（信息与通信工程专业论文）复杂目标sar图像仿真及其应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 s a r 作为一种利用微波成像的遥测手段，具有全天时、全天候的突出特性， 在军事、民用方面有着广泛的应用前景。开展s a r 图像目标识别等方面研究，需 要收集大量的不同成像条件下不同姿态的目标s a r 图像。然而由于客观条件的限 制难以获取所需要的图像集。因此，产生特定成像条件和参数设置下的s a r 图像 的仿真就变得尤为重要。 这篇论文研究了s a r 图像仿真的理论及其实现，包括以下几个主要部分：复 杂目标三维建模、雷达散射截面计算，目标s a r 仿真图像的产生、实验的仿真系 统的建立和仿真图像用于识别的方法等。 论文首先以s a r 图像仿真为应用背景，介绍了复杂目标三维建模理论和方法， 并提出了一种快速实用的建模方法。 论文其次重点介绍了雷达散射截面理论和高频预估理论，并基于以上理论提出 了运用物理光学法和增量长度绕射系数法结合的改进图形电磁算法计算三维目标 雷达散射截面的方法。 论文以雷达散射截面结果为基础，对s a r 仿真成像进行了研究。论文重点论 述了s a r 的成像原理、成像模式以及成像算法，并针对不同的成像模式提出了与 之相对应的仿真方法。 论文集成相关的算法建立了s a r 图像仿真系统，它通过设置多种参数，可以 产生不同条件下的仿真图像。仿真系统界面友好，可操作性强。 论文最后研究了利用仿真图像进行目标识别。在介绍了目标识别基础理论后， 提出了s a r 图像目标检测和图像配准的集成方法。所提方法可以实现s a r 图像目 标识别，比非集成方法有较好的性能。 主题词：三维建模：雷达散射截面；图形电磁计算；s a r 仿真；目标识别 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t a sam i c r o w a v er e m o t es e n s i n gm e a n s ，s y t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) h a s e m i n e mc h a r a c t e r i s t i co fa l l s u n l i g h ta n da l l - w e a t h e r , w h i c hh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nt h e f i e l d so fm i l i t a r ya n dc i v i l i a n r e s e a r c ho ns a ri m a g et a r g e tr e c o g n i z a t i o nn e e d st o c o l l e c tl o t so f t a r g e ts a ri m a g e sw i t hd i f f e r e n tp o s ei nd i f f e r e n ti m a g i n gc o n d i t i o n i ti s d i f f i c u l tt og e tt h ei m a g es e tr e q u i r e dd u et ol i m i t a t i o no fo b j e c t i v ec o n d i t i o n t h e n s i m u l a t i o no fg e n e r a t i n gs a ri m a g ei i lt h eg i v e ni m a g i n gc o n d i t i o na n dp a r a m e t e r s e t t i n gi sv e r yi m p o r t a n t t h et h e s i ss t u d i e st h et h o r yo fs a r i m a g es i m u l a t i o na n di t sr e a l i z a t i o n i tc o n s i s t s o fg e o m e t r ym o d e l i n go fc o m p l e xt a r g e t s ，r c sc o m p u t a t i o n , g e n e r a t i o no fs a r s i m u l a t i o ni m a g e ，d e v e l o p m e n to fa l le x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o ns y s t e ma n dm e t h o do f t a r g e tr e e o g n i z a t i o nm a k i n g u s eo fs i m u l a