戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境傳感信息的可視化研究

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高科技技術(shù)有著重要應(yīng)用，如紅外成像制導(dǎo)技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)、紅外成像技術(shù)等在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著重要作用。自20世紀(jì)下半葉，基于雷達(dá)、紅外、地磁、可見光等多傳感器的傳感信息的航空航天遙測(cè)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，為現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)提出了新的要求，要求地理信息系統(tǒng)不僅攜帶地理位置、地貌特征數(shù)據(jù)，而且具有傳感信息數(shù)據(jù)。直接利用地面的傳感信息進(jìn)行遙測(cè)遙感研究和作戰(zhàn)武器性能的實(shí)戰(zhàn)演練研究，有許多不足之處：要耗費(fèi)大量的資金和軍用物資，研制周期長(zhǎng)，安全性差，而且很難在實(shí)戰(zhàn)演習(xí)條件下改變狀態(tài)，因此有必要利用可視化仿真技術(shù)進(jìn)行研究。然而現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真技術(shù)大多是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及作戰(zhàn)過(guò)程的仿真，對(duì)利用傳感信息進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的可視化仿真研究不多?；诖?，本文提出了一種利用傳感信息對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真研究的方法。

1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的傳感信息

航天航空平臺(tái)能裝載多種特征的遙感傳感器，如雷達(dá)、可見光、紅外、地磁等。這些平臺(tái)綜合利用多種傳感信息進(jìn)行融合效果分析，能夠更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和描繪地面的實(shí)體目標(biāo)特征。在這些航天航空平臺(tái)中，星載、機(jī)載成像雷達(dá)和紅外成像系統(tǒng)就是一個(gè)很重要的應(yīng)用。成像雷達(dá)主要包括合成孔徑雷達(dá)、實(shí)孔徑陣列成像雷達(dá)、逆合成孔徑雷達(dá)等，合成孔徑雷達(dá)的主要應(yīng)用是發(fā)現(xiàn)和識(shí)別軍事目標(biāo)，如作戰(zhàn)飛機(jī)、坦克群，機(jī)場(chǎng)和停機(jī)坪，各種車輛、橋梁、鐵路、公路、堤壩和各種軍事建筑物等。另外目前SAR正在向多頻段、多極化、變?nèi)肷浣?、多模式方向發(fā)展，即使被偽裝或隱藏起來(lái)的軍事目標(biāo)，SAR照樣可以發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)。紅外成像在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的重要應(yīng)用之一是紅外成像制導(dǎo)，紅外成像制導(dǎo)是當(dāng)今最先進(jìn)的紅外制導(dǎo)方式之一，由于其目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)，因而成為當(dāng)今精確制導(dǎo)武器的一大發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)在紅外導(dǎo)引頭的研制測(cè)試過(guò)程中，紅外圖像的獲取是十分重要的。然而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍得到的圖像有很大的局限性，首先很難獲得各種氣象條件下的紅外圖像，另外許多軍事目標(biāo)的紅外圖像也是無(wú)法拍到的，而且外場(chǎng)拍攝要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間和大量的人力物力。紅外景象仿真技術(shù)可以很好地解決這些問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是有效、完備、經(jīng)濟(jì)、安全。因此很有必要利用現(xiàn)代快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行成像仿真研究。從合成孔徑雷達(dá)成像和紅外成像的機(jī)理可知，要進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)的SAR成像和紅外成像仿真，就要建立相應(yīng)的傳感信息源，即建立與真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境所對(duì)應(yīng)的地物、軍事目標(biāo)、建筑物的物理屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

根據(jù)合成孔徑雷達(dá)成像仿真機(jī)理和紅外成像仿真機(jī)理可知，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境傳感信息與環(huán)境中的背景、軍事目標(biāo)、建筑物的表面紋理材質(zhì)的物理屬性有關(guān)。合成孔徑雷達(dá)成像利用材料對(duì)電磁波的散射特性數(shù)據(jù)，即雷達(dá)散射截面(RCS)。自然場(chǎng)景的RCS是其后向散射系數(shù)的函數(shù)，人造物體的RCS是入射電磁波的頻率、極化方式、入射角、反射角的函數(shù)。因此SAR成像仿真的傳感信息是場(chǎng)景及三維模型實(shí)體的雷達(dá)散射截面，為了仿真需求，必須建立場(chǎng)景中紋理材料的后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)和入射到三維實(shí)體模型的表面的電磁波的頻率、極化方式、入射角和反射角數(shù)據(jù)。紅外成像利用材料的物理屬性數(shù)據(jù)和空間中大氣的傳輸特性數(shù)據(jù)，如紋理材料的光譜吸收率、反射率、熱特性、大氣的輻射、大氣對(duì)紅外輻射的衰減等。紅外成像仿真的關(guān)鍵是確定物體表面的溫度分布和輻射場(chǎng)，通過(guò)溫度場(chǎng)來(lái)計(jì)算各點(diǎn)的紅外輻射。

