毫米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測仿真研究

毫米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測仿真研究
摘要：毫米波輻射計(jì)是一種典型的無源微波探測系統(tǒng)，在遙感和制導(dǎo)中獲得了廣泛的應(yīng)用。利用 仿真軟件對(duì)目標(biāo)進(jìn)行先期模擬檢測是一種有效和經(jīng)濟(jì)的方法，本文著重介紹了毫米波輻射計(jì)目標(biāo)檢 測仿真軟件的建模思想和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)毫米波輻射計(jì)的工作程序和運(yùn)行環(huán)境，提出了目標(biāo)檢 測仿真軟件的設(shè)計(jì)方案并開發(fā)出相應(yīng)的仿真軟件。該仿真軟件準(zhǔn)確模擬了輻射計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)、結(jié)構(gòu) 參數(shù)和工作環(huán)境，輸出結(jié)果有利于硬件系統(tǒng)改進(jìn)和優(yōu)化。

1引言 為解決下視條件下毫米波輻射計(jì)對(duì)地面目標(biāo)探測和識(shí) 別問題，在系統(tǒng)硬件研制之前，有必要對(duì)預(yù)定型號(hào)的毫米波 輻射計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)和分析系統(tǒng)參數(shù)的合理 性和協(xié)調(diào)性，以尋求最佳的硬件設(shè)計(jì)方案；有必要先期開展 目標(biāo)檢測和識(shí)別技術(shù)的研究，對(duì)不同的目標(biāo)和識(shí)別方法進(jìn)行 比較，并把有關(guān)的結(jié)果反饋到硬件設(shè)計(jì)中：通過這個(gè)過程可 測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱|以發(fā)現(xiàn)輻射計(jì)硬件和成像系統(tǒng)的錯(cuò)誤或不合理的地方，從而 達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。我們利用VisualC++開發(fā)出了毫 米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測仿真系統(tǒng)，雖然沒有全部模擬輻射計(jì) 硬件、技術(shù)參數(shù)，但對(duì)輻射計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)化還是有很大的幫 助。毫米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測仿真系統(tǒng)涉及到以下四方面的基 礎(chǔ)研究內(nèi)容：其一是典型面目標(biāo)毫米波輻射特性的研究和測 量，建立輻射特性數(shù)據(jù)庫；其二是建立目標(biāo)檢測數(shù)學(xué)模型； 其三是根據(jù)光學(xué)照片生成模擬微波圖像并轉(zhuǎn)化為偽彩色亮 溫圖-J J；其四是根據(jù)輻射特性數(shù)據(jù)庫建立模擬環(huán)境，按照目 標(biāo)檢測數(shù)學(xué)模型和預(yù)定的毫米波被動(dòng)輻射計(jì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行 動(dòng)態(tài)仿真，輸出連續(xù)的溫度曲線。其中，目標(biāo)輻射特性數(shù)據(jù) 庫和目標(biāo)檢測理論模型是開發(fā)仿真軟件的基本依據(jù)。

1．1面目標(biāo)輻射特性 面目標(biāo)輻射特性的實(shí)驗(yàn)測量和以輻射特性為基礎(chǔ)進(jìn)行 目標(biāo)檢測仿真是一對(duì)互逆過程。 面目標(biāo)是指尺寸遠(yuǎn)大于測量波長的平面目標(biāo)，如草地、 水面、水泥跑道、大型建筑等。根據(jù)微波輻射特性的不同可 以區(qū)分不同的目標(biāo)，這是無源微波遙感、制導(dǎo)的基本依據(jù)。 面目標(biāo)的微波輻射特性用其亮度溫度(簡稱亮溫)表征，典 型面目標(biāo)在不同條件下的亮度溫度數(shù)據(jù)庫是建立仿真模擬 環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是研制動(dòng)態(tài)仿真軟件的出發(fā)點(diǎn)。