飛行仿真中雷達地形數(shù)據(jù)庫構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

徐濤，周強，張立民，余應(yīng)福

（海軍航空工程學(xué)院a.信息融合研究所；b.科研部，山東煙臺264001）

飛行仿真中雷達地形數(shù)據(jù)庫構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

徐濤a，周強b，張立民b，余應(yīng)福a

（海軍航空工程學(xué)院a.信息融合研究所；b.科研部，山東煙臺264001）

雷達圖像仿真是飛行仿真的重要組成部分，而雷達地形數(shù)據(jù)庫為雷達圖像仿真提供基本的數(shù)據(jù)支持。為構(gòu)建滿足仿真精度與實時性要求的雷達地形數(shù)據(jù)庫，對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。在分析雷達圖像仿真原理的基礎(chǔ)上，研究了雷達地形數(shù)據(jù)庫在分布式飛行仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用方式和組成形式。根據(jù)所用數(shù)據(jù)源的不同，對雷達地形建模技術(shù)進行了分類，并分析了不同建模方法的優(yōu)缺點。比較了網(wǎng)格式與多邊形式2種數(shù)據(jù)存儲與調(diào)度技術(shù)的特點和適用性，指出多分辨率表示技術(shù)雷達地形建模中的重要性，給出了一種材質(zhì)數(shù)據(jù)多分辨率映射的基于材質(zhì)最大出現(xiàn)概率的子取樣方法。對機載雷達實波束地形測繪成像進行了仿真。

雷達圖像仿真；雷達地形建模；數(shù)據(jù)存儲與調(diào)度；分辨率表示

雷達仿真的逼真度是影響飛行仿真訓(xùn)練真實感的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)代機載雷達的功能與工作機理越來越復(fù)雜，飛行仿真訓(xùn)練對雷達仿真的需求也在不斷提高。雷達仿真系統(tǒng)不同種類雷達功能的仿真，尤其是成像雷達的仿真在飛行仿真中發(fā)揮著重要作用。從事雷達功能研究與仿真訓(xùn)練產(chǎn)品開發(fā)的研究人員提出了多種雷達圖像仿真的方法[1-13]。文獻[14]將雷達仿真分為效果級的仿真與能量級的仿真。效果級的仿真采用各種視覺技術(shù)對地形進行處理，以產(chǎn)生類似于雷達圖像的視覺效果，處理方法并非基于雷達工作的物理模型[3，5，9]。這類方法簡單高效，適用于簡單雷達及場景的仿真，但無法對復(fù)雜工作條件下的雷達成像過程進行仿真。能量級的仿真基于環(huán)境與雷達系統(tǒng)的高精度物理模型，因而可以在各種情況下實現(xiàn)高逼真度的仿真效果。

分布式飛行仿真要求雷達圖像仿真系統(tǒng)具備很高的靈活性和實時性。效果級的仿真方法并不適用于飛行仿真中的雷達圖像仿真。Holtzman等人[1]提出了雷達圖像仿真的點散射模型，并對其在數(shù)字計算機上的實現(xiàn)進行了研究。隨著數(shù)字計算機計算能力的提升，人們對點散射模型進行了改進，采用了一些更為復(fù)雜的模型對雷達圖像或者雷達回波信號進行仿真[6-7，10-12]，這些仿真方法都需地形模型支持。鑒于此，本文對雷達地形數(shù)據(jù)庫相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 雷達地形數(shù)據(jù)庫的組成與應(yīng)用

1.1 雷達地形數(shù)據(jù)庫的組成

基于點散射模型的雷達圖像仿真模型如圖1所示，包括4個部分的主要內(nèi)容，即成像模型、雷達幾何傳播現(xiàn)象模型、地面模型及和反射特性模型。

圖1 雷達圖像仿真模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of radar image simulation model