2 戰(zhàn)場(chǎng)傳感信息集成

戰(zhàn)場(chǎng)傳感信息集成，就是建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境傳感信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。建立傳感信息數(shù)據(jù)庫(kù)，與建立一般仿真所需的數(shù)據(jù)庫(kù)不同。數(shù)據(jù)庫(kù)中材料的物理屬性必須與真實(shí)材料的物理屬性相同。Vega軟件提供了150多種材料的物理屬性數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)文件(.mtl)是二進(jìn)制文件，利用Vega自帶的工具spabba可以把文件轉(zhuǎn)換成ASCII文件，可以使使用者編輯和修改數(shù)據(jù)庫(kù)文件。使用者也可以創(chuàng)建自己的材料數(shù)據(jù)庫(kù)文件。下面是一個(gè)紋理材料文件的例子：

雖然Vega軟件已提供了150多種材料的物理屬性數(shù)據(jù)，但距離戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的仿真需要相差甚遠(yuǎn)，因此為了仿真的需要，有必要建立多種材料的物理屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 合成孔徑雷達(dá)成像仿真方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

該方法是在建立場(chǎng)景模型的基礎(chǔ)上，利用場(chǎng)景、目標(biāo)模型的紋理材料特性數(shù)據(jù)和雷達(dá)電磁波的特性(頻率、極化)計(jì)算雷達(dá)散射截面(RCS)，然后利用Vega的傳感器模型得到SAR圖像。下面具體介紹該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3.1 場(chǎng)景建模

場(chǎng)景建模即建立了三維自然地形、人文特征目標(biāo)等模型，在建立三維自然地形模型時(shí)，要在模型上貼上地表紋理。在建立人文特征目標(biāo)模型時(shí)，要選擇相應(yīng)的特征碼和表面材質(zhì)碼，貼上相應(yīng)的紋理材質(zhì)。

3.2 初始化LynX圖形界面

初始化LynX圖形界面主要包括窗口、通道、場(chǎng)景、對(duì)象物、碰撞檢測(cè)、環(huán)境及環(huán)境特效、場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)體、觀察方式的初始化。同時(shí)要初始化RadarWorks模塊，包括頻率、極化方式等參數(shù)的選擇，SAR圖像輸出方式的選擇，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)取?/p>

3.3 建立紋理材質(zhì)與真實(shí)材質(zhì)的映射

為了對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行SAR成像仿真，在建立場(chǎng)景模型的基礎(chǔ)上，需要建立紋理材質(zhì)與真實(shí)材料的映射關(guān)系，以便得到紋理材料的物理屬性。當(dāng)雷達(dá)天線的波束輻射到場(chǎng)景中某一區(qū)域時(shí)，要指定該區(qū)域內(nèi)紋理材料的真實(shí)材質(zhì)，如指定這種紋理材料是植被，那種紋理材料是金屬，如圖1所示。對(duì)于這一工作，Vega軟件中紋理材料圖生成器(Texture Material Mapping，TMM)來(lái)完成。TMM工具是Vega軟件提供的材質(zhì)賦予工具，利用它在紋理圖上定義材質(zhì)特性，生成材質(zhì)圖片，為紅外探測(cè)器、雷達(dá)等模塊運(yùn)行時(shí)提供物體的材質(zhì)屬性。TMM工具并為紋理材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有紋理分類，通過(guò)分類使紋理材料與真實(shí)材質(zhì)建立了映射關(guān)系。這些被分類的紋理被用來(lái)決定紋理材料數(shù)據(jù)中的材料屬性。

