復雜電磁環(huán)境下GIS在雷達探測分析中的應用研究

吉林省軍區(qū) 劉英敏

南方航空公司吉林分公司 劉鶴銘

吉林省武警總隊 肖 瀟

1.引言

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種利用計算機技術，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)[1]。在雷達探測分析中，地理環(huán)境一直是影響雷達性能發(fā)揮的重要因素，尤其是在電磁環(huán)境正變得日益復雜情況下，如何通過GIS、模式識別、機器學習等高新技術的集成應用，提高雷達的整體探測能力正變得日益迫切。本文結合應用GIS技術進行雷達探測輔助分析中的一些具體實踐，介紹GIS在雷達探測分析中的三種具體應用。

2.GIS在雷達探測分析中應用

2.1 GIS在地物目標識別中的應用

目標識別是利用雷達回波中的幅度、相位、頻譜和極化等目標特征信息，通過數(shù)學上的各種多維空間變換來估算目標的大小、形狀、重量和表面層的物理特性參數(shù)，最后根據(jù)大量訓練樣本所確定的鑒別函數(shù)，進行目標識別和分類的一種技術[1]。目標識別是雷達應用領域的重要研究內容之一，無論在民用還是軍事領域都具有極高的應用價值。但由于雷達目標識別要通過回波特性分析目標屬性，涉及多學科的交叉應用，尤其是多干擾源復雜電磁環(huán)境和虛假、偽裝目標的存在，使雷達目標識別問題一直是國內外研究的難點。為了正確地識別雷達圖像中的地物目標，實現(xiàn)對雷達圖像的有效判讀，研究人員一直在試圖尋找各種地物目標在雷達圖像中的顯示特征，以便利用這些顯示特征從雷達圖像中提取目標信息[3]。

目標識別過程主要分三個步驟：目標數(shù)據(jù)的獲取、特征提取和目標分類，其中特征提取和目標分類是最重要的兩項技術，直接影響目標識別的精度和準確度。隨著GIS技術的日益成熟與發(fā)展，包含詳盡地理信息的地圖數(shù)據(jù)庫普遍建立，我們可以通過將地物目標雷達圖像與地圖數(shù)據(jù)庫中相應精確地理位置的地物相互對照，從而得到這種地物在雷達圖像中的顯示特征，進而建立雷達圖像顯示特征與相應地物的匹配數(shù)據(jù)庫。匹配數(shù)據(jù)庫的建立，不但可用于修正現(xiàn)有目標識別數(shù)學模型；而且在目標自動識別方面，可快速實現(xiàn)雷達圖像特征與地物的自動匹配，為判讀人員提供強有力的輔助決策支持。在節(jié)省大量時間、精力的同時，也提高了目標識別的精度和準確度。雷達圖像匹配數(shù)據(jù)庫建立框圖如圖1所示。

圖1 雷達圖像特征與地理要素匹配數(shù)據(jù)庫的建立

2.2 GIS在雷達散射特性分析方面的應用

地球表面的地形地物是影響雷達電磁波傳播距離，電磁波散射、衰減的重要因素。地形的起伏，可以遮蔽電磁波的傳輸，造成雷達探測的“盲區(qū)”；地球表面水質含鹽量不同，地表粗糙度，土質含水量的不同在雷達電磁波的反射中具有不同的散射特性；不同的植被對電磁波的衰減也會有不同影響。在GIS的地圖數(shù)據(jù)庫中，不但包含有地形的精確高程和地理要素的精確地理坐標，同時對每一種地理要素的類別、屬性都以主碼、識別碼、描述碼、參數(shù)碼的形式加以了詳細描述。例如在1：25萬地圖數(shù)據(jù)庫中，植被圖層不但可以知道植被的稀疏、高矮，還可以精確地知道是草地還是水稻，是杏樹、梨樹還是橡膠樹；土質圖層不但詳細說明了土質是石塊地、鹽堿地還是沙地，同時標明了沙地表面形狀是平沙地、波狀沙地還是窩狀沙地。這就為我們精確研究不同植被對雷達電磁波的衰減，不同地理要素對雷達電磁波的散射影響提供了大量詳實的數(shù)據(jù)基礎。

下面我們以1：25萬地圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為基礎，談一下建立雷達散射特性分析數(shù)據(jù)模型的具體過程。