成像模型提供了由回波功率計算仿真圖像像素灰度的灰度方程。雷達幾何傳播效應(yīng)模型處理雷達圖像中的陰影、疊掩、距離壓縮等效應(yīng)。地面模型一般用地面材質(zhì)數(shù)據(jù)庫表示。數(shù)據(jù)庫是對成像區(qū)域地形的地物類別和高程變化的符號化表示。反射特性模型為地面模型中每一類地物的電介質(zhì)特性建模。

可以看到，仿真模型需要3種基本輸入數(shù)據(jù)：首先，包含被仿真雷達的工作參數(shù)；其次，必須定義一種所選擇仿真地形地貌與電介質(zhì)類型的符號表示方法，也就是地面材質(zhì)數(shù)據(jù)庫；最后，必須給出地面材質(zhì)數(shù)據(jù)庫中每種不同電介質(zhì)類型的電磁反射特性。

由此可見，進行雷達圖像仿真時，雷達地形數(shù)據(jù)庫需要提供數(shù)字高程數(shù)據(jù)、地面材質(zhì)數(shù)據(jù)和人造目標(biāo)數(shù)據(jù)。由于人造目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和表示方式相對獨立[10]，本文重點對數(shù)字高程數(shù)據(jù)、地面材質(zhì)數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)進行了研究。

1.2 雷達地形數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用特點

雷達地形數(shù)據(jù)庫在分布式飛行仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用特點可以用圖2表示。雷達仿真分系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信引擎獲得載機平臺、實體目標(biāo)等信息，然后從地形數(shù)據(jù)庫獲得地形數(shù)據(jù)支持?？梢钥吹?，雷達地形數(shù)據(jù)庫除了為雷達仿真提供支持，同時也為其他仿真分系統(tǒng)提供支持。

圖2 雷達地形數(shù)據(jù)庫在仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.2 Application of radar landmass database in simulation system

由于作戰(zhàn)飛機具有很高的機動性，機載雷達需要對大范圍的地形進行成像，而且現(xiàn)代機載雷達通常具有多種工作模式進行地形測繪。在分布式飛行仿真系統(tǒng)中，雷達地形數(shù)據(jù)庫具有以下特點：

1）需要獲取大范圍場景地形數(shù)據(jù)。機載雷達具有距離達幾百千米的成像能力，同時載機又具有極強的機動性能，因而模擬訓(xùn)練系統(tǒng)往往需要構(gòu)建覆蓋幾十萬平方千米甚至更大區(qū)域的地形數(shù)據(jù)庫。

2）需要支持變化精度地形分辨率的需求。機載雷達采用多種模式完成地形測繪功能，包括RBGM、DBS以及SAR。這些工作模式具有不同的距離分辨率，因而需要地形數(shù)據(jù)庫可以支持仿真對不同距離分辨率的需求。

事業(yè)單位的本質(zhì)為，國有資產(chǎn)出資創(chuàng)立、主要運營方向帶有濃郁的社會公益色彩，并受到黨的直接領(lǐng)導(dǎo)與管控，事業(yè)單位主要為學(xué)校等教育事業(yè)單位、醫(yī)院等衛(wèi)生事業(yè)單位組成。而因事業(yè)單位的特殊性決定，黨對其掌控力度的強弱至關(guān)重要，而政工工作作為黨控制事業(yè)單位的主要工作內(nèi)容與表現(xiàn)形式，極大增強了事業(yè)單位中黨的實際控制能力。

3）需要支持高效的存儲、調(diào)度策略。由于數(shù)據(jù)庫需要覆蓋巨大區(qū)域的地形，并提供不同的分辨率支持，因而需要巨大的存儲空間、合理的儲存方式和調(diào)度方式，以滿足仿真的逼真度和實時性的需求。

2 雷達地形數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雷達地形建模技術(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同，雷達地形建模技術(shù)可以分為：采用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的自動建模方法，需要人工提取地面材質(zhì)信息的半自動方法，以及人工地形建模方法。

