毫米波輻射計目標檢測仿真研究
摘要：毫米波輻射計是一種典型的無(wú)源微波探測系統，在遙感和制導中獲得了廣泛的應用。利用 仿真軟件對目標進(jìn)行先期模擬檢測是一種有效和經(jīng)濟的方法，本文著(zhù)重介紹了毫米波輻射計目標檢 測仿真軟件的建模思想和系統設計方案。根據毫米波輻射計的工作程序和運行環(huán)境，提出了目標檢 測仿真軟件的設計方案并開(kāi)發(fā)出相應的仿真軟件。該仿真軟件準確模擬了輻射計的運行狀態(tài)、結構 參數和工作環(huán)境，輸出結果有利于硬件系統改進(jìn)和優(yōu)化。

1引言 為解決下視條件下毫米波輻射計對地面目標探測和識 別問(wèn)題，在系統硬件研制之前，有必要對預定型號的毫米波 輻射計進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬試驗，檢驗和分析系統參數的合理 性和協(xié)調性，以尋求最佳的硬件設計方案；有必要先期開(kāi)展 目標檢測和識別技術(shù)的研究，對不同的目標和識別方法進(jìn)行 比較，并把有關(guān)的結果反饋到硬件設計中：通過(guò)這個(gè)過(guò)程可 測厚儀| 測速儀| 轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱(chēng)|以發(fā)現輻射計硬件和成像系統的錯誤或不合理的地方，從而 達到優(yōu)化系統設計的目的。我們利用VisualC++開(kāi)發(fā)出了毫 米波輻射計目標檢測仿真系統，雖然沒(méi)有全部模擬輻射計 硬件、技術(shù)參數，但對輻射計的改進(jìn)和優(yōu)化還是有很大的幫 助。毫米波輻射計目標檢測仿真系統涉及到以下四方面的基 礎研究?jì)热荩浩湟皇堑湫兔婺繕撕撩撞ㄝ椛涮匦缘难芯亢蜏y 量，建立輻射特性數據庫；其二是建立目標檢測數學(xué)模型； 其三是根據光學(xué)照片生成模擬微波圖像并轉化為偽彩色亮 溫圖-J J；其四是根據輻射特性數據庫建立模擬環(huán)境，按照目 標檢測數學(xué)模型和預定的毫米波被動(dòng)輻射計數據參數進(jìn)行 動(dòng)態(tài)仿真，輸出連續的溫度曲線(xiàn)。其中，目標輻射特性數據 庫和目標檢測理論模型是開(kāi)發(fā)仿真軟件的基本依據。

1．1面目標輻射特性 面目標輻射特性的實(shí)驗測量和以輻射特性為基礎進(jìn)行 目標檢測仿真是一對互逆過(guò)程。 面目標是指尺寸遠大于測量波長(cháng)的平面目標，如草地、 水面、水泥跑道、大型建筑等。根據微波輻射特性的不同可 以區分不同的目標，這是無(wú)源微波遙感、制導的基本依據。 面目標的微波輻射特性用其亮度溫度(簡(jiǎn)稱(chēng)亮溫)表征，典 型面目標在不同條件下的亮度溫度數據庫是建立仿真模擬 環(huán)境的基礎數據，是研制動(dòng)態(tài)仿真軟件的出發(fā)點(diǎn)。用實(shí)驗方 法研究目標的亮度溫度，就是對各種目標進(jìn)行大量測試，經(jīng) 過(guò)統計分析，從中找出其特征和規律。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(xiàn)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(xiàn)收到的大氣向上輻 射的視在溫度。 輻射計距離地面的高度為 ，采用水平分層大氣模型， 在( ， )方向上輻射計觀(guān)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(wú)關(guān)。天線(xiàn)與被測目標之間的距離較小， 大氣向上輻射的視在溫度與大氣對輻射的衰減作用均可忽 略。因而(1)式可簡(jiǎn)化為： ( ， ，H，P)：T ( ， ，P)+ ∞( ， ，P) (2) 其中，Tsc(0， ，P)=r(o， ，P)ToN( ， ，P)；r(o， ，P)： 目標的反射系數； 。Ⅳ( ， ，P)為大氣向下輻射的視在溫 度。處在 ( ， )分布中的無(wú)耗天線(xiàn)的天線(xiàn)溫度為： T = 『J4 ( ， )F^，( ， )an (3) F N t8， )an 其中，FN(O， )為歸一化天線(xiàn)方向圖。對有耗天線(xiàn)來(lái) 說(shuō)，若輻射效率為 l，物理溫度為 ，則其天線(xiàn)溫度為： =r／1T +(1一r／1)T0 (4) 輻射計定標后輸出為： Voul= aT + b (5) 目標亮溫的測量方法是用輻射計測量出輻射計的輸出 ， 根據(5)和(4)，得到 ，對積分方程(3)反演 得 P，再由(2)得到目標的亮溫 。 1．2目標檢測的數學(xué)模型 毫米波輻射計天線(xiàn)檢測地面目標的仿真過(guò)程是上述輻 射特性測量的逆過(guò)程：即在已知輻射特性的條件下，根據輻 射計的技術(shù)參數對地面目標的檢測過(guò)程。下面以差分輻射計 說(shuō)明檢測的數學(xué)模型。若地面亮溫為： ( ，) 『』 ( ， )G( ， ) 4 (6) 蘭 1『』 ( ， )G( ， ) 對于差分輻射計，若光斑內全為背景，則天線(xiàn)輸出的溫 度對比度△ ( ，)為0。若有一種目標，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�光斑內所有點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)求和：當地物點(diǎn)類(lèi)型為背景 時(shí)，不必參與求和計算，當地物點(diǎn)為某種目標時(shí)，則按積分 式參與累計，累計的結果即為輻射計輸出的亮溫差分值。