1、根據(jù)所用雷達的具體性能，確定影響雷達散射特性地理要素分類的具體范圍，并為其編碼。以一般雷達為例，影響雷達散射特性地理要素可分為海、河、巖石地、干地、樹林、鐵路、沖溝等共16類，我們?yōu)槊款惖乩硪刈远x唯一對應的雷達散射特性編碼（比如海：1100，河：1200，巖石地：2100，鐵路：5100等）。

2、根據(jù)上一步中確定的影響雷達散射特性的地理要素分類，把地圖數(shù)據(jù)庫中地理要素重新分類、歸納，并建立一一對應關系。比如在1：25萬地圖數(shù)據(jù)庫中，主碼為90、識別碼為200、201、203的地理要素分別代表標準軌復線、標準軌單線和標準軌窄線三種鐵路，我們都將其歸為影響雷達散射特性的地理要素中“鐵路”一類，雷達散射特性編碼定義為5100。應用該方法，建立雷達散射特性編碼文件如表1所示。

表1 雷達散射特性編碼文件

3、編寫程序，按雷達散射特性編碼文件確定的規(guī)則，對數(shù)據(jù)庫中所有圖幅水系、土質、植被、交通、居民地、地貌等圖層進行遍歷，生成柵格形式的雷達散射特性分析文件，文件格式如表2所示。

表2 雷達散射特性分析文件

我們可以在以上生成的雷達散射特性分析文件基礎上，根據(jù)需求建立更精細的地表要素特征分類，研究電磁波和地表粗糙面相互作用的散射信號所反映出的地表粗糙面信息的分形特征，來提取和反演地海面相關特征參數(shù)。同時根據(jù)雷達回波中由于不同地理要素衰減、散射特性不同所造成的不同雜散回波，把特定的雜散回波與特定的地表地理要素對應起來，從而有助于對目標特征進行更深入了解，更精確地完成目標的檢測和識別。在計算機中我們還可以結合雷達性能參數(shù)，以數(shù)據(jù)庫中精確的地面高程數(shù)據(jù)為基礎，模擬出特定雷達在一定區(qū)域中的傳播距離，以及由于地形起伏所造成的探測中的“盲區(qū)”。

2.3 GIS在雷達探測系統(tǒng)測試中的應用

雷達探測系統(tǒng)的研制過程是一個動態(tài)的過程，對于新研制的系統(tǒng)要在各種不同的自然環(huán)境中進行實驗，以估計研制中的系統(tǒng)適應各種環(huán)境的能力以及在各種環(huán)境中系統(tǒng)的性能參數(shù)。但由于資金和地域的限制，我們不可能在各種自然環(huán)境中實地對系統(tǒng)性能進行測試。一種較好的解決辦法是在計算機中對自然環(huán)境進行模擬，結合雷達探測系統(tǒng)性能參數(shù)建立模型，以達到對系統(tǒng)進行檢測的目的。

由于用分形理論來分析地海面的自然特征逼近現(xiàn)實，同時用分形方法研究電磁散射的理論結果和實驗有較好的一致性[4]，所以我們以GIS中大量的地理空間數(shù)據(jù)為基礎結合大氣空間數(shù)據(jù)建立綜合環(huán)境數(shù)據(jù)庫。在GIS中應用綜合環(huán)境數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)用分形理論來建立特定時間、特定地域的自然特征模型，輸入雷達性能參數(shù)，來檢驗雷達探測系統(tǒng)在各種自然環(huán)境中適應能力及性能指標。從而既達到了檢測雷達探測系統(tǒng)的目的，又節(jié)約了大量的人力、物力。

3.結語

復雜電磁環(huán)境以其獨特的形式和作用機理給雷達探測分析帶來了不容置疑的影響與變革。采用多種新技術的“集成”應用，減弱復雜電磁環(huán)境對探測準確性和精度的影響，提高裝備的穩(wěn)定性與工作效能，是提高雷達探測能力的一種有效途徑。隨著GIS技術的不斷發(fā)展，其在雷達探測領域必將發(fā)揮更大的作用。

[1]張新生,張英海,毛謙等.百度百科.科普中國.科學百科,2018(03).

[2]劉本永.一種利用相位信息的雷達目標成像識別方法[J].電子科學期刊,2016(2):274-278.

[3]張守融.細長導體目標的雷達圖像特征[J].電子科學期刊,2010(04):613-617.

[4]康士峰.拋物型波方程方法研究復雜環(huán)境對雷達和通信傳播的影響[J].電子學報,2010(06):68-70.