2.1.1 自動地形建模

地形通過地形生成軟件自動構(gòu)建。采用的數(shù)據(jù)為已有地理信息數(shù)據(jù)（GIS），包括高程數(shù)據(jù)和材質(zhì)數(shù)據(jù)。一些國家和組織為滿足本國和組織內(nèi)的軍事需求，建立了通用的地形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。從上世紀60年代開始，美國與英國制圖結(jié)構(gòu)就開發(fā)數(shù)字雷達地形仿真系統(tǒng)（DRLMS）的項目展開合作，后來此項目名稱改為數(shù)字地形系統(tǒng)（DLMS）[15]。美國國防地圖局DMA（現(xiàn)為國家制圖局NIMA）于1977年發(fā)布了DLMS的詳細產(chǎn)品規(guī)則。該項目為北約國家軍事項目對地形數(shù)據(jù)庫的需求提供了支持。Camber公司的雷達仿真產(chǎn)品Radar Toolkit就使用了該項目的地形數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，同時也是DRLMS的主要供應(yīng)商[14]。文獻[10]的研究則采用了芬蘭國土勘測機構(gòu)提供的數(shù)據(jù)。

自動地形建模比較節(jié)省人力，因而很有吸引力，但是該方法存在以下問題：

1）無法獲取某些地區(qū)的地形數(shù)據(jù)。某些偏遠地區(qū)或者敏感地區(qū)無法進行測繪作業(yè)，無法獲得詳細的地形材質(zhì)數(shù)據(jù)。

2）已有的GIS數(shù)據(jù)精度難以滿足不同雷達圖像仿真需求。如SAR圖像的仿真需要極高分辨率的地形數(shù)據(jù)，一般通用地形數(shù)據(jù)庫只能支持中低分辨率的仿真應(yīng)用。

3）數(shù)據(jù)的時效性差。受經(jīng)濟和人力成本的限制，通用數(shù)據(jù)庫的更新有一定的滯后性，無法及時體現(xiàn)感興趣地區(qū)地形地物的變化。

4）某些應(yīng)用無法獲得能夠滿足仿真需求的通用地形數(shù)據(jù)庫的支持，因而無法采用自動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過交互式3D建模軟件構(gòu)建。該方法一般用于地形范圍較小而對細節(jié)要求較高的應(yīng)用。該方法采用的數(shù)據(jù)源為真實的或者虛構(gòu)的地圖/圖像。該方法只適用于小范圍地形的仿真應(yīng)用，由于極高的人工和時間消耗，無法滿足飛行仿真大范圍場景地形數(shù)據(jù)的需求。

2.1.3 半自動地形建模

可以通過地形生成軟件自動構(gòu)建地形，但使用的已有數(shù)據(jù)只包括高程數(shù)據(jù)，而描述地面特征的材質(zhì)數(shù)據(jù)需要使用紋理數(shù)據(jù)/遙感數(shù)據(jù)進行人工編輯。例如，Multigen-Paradigm公司Vega軟件的RadarWorks模塊可使用已有DEM數(shù)據(jù)，但材質(zhì)數(shù)據(jù)主要通過建模工具TMM（Texture Material Mapper）[16]采用人工手動指定的方式生成。Holtzman等人[1]的研究中構(gòu)建了一個交互式的特征提取工具，采用高精度航空圖片及美國地質(zhì)測繪圖作為信息源提取所研究地點散射體類別幾何分布圖，然后由該圖產(chǎn)生數(shù)字地面材質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感圖像的空間分辨率已達亞米級，且更新周期短。如QuickBird，其全光譜圖像空間分辨率為0.61 m，重訪間隔為1～3 d[17]。因此，基于遙感圖像的地形建模方法可滿足雷達圖像仿真對地形精度、時效性、覆蓋范圍方面的要求。但考慮到地形覆蓋范圍非常廣泛，遙感圖像數(shù)據(jù)量巨大，人工材質(zhì)提取方法將造成開發(fā)人員的工作量的增加。