2 軟件設計
2．1軟件設計思想 在多年的研究工作中，我們研制出一系列如8mm 狄克 輻射計、8mm周期定標全功率輻射計、3mm 中頻比較輻射 計以及相應的輻射計成像軟件。在仿真軟件中我們采用中心 頻率為35．7GHz的8mm微波輻射計和相應的測量數據。我 們采用面向對象的方法進(jìn)行軟件設計，軟件設計的主要思想 如下：
(1) 模擬輻射計自身的一些技術(shù)參數。如輻射計型 式、天線(xiàn)形狀、運動(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。
(2) 模擬目標檢測過(guò)程中的技術(shù)參數和環(huán)境參數。如 天線(xiàn)測量形狀、高度、角度，步長(cháng)，運行時(shí)間，氣候等。
(3) 生成微波亮溫圖[4Jo根據輸入的圖片的特性進(jìn)行 圖像處理，標記不同目標類(lèi)別，生成偽彩色微波亮溫圖。
(4) 輸出結果。能對數據進(jìn)行加噪處理和數值處理， 提取被檢測目標。
(5) 實(shí)時(shí)控制和全景顯示。利用VC強大的功能，提 供更好的視覺(jué)效果和人機交互能力。
(6) 數據接口。VC程序中必須考慮和數據庫程序的 接口以便從面目標微波輻射特性數據庫獲取數據[5J口
2．2軟件流程 在系統流程設計方案中，需要包括以下幾個(gè)重要的組成 模塊：地物目標圖的管理，輻射特性數據庫接口，仿真過(guò)程 的實(shí)時(shí)控制，輸出信號的噪聲處理和數．模轉換等，如圖2 所示。 2-3偽彩色處理 仿真軟件的兩項基本任務(wù)就是追求良好的視覺(jué)效果和 比較精確的檢測結果。在軟件系統中，可以利用統計的方法， 統計出生成的模擬微波圖像的灰度直方圖。通過(guò)圖像處理如 彩色圖像，然后進(jìn)行掃描處理_6]。前臺進(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(lái)的顏色顯 示出來(lái)；后臺則進(jìn)行掃描圖像數據處理。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的工作 過(guò)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涂相同或相近的顏色。 偽彩色圖像向真彩色圖像的轉化是毫米波輻射計目標檢測 仿真系統的一項重要工作。因為具體事物存在著(zhù)顏色重巹現 象，所以利用顏色來(lái)區分目標有很大的局限性。從實(shí)際情況 考慮，我們規定了8種常見(jiàn)地物目標的偽彩顏色選取方案。