用實(shí)驗(yàn)方 法研究目標(biāo)的亮度溫度，就是對(duì)各種目標(biāo)進(jìn)行大量測試，經(jīng) 過統(tǒng)計(jì)分析，從中找出其特征和規(guī)律。圖l是微波輻射特性 測試示意圖。其中，三 ( ， )是被測地物到天線的傳輸路 徑上的大氣損耗因子； ( ， ，P)為地物在(0， )方向 上P極化亮度溫度； ( ， ，p)為地物在(0， )方向 上P極化散射溫度； r (0，H)是天線收到的大氣向上輻 射的視在溫度。 輻射計(jì)距離地面的高度為 ，采用水平分層大氣模型， 在( ， )方向上輻射計(jì)觀測到的視在溫度為： 1 = Ts ) (1) + ∞( ， ，p)】+ ，尸( ， ) 由于采用的是水平分層的大氣模型，大氣向上輻射的視 在溫度與方向 無關(guān)。天線與被測目標(biāo)之間的距離較小， 大氣向上輻射的視在溫度與大氣對(duì)輻射的衰減作用均可忽 略。因而(1)式可簡化為： ( ， ，H，P)：T ( ， ，P)+ ∞( ， ，P) (2) 其中，Tsc(0， ，P)=r(o， ，P)ToN( ， ，P)；r(o， ，P)： 目標(biāo)的反射系數(shù)； 。Ⅳ( ， ，P)為大氣向下輻射的視在溫 度。處在 ( ， )分布中的無耗天線的天線溫度為： T = 『J4 ( ， )F^，( ， )an (3) F N t8， )an 其中，F(xiàn)N(O， )為歸一化天線方向圖。對(duì)有耗天線來 說，若輻射效率為 l，物理溫度為 ，則其天線溫度為： =r／1T +(1一r／1)T0 (4) 輻射計(jì)定標(biāo)后輸出為： Voul= aT + b (5) 目標(biāo)亮溫的測量方法是用輻射計(jì)測量出輻射計(jì)的輸出 ， 根據(jù)(5)和(4)，得到 ，對(duì)積分方程(3)反演 得 P，再由(2)得到目標(biāo)的亮溫 。 1．2目標(biāo)檢測的數(shù)學(xué)模型 毫米波輻射計(jì)天線檢測地面目標(biāo)的仿真過程是上述輻 射特性測量的逆過程：即在已知輻射特性的條件下，根據(jù)輻 射計(jì)的技術(shù)參數(shù)對(duì)地面目標(biāo)的檢測過程。下面以差分輻射計(jì) 說明檢測的數(shù)學(xué)模型。若地面亮溫為： ( ，) 『』 ( ， )G( ， ) 4 (6) 蘭 1『』 ( ， )G( ， ) 對(duì)于差分輻射計(jì)，若光斑內(nèi)全為背景，則天線輸出的溫 度對(duì)比度△ ( ，)為0。若有一種目標(biāo)，則輸出為： △T ( F)=T 1( F)一T 2( F) G )dQ (7) 一 Ts 2 )G ( 蘭 ‘．7r IT占1( F)一T占2( F)】IJ G( ， )dQ 實(shí)際仿真時(shí)地面亮溫圖是柵格圖像，因此(7)式的積 分變?yōu)閷?duì)光斑內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)求和：當(dāng)?shù)匚稂c(diǎn)類型為背景 時(shí)，不必參與求和計(jì)算，當(dāng)?shù)匚稂c(diǎn)為某種目標(biāo)時(shí)，則按積分 式參與累計(jì)，累計(jì)的結(jié)果即為輻射計(jì)輸出的亮溫差分值。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1軟件設(shè)計(jì)思想 在多年的研究工作中，我們研制出一系列如8mm 狄克 輻射計(jì)、8mm周期定標(biāo)全功率輻射計(jì)、3mm 中頻比較輻射 計(jì)以及相應(yīng)的輻射計(jì)成像軟件。在仿真軟件中我們采用中心 頻率為35．7GHz的8mm微波輻射計(jì)和相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)。我 們采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)的主要思想 如下：
(1) 模擬輻射計(jì)自身的一些技術(shù)參數(shù)。如輻射計(jì)型 式、天線形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、采樣特性、采樣間隔、靈敏度、 積分時(shí)間和分辨率等一些必要的參數(shù)。
(2) 模擬目標(biāo)檢測過程中的技術(shù)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。如 天線測量形狀、高度、角度，步長，運(yùn)行時(shí)間，氣候等。
(3) 生成微波亮溫圖[4Jo根據(jù)輸入的圖片的特性進(jìn)行 圖像處理，標(biāo)記不同目標(biāo)類別，生成偽彩色微波亮溫圖。
