毫米波辐射计目标检测仿真研究

毫米波辐射计目标检测仿真研究
摘要：毫米波辐射计是一种典型的无源微波探测系统，在遥感和制导中获得了广泛的应用。利用 仿真软件对目标进行先期模拟检测是一种有效和经济的方法，本文着重介绍了毫米波辐射计目标检 测仿真软件的建模思想和系统设计方案。根据毫米波辐射计的工作程序和运行环境，提出了目标检 测仿真软件的设计方案并开发出相应的仿真软件。该仿真软件准确模拟了辐射计的运行状态、结构 参数和工作环境，输出结果有利于硬件系统改进和优化。

1引言 为解决下视条件下毫米波辐射计对地面目标探测和识 别问题，在系统硬件研制之前，有必要对预定型号的毫米波 辐射计进行动态仿真模拟试验，检验和分析系统参数的合理 性和协调性，以寻求最佳的硬件设计方案；有必要先期开展 目标检测和识别技术的研究，对不同的目标和识别方法进行 比较，并把有关的结果反馈到硬件设计中：通过这个过程可 测厚仪| 测速仪| 转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称|以发现辐射计硬件和成像系统的错误或不合理的地方，从而 达到优化系统设计的目的。我们利用VisualC++开发出了毫 米波辐射计目标检测仿真系统，虽然没有全部模拟辐射计 硬件、技术参数，但对辐射计的改进和优化还是有很大的帮 助。毫米波辐射计目标检测仿真系统涉及到以下四方面的基 础研究内容：其一是典型面目标毫米波辐射特性的研究和测 量，建立辐射特性数据库；其二是建立目标检测数学模型； 其三是根据光学照片生成模拟微波图像并转化为伪彩色亮 温图-J J；其四是根据辐射特性数据库建立模拟环境，按照目 标检测数学模型和预定的毫米波被动辐射计数据参数进行 动态仿真，输出连续的温度曲线。其中，目标辐射特性数据 库和目标检测理论模型是开发仿真软件的基本依据。

1．1面目标辐射特性 面目标辐射特性的实验测量和以辐射特性为基础进行 目标检测仿真是一对互逆过程。 面目标是指尺寸远大于测量波长的平面目标，如草地、 水面、水泥跑道、大型建筑等。根据微波辐射特性的不同可 以区分不同的目标，这是无源微波遥感、制导的基本依据。 面目标的微波辐射特性用其亮度温度(简称亮温)表征，典 型面目标在不同条件下的亮度温度数据库是建立仿真模拟 环境的基础数据，是研制动态仿真软件的出发点。用实验方 法研究目标的亮度温度，就是对各种目标进行大量测试，经 过统计分析，从中找出其特征和规律。图l是微波辐射特性 测试示意图。其中，三 ( ， )是被测地物到天线的传输路 径上的大气损耗因子； ( ， ，P)为地物在(0， )方向 上P极化亮度温度； ( ， ，p)为地物在(0， )方向 上P极化散射温度； r (0，H)是天线收到的大气向上辐 射的视在温度。 辐射计距离地面的高度为 ，采用水平分层大气模型， 在( ， )方向上辐射计观测到的视在温度为： 1 = Ts ) (1) + ∞( ， ，p)】+ ，尸( ， ) 由于采用的是水平分层的大气模型，大气向上辐射的视 在温度与方向 无关。天线与被测目标之间的距离较小， 大气向上辐射的视在温度与大气对辐射的衰减作用均可忽 略。因而(1)式可简化为： ( ， ，H，P)：T ( ， ，P)+ ∞( ， ，P) (2) 其中，Tsc(0， ，P)=r(o， ，P)ToN( ， ，P)；r(o， ，P)： 目标的反射系数； 。Ⅳ( ， ，P)为大气向下辐射的视在温 度。处在 ( ， )分布中的无耗天线的天线温度为： T = 『J4 ( ， )F^，( ， )an (3) F N t8， )an 其中，FN(O， )为归一化天线方向图。对有耗天线来 说，若辐射效率为 l，物理温度为 ，则其天线温度为： =r／1T +(1一r／1)T0 (4) 辐射计定标后输出为： Voul= aT + b (5) 目标亮温的测量方法是用辐射计测量出辐射计的输出 ， 根据(5)和(4)，得到 ，对积分方程(3)反演 得 P，再由(2)得到目标的亮温 。 1．2目标检测的数学模型 毫米波辐射计天线检测地面目标的仿真过程是上述辐 射特性测量的逆过程：即在已知辐射特性的条件下，根据辐 射计的技术参数对地面目标的检测过程。下面以差分辐射计 说明检测的数学模型。若地面亮温为： ( ，) 『』 ( ， )G( ， ) 4 (6) 兰 1『』 ( ， )G( ， ) 对于差分辐射计，若光斑内全为背景，则天线输出的温 度对比度△ ( ，)为0。若有一种目标，则输出为： △T ( F)=T 1( F)一T 2( F) G )dQ (7) 一 Ts 2 )G ( 兰 ‘．7r IT占1( F)一T占2( F)】IJ G( ， )dQ 实际仿真时地面亮温图是栅格图像，因此(7)式的积 分变为对光斑内所有点进行逐点求和：当地物点类型为背景 时，不必参与求和计算，当地物点为某种目标时，则按积分 式参与累计，累计的结果即为辐射计输出的亮温差分值。