3 輸出結果和討論 微波輻射計探測地物是動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程，也就是模擬光 斑在地面上的圓周掃描過(guò)程，任一時(shí)刻都按照目標檢測數學(xué) 模型和當前環(huán)境條件計算微波輻射計亮溫輸出，因此系統輸 出是連續變化的溫度曲線(xiàn)。用戶(hù)通過(guò)指定各種運行條件(如 不同的采樣間隔見(jiàn)圖3(a)、圖3(b))，可以得到相應的掃描 數據和亮度漸漸變淡的軌跡輸出。掃描的過(guò)程可以分為單步 執行和連續執行見(jiàn)圖3(c)和圖3(d)(采樣間隔0．0025s)，單 步執行可以清楚的看到分步探測地物目標的詳細過(guò)程，連續 執行的實(shí)質(zhì)是連續的單步執行，按照預先設定的運行時(shí)間自 動(dòng)完成對地物目標的檢測。如表1所示，數據格式包含了一 些技術(shù)參數信息，其中運行時(shí)間為2秒鐘，采樣間隔為 0．0025，輻射計內向螺旋掃描1440~(4周)，可以看到在不 同目標交界的數據達到峰值，如圖4所示。 在程序運行過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)顯示輸出數據，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(guò)改變輸出數 據的顏色變化來(lái)更新實(shí)時(shí)數據。當掃描結束后(運行到規定 的掃描時(shí)間停止或中途暫停后)， 可以選擇“數據保存”菜 單來(lái)保存當前的掃描結果。在“數據管理”菜單中可以利用 濾波平滑，線(xiàn)性插值等對輸出數據進(jìn)行處理，使的間隔較大 的數據更加平滑。通過(guò)數 摸轉化模塊，可以在示波器上看 到輸出的波形。采集的數據可用來(lái)判定和恢復原來(lái)圖像的輪 廓。圖4是截取的軟件仿真系統全景的局部畫(huà)面，給出了掃 描目標時(shí)的數據輸出。
圖3(c)單步執行 圖3(d)連續執行 表1輸出數據格式 (運行時(shí)間) O．002500(采樣間隔) 111．O00000(~b環(huán)半徑1 (放大系數)1000．000000(高度) 85．774787(內環(huán)半徑) 亮潼曲線(xiàn)輸出 I．i _。 ． Allgk ： ： ： ㈤ 0～0 】0 0～ h-。：：} 山ll“ lI“。。iIl， 圖4掃描軌跡與數據輸出 在程序運行過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)顯示輸出數據，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(guò)改變輸 出數據的顏色變化來(lái)更新實(shí)時(shí)數據。當掃描結束后(運行到 規定的掃描時(shí)間停止或中途暫停后)，可以選擇“數據保存” 菜單來(lái)保存當前的掃描結果。在“數據管理”菜單中可以利 用濾波平滑，線(xiàn)性插值等對輸出數據進(jìn)行處理，使的間隔較 大的數據更加平滑。通過(guò)數一摸轉化模塊，可以在示波器上 看到輸出的波形。采集的數據可用來(lái)判定和恢復原來(lái)圖像的 輪廓。圖4是截取的軟件仿真系統全景的局部畫(huà)面，給出了 掃描目標時(shí)的數據輸出。 輻射計運行四周，輸出的數據變化和對比度曲線(xiàn)清楚地 顯示了地面目標四次“周期性”峰值，這表示三波束天線(xiàn)完 成了對被檢目標的掃描。通過(guò)參數調整可以靈活設定采樣問(wèn) 隔和光斑直徑，這和輻射計空間分辨率密切相關(guān)。先驗數據 將對硬件的改進(jìn)提供一定的幫助。為了得到“更多目標”理 想的仿真結果，必須提高輻射計的自身分辨率進(jìn)行數據測量 采集，必須合理設定仿真中的采樣間隔和空間分辨率，必須 對輸出數據進(jìn)行一系列噪聲、濾波、插值等處理以提高仿真 輸出的準確性；必須對連接的面目標輻射特性數據庫進(jìn)行擴 充和更新以提取更多的目標數據；必須在實(shí)驗的基礎上對仿 真系統結構和軟件設計方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

4 結論 毫米波輻射計目標檢測仿真系統是一個(gè)典型的先期驗 證系統。在系統硬件研制之前，可以通過(guò)調整技術(shù)參數和模 仿真，從而可以驗證和優(yōu)化它在目標探測與識別方面的有效 性和準確性。這就為開(kāi)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，如面目標擴充，顏色交疊處理， “真彩色”處理，實(shí)時(shí) 數據讀寫(xiě)處理等。作為仿真系統，它不僅需要在形式上能模 擬輻射計的工作過(guò)程，而且要能根據輸出結果，給輻射計硬 件設計和成像系統提供更多的技術(shù)支持；作為交互系統，毫 米波輻射計目標檢測仿真系統需要在人機交互方面提供更 優(yōu)良的視覺(jué)效果和實(shí)時(shí)控制功能。