(4) 輸出結(jié)果。能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加噪處理和數(shù)值處理， 提取被檢測目標(biāo)。
(5) 實(shí)時(shí)控制和全景顯示。利用VC強(qiáng)大的功能，提 供更好的視覺效果和人機(jī)交互能力。
(6) 數(shù)據(jù)接口。VC程序中必須考慮和數(shù)據(jù)庫程序的 接口以便從面目標(biāo)微波輻射特性數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)[5J口
2．2軟件流程 在系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)方案中，需要包括以下幾個(gè)重要的組成 模塊：地物目標(biāo)圖的管理，輻射特性數(shù)據(jù)庫接口，仿真過程 的實(shí)時(shí)控制，輸出信號(hào)的噪聲處理和數(shù)．模轉(zhuǎn)換等，如圖2 所示。 2-3偽彩色處理 仿真軟件的兩項(xiàng)基本任務(wù)就是追求良好的視覺效果和 比較精確的檢測結(jié)果。在軟件系統(tǒng)中，可以利用統(tǒng)計(jì)的方法， 統(tǒng)計(jì)出生成的模擬微波圖像的灰度直方圖。通過圖像處理如 彩色圖像，然后進(jìn)行掃描處理_6]。前臺(tái)進(jìn)行圖像處理和輸出 處理，把讀入的像素變暗(為顯示軌跡)后按原來的顏色顯 示出來；后臺(tái)則進(jìn)行掃描圖像數(shù)據(jù)處理。顯示方案中還要求 立體顯示功能，以便能全方位、多視角地展示輻射計(jì)的工作 過程。 此外，利用人工的方法，可以把偽彩色圖像變?yōu)椤罢娌?色”圖像。這里的真彩色是指給目標(biāo)涂相同或相近的顏色。 偽彩色圖像向真彩色圖像的轉(zhuǎn)化是毫米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測 仿真系統(tǒng)的一項(xiàng)重要工作。因?yàn)榫唧w事物存在著顏色重巹現(xiàn) 象，所以利用顏色來區(qū)分目標(biāo)有很大的局限性。從實(shí)際情況 考慮，我們規(guī)定了8種常見地物目標(biāo)的偽彩顏色選取方案。

3 輸出結(jié)果和討論 微波輻射計(jì)探測地物是動(dòng)態(tài)仿真過程，也就是模擬光 斑在地面上的圓周掃描過程，任一時(shí)刻都按照目標(biāo)檢測數(shù)學(xué) 模型和當(dāng)前環(huán)境條件計(jì)算微波輻射計(jì)亮溫輸出，因此系統(tǒng)輸 出是連續(xù)變化的溫度曲線。用戶通過指定各種運(yùn)行條件(如 不同的采樣間隔見圖3(a)、圖3(b))，可以得到相應(yīng)的掃描 數(shù)據(jù)和亮度漸漸變淡的軌跡輸出。掃描的過程可以分為單步 執(zhí)行和連續(xù)執(zhí)行見圖3(c)和圖3(d)(采樣間隔0．0025s)，單 步執(zhí)行可以清楚的看到分步探測地物目標(biāo)的詳細(xì)過程，連續(xù) 執(zhí)行的實(shí)質(zhì)是連續(xù)的單步執(zhí)行，按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間自 動(dòng)完成對(duì)地物目標(biāo)的檢測。如表1所示，數(shù)據(jù)格式包含了一 些技術(shù)參數(shù)信息，其中運(yùn)行時(shí)間為2秒鐘，采樣間隔為 0．0025，輻射計(jì)內(nèi)向螺旋掃描1440~(4周)，可以看到在不 同目標(biāo)交界的數(shù)據(jù)達(dá)到峰值，如圖4所示。 在程序運(yùn)行過程中，可以實(shí)時(shí)顯示輸出數(shù)據(jù)，反映掃描地物 之間變化情況。在屏幕空間有限的條件下，通過改變輸出數(shù) 據(jù)的顏色變化來更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)掃描結(jié)束后(運(yùn)行到規(guī)定 的掃描時(shí)間停止或中途暫停后)， 可以選擇“數(shù)據(jù)保存”菜 單來保存當(dāng)前的掃描結(jié)果。在“數(shù)據(jù)管理”菜單中可以利用 濾波平滑，線性插值等對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使的間隔較大 的數(shù)據(jù)更加平滑。通過數(shù) 摸轉(zhuǎn)化模塊，可以在示波器上看 到輸出的波形。采集的數(shù)據(jù)可用來判定和恢復(fù)原來圖像的輪 廓。圖4是截取的軟件仿真系統(tǒng)全景的局部畫面，給出了掃 描目標(biāo)時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。