t i o ni m a g e t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h et h e o r ya n dm e t h o do fc o m p l e xt a r g e t3 dm o d e l i n g f o rt h ea p p l i c a t i o no fs a ri m a g es i m u l a t i o n ，a n dp r e s e n t saf a s ta p p l i e dm o d e l i n g m e t h o d t h et h e s i ss e c o n d l ym o s t l ys t a t e st h et h e o r yo fr c sa n dt h eh i g hf r e q u e n c yp r e d i c t m e t h o d b a s e do ni t , a ni m p r o v e dm e t h o do fc o m p u t i n gr c s ，i e g r a p h i c e l e c t r o m a g n e t i cc o m p u t i n ga l g o r i t h m ，i sp r e s e n t e d ，w h i c hi si n t e g r a t e d 谢mp h y s i c a l o p t i c s ( p o ) m e t h o da n di n c r e m e n t a ll e n g t hd i f f r a c t i o ne o e 伍c i e n t s ( i l d c ) m e t h o d s a rs i m u l a t i o ni m a g i n gi ss t u d i e db a s e do nt h er e s u l to fr c si nt h i st h e s i s s a r i m a g i n gt h e o r y ，i m a g i n gm o d ea n di m a g i n ga l g o r i t h ma r ee m p h a s i z e d ，a n dt h r e e s i m u l a t i o nm e t h o d sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n ti m a g i n gm o d ea r ed e v e l o p e d as a r i m a g es i m u l a t i o ns y s t e mi ss e tu p 、析t 1 1i n t e g r a t i o no fr e l a t i v ea l g o r i t h m s i t c a ng e ts i m u l a t i o ni m a g e si nd i f f e r e n tc o n d i t i o nb ys e t t i n gm a n yt y p e so fp a r a m e t e r s ， a n dh a saf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dag o o d m a n e u v e r a b i l i t y t h et h e s i sf m a u yd o e ss o m ew o r ko nt a r g e tr c c o g n i z a t i o nw i t hs i m u l a t i o ni m a g e s a ni n t e g r a t e da p p r o a c hw i t ht a r g e td e t e c t i o na n di m a g er e g i s t r a t i o ni sa d d r e s s e da f t e r t h eb a s i ct h e o r yo ft a r g e tr e c o g n i z a t i o ni si n t r o d u c e d t h i sa p p r o a c hc a nr e a l i z et a r g e t r e c o g n i z a t i o na n dh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nn o n i n t e g r a t e da p p r o a c h e s k e yw o r d s ：3 dm o d e l i n g ，r c s ，g r e c o ，s a rs i m u l a t i o n ，t a r g e t r e c o g