 3.4 圖像模擬

利用模型的紋理材料的物理屬性數(shù)據(jù)和初始化LynX圖形界面時(shí)初始化的一些雷達(dá)參數(shù)，從計(jì)算電磁場(chǎng)角度計(jì)算場(chǎng)景中每一個(gè)像素的RCS值，然后利用SAR成像算法，就可以進(jìn)行SAR成像仿真。當(dāng)用戶飛過(guò)Vega場(chǎng)景時(shí)，Vega軟件中的RadarVision計(jì)算每一個(gè)像素的RCS值，RadarWorks模塊的傳感器模型將RadarVision計(jì)算的RCS值與用戶定義的雷達(dá)參數(shù)值(波束寬度，距離向大小，天線模式，信號(hào)處理信息)相結(jié)合產(chǎn)生SAR圖像。這充分體現(xiàn)了SAR成像仿真的實(shí)時(shí)性，即當(dāng)用戶飛過(guò)Vega場(chǎng)景時(shí)，就可得到場(chǎng)景的SAR圖像。RadarWorks也模擬了有效的SAR傳感器和處理效果如頻率跳動(dòng)、分辨率、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，邊緣增強(qiáng)，并且相應(yīng)的修改RCS圖。數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地被處理直到掃描區(qū)域一副完整的圖被編輯完成。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償通過(guò)計(jì)算每個(gè)像素的方位向和距離向加權(quán)函數(shù)的卷積來(lái)完成。RadarWorks也考慮了地形和人文要素形成的雷達(dá)陰影的實(shí)時(shí)計(jì)算，陰影通過(guò)IRIS Performer計(jì)算，因此要利用SGI硬件。這保證了當(dāng)用戶飛過(guò)Vega場(chǎng)景時(shí)，每個(gè)對(duì)象的幾何陰影能被實(shí)時(shí)計(jì)算。

3.5 編程仿真

在VC++語(yǔ)言環(huán)境下，編程仿真。Vega軟件具有友好的圖形環(huán)境界面，完整的C語(yǔ)言程序應(yīng)用程序接口API，豐富的實(shí)用庫(kù)函數(shù)，這就減少了源代碼的編寫，提高了工作效率。編程過(guò)程中，可以調(diào)用Vega的庫(kù)函數(shù)VgCetProp，通過(guò)鍵控來(lái)達(dá)到不同時(shí)刻、不同環(huán)境下的SAR圖像。程序流程圖如圖2所示。

4 紅外成像仿真過(guò)程

根據(jù)紅外成像仿真原理可知，基于Vega的紅外成像仿真方法可分為以下幾個(gè)過(guò)程：首先建立場(chǎng)景模型；其次建立大氣傳輸模型，并計(jì)算大氣衰減；最后計(jì)算紅外探測(cè)器上接收到的紅外輻射強(qiáng)度，并完成由輻射強(qiáng)度到灰度值的轉(zhuǎn)換，生成紅外圖像。SensorVision模塊可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生從可見光到遠(yuǎn)紅外線間各個(gè)波段的紅外仿真圖像。利用SensorVision模塊生成紅外圖像的過(guò)程為：在利用圖形界面LynX定義的，ADF文件的基礎(chǔ)上，SensorVision模塊利用Texture Mapping Tool(TMM)設(shè)定物體的紋理和材料物理特性；然后利用MOSART Atmospheric Tool(MAT)設(shè)定大氣傳輸模型，計(jì)算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽(yáng)或月亮的直接輻射等，由于計(jì)算量很大，采用預(yù)先計(jì)算好，生成mat文件。在仿真中，可以有多個(gè)mat文件，SensorVision讀取.mat文件，直接使用預(yù)先計(jì)算好的這些參數(shù)可以加速仿真速度；最后通過(guò)SensorVision調(diào)用已經(jīng)計(jì)算的各種參數(shù)，利用輻射度計(jì)算公式，計(jì)算場(chǎng)景中的紅外輻射強(qiáng)度，并完成從輻射強(qiáng)度到灰度值的轉(zhuǎn)換，生成紅外圖像。該過(guò)程用流程圖可表示如圖3所示。

