战场环境传感信息的可视化研究

在现代战争中，高科技技术有着重要应用，如红外成像制导技术、合成孔径雷达成像技术、红外成像技术等在现代战争中发挥着重要作用。自20世纪下半叶，基于雷达、红外、地磁、可见光等多传感器的传感信息的航空航天遥测遥感技术的快速发展，为现有的地理信息系统提出了新的要求，要求地理信息系统不仅携带地理位置、地貌特征数据，而且具有传感信息数据。直接利用地面的传感信息进行遥测遥感研究和作战武器性能的实战演练研究，有许多不足之处：要耗费大量的资金和军用物资，研制周期长，安全性差，而且很难在实战演习条件下改变状态，因此有必要利用可视化仿真技术进行研究。然而现阶段，国内外的虚拟战场环境仿真技术大多是对战场环境及作战过程的仿真，对利用传感信息进行战场环境的可视化仿真研究不多。基于此，本文提出了一种利用传感信息对战场环境进行仿真研究的方法。

　　1 战场环境的传感信息

　　航天航空平台能装载多种特征的遥感传感器，如雷达、可见光、红外、地磁等。这些平台综合利用多种传感信息进行融合效果分析，能够更准确地发现、识别和描绘地面的实体目标特征。在这些航天航空平台中，星载、机载成像雷达和红外成像系统就是一个很重要的应用。成像雷达主要包括合成孔径雷达、实孔径阵列成像雷达、逆合成孔径雷达等，合成孔径雷达的主要应用是发现和识别军事目标，如作战飞机、坦克群，机场和停机坪，各种车辆、桥梁、铁路、公路、堤坝和各种军事建筑物等。另外目前SAR正在向多频段、多极化、变入射角、多模式方向发展，即使被伪装或隐藏起来的军事目标，SAR照样可以发现和识别目标。红外成像在战场环境中的重要应用之一是红外成像制导，红外成像制导是当今最先进的红外制导方式之一，由于其目标识别能力强，因而成为当今精确制导武器的一大发展趋势。同时在红外导引头的研制测试过程中，红外图像的获取是十分重要的。然而通过现场实拍得到的图像有很大的局限性，首先很难获得各种气象条件下的红外图像，另外许多军事目标的红外图像也是无法拍到的，而且外场拍摄要耗费很长的时间和大量的人力物力。红外景象仿真技术可以很好地解决这些问题，其优点是有效、完备、经济、安全。因此很有必要利用现代快速发展的计算机技术进行成像仿真研究。从合成孔径雷达成像和红外成像的机理可知，要进行战场的SAR成像和红外成像仿真，就要建立相应的传感信息源，即建立与真实战场环境所对应的地物、军事目标、建筑物的物理属性数据库。

　　根据合成孔径雷达成像仿真机理和红外成像仿真机理可知，战场环境传感信息与环境中的背景、军事目标、建筑物的表面纹理材质的物理属性有关。合成孔径雷达成像利用材料对电磁波的散射特性数据，即雷达散射截面(RCS)。自然场景的RCS是其后向散射系数的函数，人造物体的RCS是入射电磁波的频率、极化方式、入射角、反射角的函数。因此SAR成像仿真的传感信息是场景及三维模型实体的雷达散射截面，为了仿真需求，必须建立场景中纹理材料的后向散射系数数据和入射到三维实体模型的表面的电磁波的频率、极化方式、入射角和反射角数据。红外成像利用材料的物理属性数据和空间中大气的传输特性数据，如纹理材料的光谱吸收率、反射率、热特性、大气的辐射、大气对红外辐射的衰减等。红外成像仿真的关键是确定物体表面的温度分布和辐射场，通过温度场来计算各点的红外辐射。

　　2 战场传感信息集成

　　战场传感信息集成，就是建立战场环境传感信息的数据库。建立传感信息数据库，与建立一般仿真所需的数据库不同。数据库中材料的物理属性必须与真实材料的物理属性相同。Vega软件提供了150多种材料的物理属性数据，该数据库文件(.mtl)是二进制文件，利用Vega自带的工具spabba可以把文件转换成ASCII文件，可以使使用者编辑和修改数据库文件。使用者也可以创建自己的材料数据库文件。下面是一个纹理材料文件的例子：

　　虽然Vega软件已提供了150多种材料的物理属性数据，但距离战场环境的仿真需要相差甚远，因此为了仿真的需要，有必要建立多种材料的物理属性数据库。

　　3 合成孔径雷达成像仿真方法实现过程

　　该方法是在建立场景模型的基础上，利用场景、目标模型的纹理材料特性数据和雷达电磁波的特性(频率、极化)计算雷达散射截面(RCS)，然后利用Vega的传感器模型得到SAR图像。下面具体介绍该方法的实现过程。

　　3.1 场景建模

　　场景建模即建立了三维自然地形、人文特征目标等模型，在建立三维自然地形模型时，要在模型上贴上地表纹理。在建立人文特征目标模型时，要选择相应的特征码和表面材质码，贴上相应的纹理材质。

　　3.2 初始化LynX图形界面

　　初始化LynX图形界面主要包括窗口、通道、场景、对象物、碰撞检测、环境及环境特效、场景运动体、观察方式的初始化。同时要初始化RadarWorks模块，包括频率、极化方式等参数的选择，SAR图像输出方式的选择，运动补偿等。

　　3.3 建立纹理材质与真实材质的映射

　　为了对战场环境进行SAR成像仿真，在建立场景模型的基础上，需要建立纹理材质与真实材料的映射关系，以便得到纹理材料的物理属性。当雷达天线的波束辐射到场景中某一区域时，要指定该区域内纹理材料的真实材质，如指定这种纹理材料是植被，那种纹理材料是金属，如图1所示。对于这一工作，Vega软件中纹理材料图生成器(Texture Material Mapping，TMM)来完成。TMM工具是Vega软件提供的材质赋予工具，利用它在纹理图上定义材质特性，生成材质图片，为红外探测器、雷达等模块运行时提供物体的材质属性。TMM工具并为纹理材料数据库中的所有纹理分类，通过分类使纹理材料与真实材质建立了映射关系。这些被分类的纹理被用来决定纹理材料数据中的材料属性。