n i z a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 主体思路5 图2 1 基本建模方法8 图2 2 通常建模流程图10 图2 3 快速建模流程图1 0 图3 1 金属球雷达散射截面的三种散射方式1 4 图3 2 入射波与棱边几何关系：2 0 图3 3g r e c o 处理流程2 1 图3 4 仿真中坐标系与视景体2 2 图3 5 舰船目标模型2 5 图3 6 舰船目标的随入射角变化的r c sh h v v 极化值2 6 图4 1u p c h i p 信号的波形与频谱2 9 图4 2 匹配滤波后l f m 信号的波形2 9 图4 3 正侧视情况下雷达与目标距离变化3 0 图4 4 斜侧视条件下雷达与目标距离变化3 2 图4 5 常规r - d 成像算法流程与校正线性距离走动r - d 成像算法流程3 4 图4 6 距离走动与距离弯曲校正的r - d 算法流程3 4 图4 7s p o t l i g h t 雷达与目标距离变化以及波数域采样示意图3 5 图4 8i s a r 转台模型3 6 图4 , 9s a r 成像频率一方位角域数据范围示意图3 9 图4 10s a r 成像流程图3 9 图4 1 1 某型飞机三维模型图4 1 图4 1 2 某型飞机仿真图4 l 图4 1 3 某型舰船三维模型图4 1 图4 1 4 某型舰船仿真图4 2 图5 1 系统基本流程4 3 图5 2 系统界面图j 4 4 图5 3 雷达散射强度4 5 图5 4 不同极化方式不同方位角仿真图。4 5 图5 5 不同舰船仿真图4 6 图5 6 不同飞机仿真图4 6 图6 1 一个典型的s a r 自动目标识别系统的结构示意图4 8 图6 2 基本配准算法_ _ 5 6 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图6 3 实验图像5 6 图6 4c f a r 检测5 7 图6 5 形态学滤波5 7 图6 6 形态学膨胀5 7 图6 7 飞机模型图与s a r 仿真图5 8 图6 8 目标识别5 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 目标雷达散射截面计算公式( 光学区) 15 表3 2 球体变化半径像素的计算结果2 5 表3 3 球体在不同频率下计算结果2 5 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢曲地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学雠文储摊：刻绰吼岬年f 月伽 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 是一种通过宽带信号匹配滤波及回波 信号相干累计而获得目标高分辨率像的成像雷达，作为高分辨率和全天候的空间 探测工具，它受天气等因素的影响较小，使其在民用和军事领域都发挥巨大的作 用，由于合成孔径雷达的优点，它在国土测量、植被分析、海洋观测、资源勘探、 地形测绘，以及军事等领域，发挥了越来越大的作用。国际上的星载s a r 卫星有 如：俄罗斯的a l m a z 、欧空局的e n v i s t 、加拿大的r a d a r s a t 系列等，在机载s a r 等方面也成果显著。我国s a r 的研究虽然起步较晚，但是近年来的发展很迅速， 在星载、机载等方面均有很大提高。 合成孔径雷达通常工作在b ，x 波段，波长在米至厘米级。由于雷达波长远大 于可见光波长，且采用不同的成像原理，使得s a r 图像与光学图像的视觉效果有 很大的区别，由于s a r 图像呈现在距离与方位平面上，目标的形状与人们习惯的 透视观察有很大的区别。s a r 信号的强弱是由雷达波束照射地带所有目标散射的 合成场强决定的，决定目标后向散射场强大小的因素很多，既有目标结构、材料 等内在原因，也有雷达工作方式、观测角度以及环境干扰等外在原因，这给s a r 图像判读带来了困难。为了有效判读s a r 图像，需要收集反映出目标在各种观测 条件下特性的s a r 图像或s a r 原始信号样本。真实测量的样本采集方式受到试验 条件及经费的限制，利用计算机仿真的方式可以获得具有一定相似度的目标原始 信号及图像样本，对s a r 目标识别的研究有着重要的价值。 借助雷达散射统计理论及高频电磁场数值计算方法，可以有效模拟特定场景 中目标的反射信号，进而预测成像后目标表现出的特征。利用计算机仿真进行s a r 目标特性的预测比真实场景测量廉价，比缩比模型测试便利，正日益成为s a r 目 标特性研究至为重要的方法。三维建模方法、电磁场数值计算方法、雷达目标反 射特性的预测方法和雷达成像算法为仿真研究奠定了坚实的方法和理论基础，日 益丰富的s a r 观测数据为仿真提供了研究素材，而军事与民用中的广阔前景为仿 真研究提供了广阔的舞台。 