圖3(c)單步執(zhí)行 圖3(d)連續(xù)執(zhí)行 表1輸出數(shù)據(jù)格式 (運(yùn)行時(shí)間) O．002500(采樣間隔) 111．O00000(~b環(huán)半徑1 (放大系數(shù))1000．000000(高度) 85．774787(內(nèi)環(huán)半徑) 亮潼曲線輸出 I．i _。 ． Allgk ： ： ： ㈤ 0～0 】0 0～ h-。：：} 山ll“ lI“。。iIl， 圖4掃描軌跡與數(shù)據(jù)輸出 在程序運(yùn)行過程中，可以實(shí)時(shí)顯示輸出數(shù)據(jù)，反映掃描 地物之間變化情況。在屏幕空間有限的條件下，通過改變輸 出數(shù)據(jù)的顏色變化來更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)掃描結(jié)束后(運(yùn)行到 規(guī)定的掃描時(shí)間停止或中途暫停后)，可以選擇“數(shù)據(jù)保存” 菜單來保存當(dāng)前的掃描結(jié)果。在“數(shù)據(jù)管理”菜單中可以利 用濾波平滑，線性插值等對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使的間隔較 大的數(shù)據(jù)更加平滑。通過數(shù)一摸轉(zhuǎn)化模塊，可以在示波器上 看到輸出的波形。采集的數(shù)據(jù)可用來判定和恢復(fù)原來圖像的 輪廓。圖4是截取的軟件仿真系統(tǒng)全景的局部畫面，給出了 掃描目標(biāo)時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。 輻射計(jì)運(yùn)行四周，輸出的數(shù)據(jù)變化和對(duì)比度曲線清楚地 顯示了地面目標(biāo)四次“周期性”峰值，這表示三波束天線完 成了對(duì)被檢目標(biāo)的掃描。通過參數(shù)調(diào)整可以靈活設(shè)定采樣問 隔和光斑直徑，這和輻射計(jì)空間分辨率密切相關(guān)。先驗(yàn)數(shù)據(jù) 將對(duì)硬件的改進(jìn)提供一定的幫助。為了得到“更多目標(biāo)”理 想的仿真結(jié)果，必須提高輻射計(jì)的自身分辨率進(jìn)行數(shù)據(jù)測量 采集，必須合理設(shè)定仿真中的采樣間隔和空間分辨率，必須 對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列噪聲、濾波、插值等處理以提高仿真 輸出的準(zhǔn)確性；必須對(duì)連接的面目標(biāo)輻射特性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò) 充和更新以提取更多的目標(biāo)數(shù)據(jù)；必須在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)仿 真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

4 結(jié)論 毫米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測仿真系統(tǒng)是一個(gè)典型的先期驗(yàn) 證系統(tǒng)。在系統(tǒng)硬件研制之前，可以通過調(diào)整技術(shù)參數(shù)和模 仿真，從而可以驗(yàn)證和優(yōu)化它在目標(biāo)探測與識(shí)別方面的有效 性和準(zhǔn)確性。這就為開展進(jìn)一步的科學(xué)研究提供了豐富資料 和技術(shù)支持。目前，仿真軟件仍然需要做進(jìn)一步的改進(jìn)和完 善，如面目標(biāo)擴(kuò)充，顏色交疊處理， “真彩色”處理，實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)讀寫處理等。作為仿真系統(tǒng)，它不僅需要在形式上能模 擬輻射計(jì)的工作過程，而且要能根據(jù)輸出結(jié)果，給輻射計(jì)硬 件設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)提供更多的技術(shù)支持；作為交互系統(tǒng)，毫 米波輻射計(jì)目標(biāo)檢測仿真系統(tǒng)需要在人機(jī)交互方面提供更 優(yōu)良的視覺效果和實(shí)時(shí)控制功能。