了Vega特性的变量、函数和定义运行线程。

5 结语

战场环境传感信息的可视化是一个庞大、复杂的系统工程。本文在分析SAR、红外成像仿真原理的基础上,给出了基于实时视景仿真软件Vega的战场环境传感信息的可视化方法,为战场环境传感信息的可视化研究提供了一个可行的方法。只要能建立目标的传感信息,就可以利用这些传感信息实现战场环境的可视化。虽然取得了较为理想的仿真结果,但有些工作,例如,如何获取更多传感信息数据,建立更大的传感信息数据库;如何在多台计算机上进行交互式仿真研究,充分体现仿真的实时性等方面仍然需要进一步的研究和探索。

关键字:战场  环境  信息  可视化

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0614/article_6714.html
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