1 1 合成孔径雷达的发展历史和国内近况 2 0 世纪5 0 年代开始，美国首先在机载合成孔径雷达方面进行研究，从此合成 孔径雷达经历了多年的发展，技术不断完善成熟，使用领域不断拓宽，不但形成 了一系列的机载合成孔径雷达，而且自从1 9 7 8 年8 月美国发射了第一颗星载s a r 卫星s e a s a t 后，入轨1 0 天后星载s a r 系统首次启用，这标志着s a r 己成功地进 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 入太空对地观测新时代，、也标志着星载s a r 由实验研究向应用研究的重大转变。 使得空间遥感技术出现了巨大的进步，空间探测领域向前跨出了一大步。在技术 上由于目前红外遥感领域卫星的精度目前还停留在1 0 m ，而最好的高分辨率的星载 合成孔径雷达的分辨率己经达到0 3 m ，因此能与光学合成孔径雷达匹配使用的还 是合成孔径雷达，所以世界各发达国家竞相加入这一行列。 从合成孔径雷达发展的历史来看，继美国最早发射s e a s a t 之后，美国又于1 9 8 1 年和1 9 8 4 年利用哥伦比亚号和挑战者号航天飞机发射了s i r - a 和s i r - b 。这一期 间有不少大的发现，从s e a s a t 的雷达图像中发现能够观察到英吉利海峡底部沙滩， 到s i r - a 发现撒哈拉沙漠的地下古河道，这一系列的发现引起了国际科学界的轰 动，也使s a r 雷达的重要性得到了众多国家的认识。与此同时前苏联也于1 9 8 3 年发射了其第一颗s a r 遥感卫星p o l y n s ，其后又分别在1 9 8 4 年、1 9 8 7 年、1 9 9 0 年发射了v e n u s 16 ，a l m a z - - i ，a l m a z 一1 1 。进入上个世纪9 0 年代之后，s a r 卫星迅猛发展，欧空局联合1 2 个欧洲国家先后发射了欧洲的地球资源卫星( e r s ) 系列和e n v i s a t 系列，加拿大也发射了它的r a d a r s a t 系列以及日本也有了它的j e r s 合成孔径雷达卫星。目前s a r 的发展趋势就是提供一种全天候、全天时对地观测 手段，s a r 必将朝高分辨率、多波段、多极化和多工作模式等方向迅速发展，所 以最新的r a d a r s a t 和s i r 系列都采用可变入射角的设计，而s i r 更采用了多波段 和多极化模式，这些都代表了s a r 卫星的发展道路。7 合成孔径成像雷达的研究，在我国起步于7 0 年代中期。中科院电子所，1 4 所， 3 8 所为合成孔径雷达的研究发展作了大量的贡献。现如今在机载雷达方面：实现 了从单一波段到l ，s ，x ，k u 波段的系列发展；从单极化到多极化；分辨率从最 初的几十米发展到国际先进水平，目前仍在开展更高分辨率的研究；从单一条带 模式发展到条带、聚束、扫描等模式；已完成几代实时成像处理器的研制和实际 应用，完全具备处理高分辨率的能力。在星载合成孔径雷达研究方面，目前已成 功发射了雷达卫星，并取得了大量的有效数据，同时还开展了星载实时成像处理 器和小雷达卫星星座的研究。 1 2 合成孔径雷达的特点和优势 合成孔径雷达在灾害监测、环境监测、海洋观测、资源勘察、农作物调查估 产、森林调查、测绘和军事等方面具有独特的应用效果。在某些情况下，能起到 其它对地观测卫星起不到的作用。各用户迫切地希望进一步发展和提高s a r 的技 术水平，以拓宽其应用领域。各用户要求s a r 卫星具有高分辨率、多极化、多波 段、多工作模式、重复观测周期短( 亦称高时间分辨率) 等性能，为此近十年来，各 国投入大量资金，使s a r 卫星技术得到迅速发展。空间对地观测正在向雷达与光 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 学相结合的方向发展。 1 2 1 高分辨率 高分辨率是合成孔径雷达能够受到不同国家所关注的重要原因，也是许多国 家提出的“数字地球 这一新兴概念的重要支持，高分辨率使得s a r 在军民领域 发挥了重要作用，特别是在军用领域，高分辨率的s a r 使得不必像以往那样靠有 人驾驶飞行器到危险地区执行侦察工作，而根据美国军方提出的要求，识别巡洋 舰、驱逐舰等舰船的类型只需要l n l 图像分辨率，达到0 3 m 图像分辨率更能对坦 克、战车等目标识别8 0 。我国虽然与美国等发达国家的相对差距在减小，但是 由于发展比较晚，因此在s a r 雷达研制领域还是有相当的差距的，因此在合成孔 径雷达研制以及合成孔径雷达成像仿真这一相关领域的工作是非常重要的。 1 2 2 多极化 目前s a r 的发展方向之一就是多极化，星载s a r 的极化是指发射和接收电磁 波时电场强度的取向，而根据电磁波散射理论，任何一种电磁波都可以分解成水 平极化和垂直极化，当入射波分别为水平极化和垂直极化时，可能接收到的波分 为唧，h v ，v h ，w 四种线极化方式，而不同的极化方式对不同的目标都会有 不同的反应，这丰富了卫星遥感的数据，我们能从中得到更多的信息，利用不同 的极化方式，可以提高目标的发现和识别概率。