為解決這一問題，一些研究采用了基于遙感圖像的材質(zhì)數(shù)據(jù)自動提取技術(shù)。例如，文獻[13]在雷達地雜波的仿真研究中，以Landsat-7ETM+多光譜遙感圖像作為信息源，采用RBFC（Radial Basis Function Classifier）算法提取地物分類信息，將地面屬性分為：瀝青和混凝土、耕地、森林、草地、市區(qū)及水域。文獻[18] Worldview-2衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，使用遙感圖像分析工具ERDAS IMAGINE進行地形材質(zhì)信息的自動提取。

2.2 數(shù)據(jù)存儲與調(diào)度技術(shù)

仿真場景的地形數(shù)據(jù)庫所需存儲空間的大小遠遠大于計算機的內(nèi)存，需要采用調(diào)度方法將地形數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫讀入內(nèi)存。用于雷達仿真的地形數(shù)據(jù)主要采用2種數(shù)據(jù)組織方式：網(wǎng)格式與多邊形式[11]。圖3是2種數(shù)據(jù)組織方式的示意圖，其中虛線表示地形的多邊形（圖中為不規(guī)則三角形）表示方式，實線表示網(wǎng)格式表示方式。

圖3 雷達地形數(shù)據(jù)兩種組織方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of two method for the organization of radar landmass data

網(wǎng)格方式適于雷達仿真建模，也更適用于計算機的實時處理，缺點是不適合對地形的多分辨率表示。多邊形方式可以很簡單的表示場景內(nèi)變化程度不同的地形。例如，平坦的郊外只需要少數(shù)的多邊形表示，而市區(qū)和重要的戰(zhàn)略目標(biāo)等區(qū)域則可以用大量的多邊形表示。如果采用網(wǎng)格式，為了不丟失重要信息，在設(shè)計系統(tǒng)時只能依據(jù)變化最劇烈區(qū)域的需求來分隔網(wǎng)格，而這么做會造成極大的存儲資源浪費。

數(shù)字計算機在進行雷達仿真是無法直接處理多邊形信息，因而在運行時需要調(diào)度算法將地形轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格式，這增加了調(diào)度程序的設(shè)計難度和運行負載。在設(shè)計系統(tǒng)時可以根據(jù)仿真規(guī)模和成本選擇數(shù)據(jù)存儲方式。

2.3 雷達地形多分辨率表示技術(shù)

在飛行仿真訓(xùn)練中，雷達圖像仿真的目的是能夠滿足操作員對雷達圖像可讀性的需求。雷達地形數(shù)據(jù)庫的分辨率越高，產(chǎn)生的仿真圖像表達細節(jié)的能力也就越強。盡管更高精度的地形數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生更多的圖像細節(jié)，但是也導(dǎo)致了更多運算資源的消耗和成本的上升，而且仿真雷達圖像的逼真度越高并不意味著模擬訓(xùn)練的效果越好，文獻[19]的研究證明了這一點。針對不同的仿真需求，需要采用不同分辨率的地形數(shù)據(jù)。比如，在機載雷達實波束地形測繪成像仿真中，由于雷達分辨單元在方位向和地面投影上的膨脹，近距離的地形需要較高的分辨率，遠距離的地形較低分辨率的地形數(shù)據(jù)即可滿足需求。

大規(guī)模地形模型的多分辨率顯示問題是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。在飛行仿真系統(tǒng)中，地形的顯示速度和質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的好壞，而地形的逼真度和顯示的實時性又是互為矛盾的。LOD（Level of Detail）技術(shù)是解決這一問題的有效手段[20]。