4.1 場(chǎng)景建模

場(chǎng)景的紅外成像仿真中，場(chǎng)景包括目標(biāo)和背景。場(chǎng)景建模首先要建立目標(biāo)和背景的三維幾何模型。目標(biāo)主要包括車輛、飛機(jī)、坦克等；背景主要包括地表、山坡、河流、公路、稻田、樹木、建筑物等。在幾何建模過(guò)程中既要模型的逼真性，又要考慮仿真的實(shí)時(shí)性要求，傳統(tǒng)的用增加多邊形數(shù)量來(lái)提高幾何模型逼真性的方法是不可取的。為了加快圖形顯示速度，本文采用紋理映射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。TMM工具是視景仿真軟件Vega提供的材料紋理賦予工具，利用它在紋理圖上定義材質(zhì)特性，生成紋理材質(zhì)圖片，為紅外探測(cè)器、雷達(dá)等模塊運(yùn)行時(shí)提供物體的材質(zhì)屬性。由于物體的材質(zhì)屬性直接影響其紅外輻射特性，這一步對(duì)紅外成像仿真工作很重要，對(duì)大幅場(chǎng)景這部分工作也是十分繁重的。目前版本的TMM提供了10大類172種材質(zhì)，并且可以創(chuàng)建新的材質(zhì)數(shù)據(jù)，每種材質(zhì)都有相應(yīng)的光譜特性庫(kù)和熱特性庫(kù)。因此，為了紅外成像仿真的需要，目標(biāo)和背景的幾何模型建成后，要利用TMM工具為模型映射相對(duì)應(yīng)的紋理材質(zhì)，同時(shí)也就建立了目標(biāo)的紅外輻射模型。同時(shí)在建立模型的過(guò)程中，還要設(shè)定具體天氣情況、星歷模型以及觀察者的位置及狀態(tài)等。

4.2 建立大氣傳輸模型

目標(biāo)至紅外探測(cè)器的路徑上存在著大氣，物體的紅外輻射受到大氣中某些氣體選擇性吸收和懸浮微粒散射等因素的作用而產(chǎn)生衰減。許多大氣因素，如風(fēng)、云、霧、雨、雪等，直接影響大氣衰減。計(jì)算大氣衰減的方法很多，主要有經(jīng)驗(yàn)公式法和大氣模型法，目前精度較高的是美國(guó)的LOWTRAN模型。而在Vega中，利用MAT設(shè)定大氣傳輸模型，計(jì)算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽(yáng)或月亮的直接輻射等。MAT工具用來(lái)創(chuàng)建、編輯、生成大氣傳輸特性的數(shù)據(jù)庫(kù)，首先設(shè)定地理位置、大氣狀態(tài)、氣象條件和光譜波段等參數(shù)，然后利用MOSART和TERTEM軟件，根據(jù)所輸入的參數(shù)，得到特定光譜范圍內(nèi)的大氣傳輸特性以及相關(guān)物質(zhì)的輻射特性，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，以提供紅外成像仿真過(guò)程中Sensor模塊所需要的數(shù)據(jù)。

由于大氣傳輸特性的計(jì)算十分復(fù)雜和繁瑣，且計(jì)算量巨大，因此這部分的工作要在仿真前完成，以保證仿真的實(shí)時(shí)性。MAT將一種大氣狀況下，各個(gè)時(shí)間內(nèi)的傳輸特性存放在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，仿真過(guò)程中只要調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)就可以得到所需數(shù)據(jù)。