在实际的卫星设计中要实现四种 线极化的信号的方式也有三种不同的方式：1 ) 交替发射与交替接收工作方式；2 ) 交替发射与同时接收工作方式；3 ) 同时发射同时接收工作方式。由于技术以及经 济等原因，目前广泛采用的是第二种方式。 1 2 3 多工作模式 多工作模式是s a r 卫星在全天候、全天时对地观测以外的另一个重要特点。 它的基本工作模式是正侧视条带式观察模式，以条带式为基础目前广泛被采用的 还有三种状态：聚束式( s p o t s a r ) 、干涉式( i n s a r ) 、宽观测带式( s c a n s a r ) 等工作 模式。特别是前两种是继条带式之后在s a r 图像仿真方面新的热门领域，s c a a s a r 的工作原理和条带式比较接近。合成孔径雷达卫星的各种工作模式全面提高了其 观测性能，它可以集普查、详查的功能于一身，可以获得三维图像，可以检测动 目标。但人们并不满足于这些工作模式的实现，正在进一步探索各种新的s a r 卫 星的工作模式，如分布式s a r 卫星等。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 4 多波段 星载s a r 图像主要反映了目标物的两类特性：一是目标物的几何结构特性， 即目标的表面粗糙度、几何结构等特性；二是目标物的介电特性( 与目标物的含水 量有较大的相关性) 。当星载s a r 采用不同的工作波段时，同一目标物在雷达图像 上反映的特征是不相同的。因此在c 、l 、x 、p 、k u 各波段领域也各有探测的分 工，例如：p 和l 波段穿透地表的能力明显优于其它波段，所以经常被用在洪水监 测，水资源的探测和地质结构勘察方面，而c 波段和l 波段对海洋观测来说各有 特点，c 波段对海冰、海洋等海况观测较有利，l 波段对内波的探测较明显。而c 波段用于观测农作物的分类识别和估产方面上又明显高于其他波段。k u 波段s a r 可对地物、地貌清晰成像，在l m 分辨率的情况下，其成像效果类似可见光成像。 因此通过探测的需要选择不同的波段得到的结果也是不尽相同的，特别是有些情 况需要多个波段和多种极化雷达图像的融合处理才能得到重要的应用效果。 1 3 国内外s a i l 仿真成像的研究 s a r 仿真成像研究在国内外起步较晚，但是由于其在合成孔径雷达技术发展 中不可替代的作用，正受到越来越多的关注。为了预测s a r 图像的目标特性，针 对特定背景的专项研究开始涌现，早期受成像分辨率限制，研究多针对冰川海洋 等分布式场景，仿真多采用统计模型，实施过程中经常伴随有实测方法。此时典 型的成就是利用d e m 高程数据模拟s a r 图像随地貌起伏的特征 3 1 ，3 2 ，以及利 用海洋信息仿真海面随海底地形及风场变换的特征【3 4 】。随着s a r 精度的提高以 及计算机性能的提升，针对建筑、船舶等大型目标的仿真不断增多，对此类目标 特征仿真主要有两类方法，一类仿真方法是严格依照s a r 成像模型，计算目标在 各方位各波段的回波强度，推导出s a r 的原始数据，而后利用成像算法计算出仿 真图像 4 0 ，4 1 ，4 2 ，精确模型计算耗时很长。另一类方法是从s a r 图像特征出发， 精简成像模型，用尽量简化的步骤获得仿真结果 4 3 ，4 4 。由于高频电磁学的发展， 以及第一类仿真方法耗时长，步骤繁的缺点，s a r 仿真研究越来越倾向于第二类 方法，仿真方法越来越依赖于高频电磁散射场的计算。计算方法的选择也格外重 要，在r i u s 于1 9 9 3 年提出的图形电磁计算( g r e c o ) 方法以前，普通计算机平台无 法对复杂目标的散射场进行快速求解，在此之后，结合图形芯片的计算能力极大 提升了计算速率。高频散射场计算与计算机图形学有着本质的联系，散射场的空 间特征以及光线的电磁波本质使得图形学的成果可以应用到散射场及仿真成像的 计算中。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 4 本文的主要内容和主要工作 本文的主要内容为复杂目标s a r 图像仿真及其应用，复杂目标即指构造较为 复杂，组成部件较多的目标，本文多指舰船、飞机等复杂的军事目标。如图1 1 所 示为本文主体思路，首先运用三维建模理论建立仿真系统所需的三维模型，然后 读入三维模型计算雷达散射截面、根据雷达散射截面结果仿真s a r 图像，此二者 构成了一个s a r 图像仿真系统，本文还将此仿真系统运用到s a l l 图像目标识别中。 图1 1 主体思路 第二章介绍了建模的基础理论知识和软件应用技术，着重介绍建模的一些技 巧，本文还提出了一种快速的建模方法并结合实例作示范。 第三章介绍了雷达散射截面理论、高频电磁场渐进理论和各种电磁计算方法， 并分析了各种方法的优缺点和应用范围，着重介绍了本文使用的图形电磁算法， 提出了改进的结合物理光学法和增量长度绕射系数法的图形电磁算法，并给出了 运用此图形电磁算法的实验结果和分析。 