2 软件设计
2．1软件设计思想 在多年的研究工作中，我们研制出一系列如8mm 狄克 辐射计、8mm周期定标全功率辐射计、3mm 中频比较辐射 计以及相应的辐射计成像软件。在仿真软件中我们采用中心 频率为35．7GHz的8mm微波辐射计和相应的测量数据。我 们采用面向对象的方法进行软件设计，软件设计的主要思想 如下：
(1) 模拟辐射计自身的一些技术参数。如辐射计型 式、天线形状、运动状态、采样特性、采样间隔、灵敏度、 积分时间和分辨率等一些必要的参数。
(2) 模拟目标检测过程中的技术参数和环境参数。如 天线测量形状、高度、角度，步长，运行时间，气候等。
(3) 生成微波亮温图[4Jo根据输入的图片的特性进行 图像处理，标记不同目标类别，生成伪彩色微波亮温图。
(4) 输出结果。能对数据进行加噪处理和数值处理， 提取被检测目标。
(5) 实时控制和全景显示。利用VC强大的功能，提 供更好的视觉效果和人机交互能力。
(6) 数据接口。VC程序中必须考虑和数据库程序的 接口以便从面目标微波辐射特性数据库获取数据[5J口
2．2软件流程 在系统流程设计方案中，需要包括以下几个重要的组成 模块：地物目标图的管理，辐射特性数据库接口，仿真过程 的实时控制，输出信号的噪声处理和数．模转换等，如图2 所示。 2-3伪彩色处理 仿真软件的两项基本任务就是追求良好的视觉效果和 比较精确的检测结果。在软件系统中，可以利用统计的方法， 统计出生成的模拟微波图像的灰度直方图。通过图像处理如 彩色图像，然后进行扫描处理_6]。前台进行图像处理和输出 处理，把读入的像素变暗(为显示轨迹)后按原来的颜色显 示出来；后台则进行扫描图像数据处理。显示方案中还要求 立体显示功能，以便能全方位、多视角地展示辐射计的工作 过程。 此外，利用人工的方法，可以把伪彩色图像变为“真彩 色”图像。这里的真彩色是指给目标涂相同或相近的颜色。 伪彩色图像向真彩色图像的转化是毫米波辐射计目标检测 仿真系统的一项重要工作。因为具体事物存在着颜色重卺现 象，所以利用颜色来区分目标有很大的局限性。从实际情况 考虑，我们规定了8种常见地物目标的伪彩颜色选取方案。