4.3 場(chǎng)景的紅外輻射建模

紅外成像仿真的關(guān)鍵是確定物體表面的溫度分布和輻射場(chǎng)，通過(guò)溫度場(chǎng)來(lái)計(jì)算各點(diǎn)的紅外輻射。實(shí)際情況下，目標(biāo)的表面溫度和輻射通量主要受背景輻射和內(nèi)熱源的影響，必須建立其適當(dāng)?shù)谋尘昂蛢?nèi)熱源模型。對(duì)于無(wú)內(nèi)熱源目標(biāo)，例如草地、人造物等它們的溫度分布和自身材料的熱特性、光譜反射特性以及背景輻射等因素有關(guān)，通過(guò)求解熱交換方程來(lái)確定。而對(duì)于有內(nèi)熱源目標(biāo)，例如飛機(jī)、車輛等，它們自身的某些部位是內(nèi)熱源，可以產(chǎn)生熱量，是目標(biāo)溫度分布的主要因素，對(duì)此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況給定目標(biāo)的溫度分布或建立內(nèi)熱源模型求解其溫度分布。目前從國(guó)內(nèi)外的研究狀況來(lái)看，1996年，Hyum提出用等效熱阻把內(nèi)熱源與物體表面聯(lián)系起來(lái)的模型，借以模擬內(nèi)熱源與物體表面間熱傳導(dǎo)的物理過(guò)程。這種方法不僅使模型具有物理意義，而且紅外仿真效果也有很大提高。目前對(duì)背景紅外成像仿真的方法基本上遵從測(cè)量、經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的原則。TMM工具為場(chǎng)景模型賦予材質(zhì)紋理，每種材質(zhì)都有其相應(yīng)的光譜反射特性庫(kù)和熱特性庫(kù)。由于紋理材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是開放的，可以根據(jù)模型的表面溫度分布或建立內(nèi)熱源模型求解其溫度分布和實(shí)際物體的材料特性，建立相應(yīng)紋理材質(zhì)文件(.mtl)，且該文件包含材質(zhì)的熱特性庫(kù)和光譜反射特性庫(kù)，再把建立的材質(zhì)文件添加到Vega的材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)已經(jīng)建立的大氣傳輸模型和目標(biāo)與背景模型以及目標(biāo)與背景構(gòu)成材料的物理屬性，利用輻射度計(jì)算公式計(jì)算探測(cè)器上所接受到的紅外輻射強(qiáng)度。Vega的Sensor模塊用來(lái)模擬生成可見光譜段以外的圖像，Sensor模塊包括SensorVision和SensorWorks兩個(gè)部分。利用它可以控制紅外探測(cè)器的參數(shù)，模擬探測(cè)器對(duì)紅外成像的影響，處理Sensor模塊與其他模塊以及MAT、TMM工具的連接與調(diào)用。得到在探測(cè)器成像面上對(duì)應(yīng)像元的輻射亮度，并不是最終結(jié)果，數(shù)字圖像反映的是灰度值，因此必須把輻射亮度轉(zhuǎn)化為灰度等級(jí)，這是個(gè)量化的過(guò)程。按照將最大的輻射度對(duì)應(yīng)于255，最小的輻射度對(duì)應(yīng)于0的原則生成一個(gè)灰度圖像。

4.4 場(chǎng)景紅外圖像的實(shí)時(shí)仿真

Vega讀取已經(jīng)生成的三維紅外場(chǎng)景模型，并考慮各種目標(biāo)以及觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)場(chǎng)景中的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，使場(chǎng)景中的各種動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。為了方便控制場(chǎng)景，本文利用了一種將Vega窗口植入到基于MFC的View窗口的方法。該方法實(shí)質(zhì)是將Vega著色放進(jìn)MFC的View窗口中進(jìn)行。當(dāng)前有兩種可實(shí)現(xiàn)View窗口的Vega驅(qū)動(dòng)：一是直接繼承MFC中的CView類，稱為直接繼承模式；二是通過(guò)繼承MFC中的CView類而派生出一個(gè)子類zsVegaView，稱為模板方法模式。這個(gè)zsVegaView類提供了啟動(dòng)一個(gè)Vega線程最基本功能，還以虛函數(shù)的形式定義了特定的應(yīng)用要進(jìn)行操作的通用接口，因此用戶的應(yīng)用程序只需從zsVegaView派生出新類并根據(jù)需要重載必要的虛函數(shù)即可。本文采用了模板方法模式。zsVegaView類由CView類派生，并封裝了Vega特性的變量、函數(shù)和定義運(yùn)行線程。

5 結(jié)語(yǔ)

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境傳感信息的可視化是一個(gè)龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文在分析SAR、紅外成像仿真原理的基礎(chǔ)上，給出了基于實(shí)時(shí)視景仿真軟件Vega的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境傳感信息的可視化方法，為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境傳感信息的可視化研究提供了一個(gè)可行的方法。只要能建立目標(biāo)的傳感信息，就可以利用這些傳感信息實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的可視化。雖然取得了較為理想的仿真結(jié)果，但有些工作，例如，如何獲取更多傳感信息數(shù)據(jù)，建立更大的傳感信息數(shù)據(jù)庫(kù)；如何在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行交互式仿真研究，充分體現(xiàn)仿真的實(shí)時(shí)性等方面仍然需要進(jìn)一步的研究和探索。