第四章介绍了s a r 的基本成像原理、多种成像模式和成像算法、提出了对应 的仿真成像方法，并给出多种类型目标不同姿态不同模式的仿真结果和实验分析。 第五章介绍了本文建立的s a p , 图像仿真系统，主要介绍了仿真系统的流程及 其应用。 第六章介绍了s a r 图像目标识别的理论知识和多种识别方法，而后提出了适 合本文的目标检测算法和图像配准方法，将其与仿真结果结合进行实验得到目标 识别结果，并对结果进行分析。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章复杂目标的三维建模 复杂目标的三维建模是s a r 仿真成像的基础，只有为仿真系统提供一个高精 度的三维模型才能使后面的电磁算法、成像算法等的计算结果正确，从而科研工 作有一个可靠的基础。因此复杂目标的快速准确的建模具有重要的意义。 2 1 三维建模概述 随着计算机迅速发展，生产中的设计方法发生着巨大变化。以前只能靠手工 完成的许多简单作业，逐渐通过计算机实现高效化和高精度化。在许多工程应用 领域中，因计算机仿真的蓬勃发展，使得人们可以不必在真实试验场便可以获得 许多系统模型的性能，即使是真实试验，也少不了利用仿真系统对试验的再现。 计算机仿真己经成为工程设计和软件开发人员不可或缺的重要工具。图形处理、 科学计算可视化和图形可视化计算是现代计算机程序设计的发展趋势。使计算机 走出了呆板的单一枯燥的计算，在保证完成任务的同时，更加接近真实世界，从 而大大扩展了计算机应用领域，并带给编程人员和应用者丰富多彩的视听感受。 科学计算可视化的目标是把由数值计算或实验获得的大量数据按照其自身的物理 背景，进行有机地结合，用图像方式展示数据所表现的内容及其相互关系，便于 把握过程的整体演进，发现其内在规律，丰富科学研究内容，缩短研究周期。图 形可视化计算是从所画图形中提取大量的数据，然后按照需要的算法，对数据进 行一定的处理，得到需要的结果。 涉及图形图像处理的三维建模领域，和o p e n g l 图形库的联系紧密。o p e n g l 是s g i 公司开发的一套高性能图形处理系统，是图形硬件的软件界面，g l 即代表 图形库( g r a p h i c sl i b r a r y ) 。通过o p e n g l 程序员可以创建交互式应用程序，实现具 有逼真效果的三维图形图像，从而在要求高度模拟真实世界的诸多领域都可以大 显身手。o p e n g l 超越了处理单幅的静态图形，在实时的仿真三维实体及其环境方 面显示出强大的优势。更为重要的是，在渲染场景的同时，实时得到所需要的大 量数据信息，并进行跟踪计算，为复杂系统的实时仿真开辟了广阔的前景。o p e n g l 的迅速发展引起了各方的重视，现在支持o p e n g l 的平台有w i n d o w s9 5 9 8 ， w i n d o w s n t ，w i n d o w s2 0 0 0 ，o s 2 ，u n i x 等，包括微软在内许多著名公司所提供 的编译平台，如v i s u a lc + + 6 0 ，c + + b u i l d e r ，v b 等开发工具，都将o p e n g l 作为 一个重要的模块扩展进来，从而大大增强该编译平台对图形处理的能力。由此将 o p e n g l 实时渲染图形并得到相应数据的功能，与语言编译平台所专长的数值计 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 算、过程实现等功能结合起来，从而得到仿真与运算相结合的新概念，并带给人 们全新的视觉感受。1 1 刃 2 2 三维建模工具及功能 三维模型文件可以由许多造型软件来生成，如c a t i a 、a 1 玎o c a d 、3 d m a x 等。尤其是这些成熟的软件可以利用不同的曲面造型方法对目标的几何形状进行 精细的描述，如n u r b s 曲面、b e z i e r 曲面等。借助于一些模型转换软件，不同 造型软件生成的模型文件可以相互转换。计算机的图形渲染主要基于o p e n g l 图形 规范或者是m i c r o s o f t 公司的d i r e c t d r a w 图形接口函数，而o p e n g l 更具通用性。 一般我们都利用o p e n g l 来完成目标三维图形的渲染。 2 2 1 建模软件思想 建模软件思想主要来源于实体模型，对于实体模型，我们先研究它的基础模 型线框模型和表面模型。 线框模型像借用金属丝框架来描述几何形状那样，将棱线、轮廓线、交线等 表示立体形状特征的线作为形状参数表示三维立体，这种模型称为线框模型。线 框模型的数据结构简单，所以具有计算机处理速度快的特点。但是用线框模型表 示的立体在计算机内是用线相关的信息来表示的，表示形状特征的信息不够充分。 而且用这种模型来求体积，重量等质量参数或者进行隐线消除，+ 都是无法实现的。 表面模型它是在线框模型的数据结构基础上，增加与形成立体的各个面相关 的数据构成的。