3 输出结果和讨论 微波辐射计探测地物是动态仿真过程，也就是模拟光 斑在地面上的圆周扫描过程，任一时刻都按照目标检测数学 模型和当前环境条件计算微波辐射计亮温输出，因此系统输 出是连续变化的温度曲线。用户通过指定各种运行条件(如 不同的采样间隔见图3(a)、图3(b))，可以得到相应的扫描 数据和亮度渐渐变淡的轨迹输出。扫描的过程可以分为单步 执行和连续执行见图3(c)和图3(d)(采样间隔0．0025s)，单 步执行可以清楚的看到分步探测地物目标的详细过程，连续 执行的实质是连续的单步执行，按照预先设定的运行时间自 动完成对地物目标的检测。如表1所示，数据格式包含了一 些技术参数信息，其中运行时间为2秒钟，采样间隔为 0．0025，辐射计内向螺旋扫描1440~(4周)，可以看到在不 同目标交界的数据达到峰值，如图4所示。 在程序运行过程中，可以实时显示输出数据，反映扫描地物 之间变化情况。在屏幕空间有限的条件下，通过改变输出数 据的颜色变化来更新实时数据。当扫描结束后(运行到规定 的扫描时间停止或中途暂停后)， 可以选择“数据保存”菜 单来保存当前的扫描结果。在“数据管理”菜单中可以利用 滤波平滑，线性插值等对输出数据进行处理，使的间隔较大 的数据更加平滑。通过数 摸转化模块，可以在示波器上看 到输出的波形。采集的数据可用来判定和恢复原来图像的轮 廓。图4是截取的软件仿真系统全景的局部画面，给出了扫 描目标时的数据输出。
图3(c)单步执行 图3(d)连续执行 表1输出数据格式 (运行时间) O．002500(采样间隔) 111．O00000(~b环半径1 (放大系数)1000．000000(高度) 85．774787(内环半径) 亮潼曲线输出 I．i _。 ． Allgk ： ： ： ㈤ 0～0 】0 0～ h-。：：} 山ll“ lI“。。iIl， 图4扫描轨迹与数据输出 在程序运行过程中，可以实时显示输出数据，反映扫描 地物之间变化情况。在屏幕空间有限的条件下，通过改变输 出数据的颜色变化来更新实时数据。当扫描结束后(运行到 规定的扫描时间停止或中途暂停后)，可以选择“数据保存” 菜单来保存当前的扫描结果。在“数据管理”菜单中可以利 用滤波平滑，线性插值等对输出数据进行处理，使的间隔较 大的数据更加平滑。通过数一摸转化模块，可以在示波器上 看到输出的波形。采集的数据可用来判定和恢复原来图像的 轮廓。图4是截取的软件仿真系统全景的局部画面，给出了 扫描目标时的数据输出。 辐射计运行四周，输出的数据变化和对比度曲线清楚地 显示了地面目标四次“周期性”峰值，这表示三波束天线完 成了对被检目标的扫描。通过参数调整可以灵活设定采样问 隔和光斑直径，这和辐射计空间分辨率密切相关。先验数据 将对硬件的改进提供一定的帮助。为了得到“更多目标”理 想的仿真结果，必须提高辐射计的自身分辨率进行数据测量 采集，必须合理设定仿真中的采样间隔和空间分辨率，必须 对输出数据进行一系列噪声、滤波、插值等处理以提高仿真 输出的准确性；必须对连接的面目标辐射特性数据库进行扩 充和更新以提取更多的目标数据；必须在实验的基础上对仿 真系统结构和软件设计方案进行改进和优化。

4 结论 毫米波辐射计目标检测仿真系统是一个典型的先期验 证系统。在系统硬件研制之前，可以通过调整技术参数和模 仿真，从而可以验证和优化它在目标探测与识别方面的有效 性和准确性。这就为开展进一步的科学研究提供了丰富资料 和技术支持。目前，仿真软件仍然需要做进一步的改进和完 善，如面目标扩充，颜色交叠处理， “真彩色”处理，实时 数据读写处理等。作为仿真系统，它不仅需要在形式上能模 拟辐射计的工作过程，而且要能根据输出结果，给辐射计硬 件设计和成像系统提供更多的技术支持；作为交互系统，毫 米波辐射计目标检测仿真系统需要在人机交互方面提供更 优良的视觉效果和实时控制功能。