高程數(shù)據(jù)的LOD技術(shù)研究已相對成熟，但這些方法一般不適用于材質(zhì)數(shù)據(jù)的LOD處理。在高程數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)的數(shù)值大小對應(yīng)其物理屬性的強度，因而可通過各種插值方法進行LOD層次映射[21]。而材質(zhì)數(shù)據(jù)的數(shù)值表示的是地面材質(zhì)的種類，差值會導(dǎo)致數(shù)據(jù)物理含義錯誤。

本文采用了一種基于材質(zhì)最大出現(xiàn)概率的子取樣方法，該方法使用高分辨率數(shù)據(jù)區(qū)域中出現(xiàn)概率最高的材質(zhì)數(shù)值作為上級低分辨率數(shù)據(jù)的數(shù)值。

圖4給出了該方法與平均濾波法的對比，1表示材質(zhì)水，2表示材質(zhì)草地，10表示材質(zhì)沙灘，可以看到平均濾波法得到的結(jié)果物理意義是錯誤的，本文方法則保持了不同分辨率材質(zhì)數(shù)據(jù)物理意義的一致性。

圖4 材質(zhì)數(shù)據(jù)的LOD映射方法對比Fig.4 Comparison of different method for LOD mapping of material data

3 雷達圖像仿真實例

仿真采用衛(wèi)星遙感圖像與商業(yè)數(shù)字高程數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源構(gòu)建所需的雷達地形數(shù)據(jù)庫。圖5為成像區(qū)域的衛(wèi)星圖像，圖6為成像區(qū)域的高程數(shù)據(jù)的偽彩色表示圖，分辨率為15 m，圖7為成像區(qū)域的地面材質(zhì)數(shù)據(jù)圖。圖7區(qū)域內(nèi)地物包括水系、植被、巖土3類。仿真采用網(wǎng)格式方式組織雷達地形數(shù)據(jù)庫。

圖5 成像區(qū)域的遙感圖像Fig.5 Remote sensing image of the imaging area

圖6 成像區(qū)域的高程數(shù)據(jù)Fig.6 DEM of the imaging area

圖7 成像區(qū)域的地物分類Fig.7 Material of the imaging area

仿真參數(shù)設(shè)定設(shè)定如表1所示，圖8和圖9分別為雷達2種不同工作模式下的仿真圖像。在圖像中可以清晰的看到河流以及地形起伏造成的遮蔽效果。經(jīng)空勤人員評定，仿真效果可以滿足訓(xùn)練需求。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters of simulation

圖8 仿真圖像（作用距離80km，掃描范圍±60°）Fig.8 Simulated radar image（range80km,scan scope±60°）

圖9 仿真圖像（作用距離240km掃描范圍±135°）Fig.9 Simulated radar image（range 240km,scan scope±135°）

4 結(jié)束語

雷達地形數(shù)據(jù)庫是雷達圖像仿真的基礎(chǔ)，構(gòu)建合理的雷達地形數(shù)據(jù)庫對提高飛行仿真的逼真度具有重要意義。本文對雷達地形數(shù)據(jù)庫相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，分析了雷達地形數(shù)據(jù)庫在分布式飛行仿真系統(tǒng)中的組成形式和應(yīng)用特點。根據(jù)所采用數(shù)據(jù)源的不同，將雷達地形建模技術(shù)分為自動建模、人工建模和半自動建模3種方法。對數(shù)據(jù)存儲與調(diào)度技術(shù)進行了分析比較，指出在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時，可以根據(jù)仿真精度與速度的需求選擇地形分辨率和數(shù)據(jù)庫的組織和存儲方式。研究了多分辨率表示技術(shù)的必要性，指出了材質(zhì)數(shù)據(jù)對多分辨率表示的特殊需求，并給出了一種基于材質(zhì)最大出現(xiàn)概率的子取樣方法進行材質(zhì)數(shù)據(jù)的LOD映射。給出了機載雷達實波束地形測繪成像的仿真實例。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目（61102167）

徐濤（1985-），男，博士生；張立民（1966-），男，教授，博導(dǎo)，博士生。

1673-1522（2014）03-0269-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.03.015