表面模型与线框模型相比，只增加了定义面的那一部分数据量， 所以，通过使用处理这些数据所得到的信息能够实现诸如求两个面的交线，绘制 剖面图，消除隐线等功能。 实体模型在表面模型的基础上，再增加实体信息就构成了实体模型。这种通 过指明点、线、面的连接关系以及实体在各个面的信息来表示三维立体的方法叫 做边界表示法。此外，还可用另外一种表达方法来描述实体模型称为体素构造法 c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 。机械零件和机械产品的几何形状多数是由立方 体和圆柱体等简单几何形体组合而成的。因此若事先在计算机内定义出基本的立 体形状，就能够利用立体的组合表示各种复杂的几何形体。利用这种思路定义立 体图形的方法就是体素构造法。这时所采用的基本立体称为体素( 体元) 。在利用体 素进行组合构成新的几何形体时，要在这些体素之间进行所谓的和( u n i o n ) 、差 ( s u b s t r a c t i o n ) 、以及表示共同部分的交( i n t e r s e c t i o n ) 等几何形状的逻辑运算。边界 表示法和体素表示法两种方法各有优缺点，两种方法都得到广泛应用，有的软件 同时至订这两种方法，利用其各自长处灵活使用。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 2 建模软件功能 基于以上的建模思想，可以进行基本建模。基本建模是建模软件中最基本和 常用的方法，包括基本体、扩展体、布尔运算、旋转、拉伸( 或挤压) 和放样等建模 方法，运用以上方法可以得到绝大多数的常用模型【4 】，如表2 1 ： 基本建模方法 图2 1 基本建模方法 1 ) 基本体建模 在大多数软件中，都会给绘制者提供一定的简单三维体的命令和方法。例如 在a u t o c a d 软件中，“绘图”下拉菜单中“三维实体”子菜单中提供了长方体、 球体、圆柱体、圆锥体、楔形体和圆环体等命令。除此之外在3 d m a x 中还提供 了几何球体g e o s p h e r e 、茶壶t e a p o t 、四棱锥p y r a m i d 、管状体t u b e 命令。 2 ) 扩展体建模 与基本体建模相同，制作者可以直接利用软件中提供的数化扩展几何体建模 方法。例如在3 d m a x 中，可以绘制测角立方体c h a m f e r b o x ；倒角圆柱体 c h a m f e r c y l i n d e r ；油桶o i l t a n k ；倒角棱柱g e o g o n ；纺锤体s p i n d l e 等三维模型。 3 ) 布尔运算 这种方法基于实体模型可以用体素构造法表达的思想，通过各实体元素间的 布尔运算来构造更为复杂的三维实体模型。 4 ) 拉伸建模 这种方法与旋转建模和放样建模的思想是一致的，但不是基于以上实体模型 的表示方法，而是从二维图形出发，从而构造三维物体模型。在众多软件中，大 都使用这种方法。拉伸建模的思想原理是通过为二维截面增加厚度，从而生成三 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 维模型，例如：在3 d m a x 中拉伸命令面板中参数如下： a m o u t ( 数量) ：表示拉伸厚度，正值为向上拉伸，负值为向下拉伸 s e g m e n t ( 段数) ：设置拉伸厚度上的片段划分数 c a p p i n g ( 顶盖) ：设置是否封闭拉伸物体的顶部( c a p s t a n ) 或底部( c a p e n d ) o u t p u t ( 输出) ：设置输出的构成三维对象的曲面类型 5 ) 旋转建模 其基本原理是选一条曲线作为母线，绕确定轴旋转而形成一个三维模型。凡 是具有旋转对称轴的三维物体，都可以用旋转方法生成，如酒杯、车轮、轴等。 以3 d m a x 为例含有以下参数： d e g r e e s ( 度数) ：绕着一轴所旋转角度数 s e g m e n t s ( 段数) ：设置旋转曲面上划分的片段数 d i r e c t i o n ( 方向) ：设置旋转的轴向 c a p p i n g ( 顶盖) ：设置是否封闭旋转物体的顶部或底部 6 ) 放样建模 放样概念来自于西方早期的造船术，造船时支撑船身的框架叫做样架( l o f t ) ， 既在船龙骨上定位横截面，而往框架上安装表皮叫做放样( l o m n g ) 。在3 d m a x 中 放样是指先创建一个二维造型作为放样路径( p a t h ) 用于定义模型长度，然后创建一 个或多个二维图形( s h a p e ) 作为模型截面，路径作为一个主干把不同截面图形连接 在一起而形成三维模型。在a u t o c a d 中，放样建模方法的基本思想是相同的，但 是是用e x t r u d e 拉伸命令来完成的。关键在设置路径，然后选择用路径拉伸的方法 建立三维模型。一般分为单截面放样和多截面放样建模实体模型。单截面是指沿 路径所有的截面都是相同的，而多截面是指沿路径的横截面不是相同的而是变化 的。此外，基于线框模型和表面模型，软件中也有很多设计者可以使用的建模方 法，这里不再一一介绍。 2 3 三维建模基本方法及改进 复杂目标通常构造复杂，部件繁多，因此简单的使用建模软件来实现复杂目 标建模显然不现实，因此需要分析复杂目标的结构特点，灵活的运用多种建模方 法来建造复杂目标三维模型。 通常建模综合使用部件建模法、标准体建模法以及样条函数等多种方法建造 目标几何模型。图2 2 所示，首先将复杂目标分解为部件，然后运用基本建模方法 分别建立网格模型，并结合参数样条函数进行曲线及面的拟合和网格剖分，实现 对网格精度的控制，最终在o p e n g l 环境下生成模型的三维造型。 计算精度的提高不仅仅局限于方法本身，对于军舰飞机等类似的复杂目标而 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 言，建模精度的提高也是一个有效途径。因此，对目标采用曲面元剖分比传统的 平面元剖分( 三角形或四边形) 更具吸引力。目前，非均匀有理b 样条( n u r b s ) 曲面 己被广泛用于描述各类几何结构，它可以利用较少的信息来表示复杂的几何结构， 大多数的计算机辅助几何设计都己使用n u r b s 曲面进行建模。 l 。趟嘏巍照一 嚣釜篷誊 “# 憾t 瓣；o g ” 囊国鲨畿；曩基墨簟豳嗣黥 图2 2 通常建模流程图 通常的建模方式需要大量的目标信息和时间，而且对类似雷达目标往往会重 复劳动，从而引起不必要的资源浪费。因此如图2 3 所示本文针对特定目标信息有 限，导致需根据目标图片或照片等信息来构建三维模型的情况提出了一种快速的 建模方法。 2 4 舰船目标建模实例 l 在o p g l 环境下输出规定格式三维i i 模型以供r c s = - 算软件使用 图2 3 快速建模流程图 第1 0 页 臻一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由于是对舰船模型建模，而舰船模型通常由船身和甲板布局构成，通常同一 类的舰船的船身和甲板布局都是类似的，例如航空母舰甲板上都有一个类似的塔 台，驱逐舰的船身以及甲板上的部件基本类似，这就为舰船部件可复用提供了基 础，针对以上特点本文提出了一种快速的建模方法：首先准备素材，通过多种渠 道搜索舰船模型的素材，可以是各种格式( 3 d s 、m 觚、f i f 等) 的，各个部件( 炮 塔、雷达、塔架、围栏等) 的，如果是整个的舰船模型则可以用软件对其进行拆 分，把各个部件拆分出来以备选择；其次根据掌握的目标信息对素材进行筛选匹 配，找出与目标近似的部件，运用软件把各个部件根据目标照片提供的信息进行 初步组合，确定模型大小，部件位置等；最后运用软件提供的变形、合并、连接、 布尔运算、放样等功能根据目标照片信息对模型进行修改矫正。 2 5 小结 本章介绍了建模的基础理论知识和软件应用技术，着重介绍建模的一些技巧， 本章还提出了一种快速的建模方法，并运用此方法结合其它建模技巧成功的建立 了一个复杂目标模型。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章雷达散射截面计算 s a r 仿真最为基本的流程是首先通过目标的散射特性预测s a r 的原始散射场 信息，而后对散射场信息进行成像处理以获得仿真图像。给定场景信息以及雷达 入射信号求取散射场信息的问题属于电磁理论中的问题。现今几乎所有正在使用 的电磁场解析方法都可溯源到麦克斯韦方程组，而解决实际问题时须根据问题的 具体情况选择适合的方法。实际电磁散射场求解问题可大致分为三类：小尺寸目 标可利用矩量法、时域有限元法等数值方法计算散射场的精确解。电大尺寸目标( 信 号波长远小于物体尺寸) 采用几何光学、物理光学、几何绕射、射线准踪等电磁场 高频渐进方法。结构复杂的分布式场景适合用雷达散射统计理论加以预测。由于 本文重点研究复杂电大尺寸目标的s a r 仿真，本章将重点介绍雷达散射截面理论、 高频电磁场渐进理论并提出本文的电磁算法。 3 1 雷达散射截面理论 3 1 1 雷达散射截面定义 当物体被电磁波照射时，能量将朝各个方向散射，散射场与入射场之和就构 成空间的总场。从射线的观点来看，散射场包括因介质波阻抗突变在物体表面上 产生的反射，以及由于边缘、尖端等物体表面不连续性引起的绕射等。从感应电 流的观点来看，散射场来自于物体表面上感应电磁流和电磁荷的二次辐射。散射 能量的空间分布称为散射方向图，它取决于物体的形状、大小和结构，以及入射 波的频率和极化等。产生电磁散射的物体通常成为目标和散射体。 当辐射源和接收机位于同一点时，正如预警雷达工作时的情况，称为单站散 射。当散射方向不是指向辐射源时，称为双站散射。 定量表征目标散射强弱的物理量称为目标对入射雷达波的有效散射截面积， 通常简称为目标的雷达散射截面或雷达截面( r a d a rc r o s ss e c t i o