一種對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)是借助發(fā)射無(wú)線電波，接收目標(biāo)的反射信號(hào)以進(jìn)行探測(cè)，搜集各種目標(biāo)信息 及其他特征信息的技術(shù)。雷達(dá)可應(yīng)用于多方面，其中雷達(dá)遙感，也稱之為微波遙感是在20 世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的遙感技術(shù)，由于具有多時(shí)相、全天候的特性，得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 雷達(dá)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如地物信息的搜集。為便于研宄，各種自然界中的典型地 物都可以抽象成特定的幾何形狀。各種物體的雷達(dá)響應(yīng)特性的深入研宄，是獲得準(zhǔn)確的信 號(hào)的關(guān)鍵。然而如何提高對(duì)地物信息仿真的準(zhǔn)確度和簡(jiǎn)便性，以及輸出地物圖像和用戶進(jìn) 行交互，是一大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在利用微波遙感觀測(cè)地物表面研宄森林植被時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)將樹(shù)干、樹(shù)枝等可以抽 象成介電圓柱體，把復(fù)雜物體形態(tài)模型化是廣泛應(yīng)用于研宄中的重要手段之一。電介質(zhì)的 散射矩陣包含了物體散射特性的所有信息，準(zhǔn)確獲得規(guī)則的介電幾何體的散射特性，是建 立正確的微波遙感模型并進(jìn)行反演研宄的基礎(chǔ)。本發(fā)明的目的是在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不 足，提出一種精確計(jì)算地物在雷達(dá)響應(yīng)中的仿真方法，提高對(duì)地物信息仿真的準(zhǔn)確度和簡(jiǎn) 便性，保證精度的同時(shí)降低復(fù)雜度，并通過(guò)三維技術(shù)直觀地顯示地圖圖像和相關(guān)信息，以方 便和用戶進(jìn)行交互。
[0005] 發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種光學(xué)遙感器對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)和方法，針對(duì)地物對(duì)雷達(dá)響應(yīng)的特性和算法進(jìn) 行建模，通過(guò)對(duì)不同的入射角度、波長(zhǎng)以及介電圓柱體的半徑的改變來(lái)得到不同情況下介 電圓柱體的散射系數(shù)，很好地對(duì)地物成像進(jìn)行仿真。
[0006] -種對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：地物信息搜集單元，信息抽象單元，散 射單元，改變參數(shù)單元，模擬散射系數(shù)單元，驗(yàn)證單元，三維顯示單元； 所述地物信息搜集單元，包括搜集地物形狀、地物大小、地物顏色、地物量度、地物高 程、地物位置信息； 所述地物抽象單元，將地物抽象成不同的幾何形狀表示； 所述散射單元，計(jì)算幾何形狀中的介電圓柱體的散射特性，得到散射矩陣；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：地物信息搜集單元，信息抽 象單元，散射單元，參數(shù)改變單元，模擬散射系數(shù)單元，驗(yàn)證單元，三維顯示單元； 所述地物信息搜集單元，包括搜集地物形狀、地物大小、地物顏色、地物量度、地物高 程、地物位置信息； 所述地物抽象單元，將地物抽象成不同的幾何形狀表示； 所述散射單元，計(jì)算幾何形狀中的介電圓柱體的散射特性，得到散射矩陣；
其中411、<3011、<%、41、<%1和411為散射系數(shù)，4|1、<%1為初始值，2'表示虛部， /7表示劃 分的個(gè)數(shù)，0 = JI-0，0定義為入射場(chǎng)的方向，當(dāng)θ=〇時(shí)為前向散射平面，Θ = JT時(shí)為后向 散射平面； 所述參數(shù)改變單元，包括角度改變單元，波長(zhǎng)改變單元，半徑改變單元； 模擬散射系數(shù)單元，模擬得到不同參數(shù)的散射系數(shù)； 所述驗(yàn)證單元，通過(guò)驗(yàn)證得到各參數(shù)對(duì)前向、后向散射系數(shù)的結(jié)果； 三維顯示單元，采用三維建模X3D技術(shù)、三維建模語(yǔ)言VRML建立三維立體的網(wǎng)站架構(gòu)， 包括信息播報(bào)與交互模塊，對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行即時(shí)播報(bào)，提供交使用者交互信息，以及輸出地 物圖像，所述三維顯示單元計(jì)算地物圖像的變化度量Λ
其中，Λ；為地物圖像子集沖的像素，rei/〇^，Ti)為坐標(biāo)為的像素值的紅色分 量，^reeflUi7Ji7)為坐標(biāo)為U17J17)的像素值的綠色分量，從ZeU i7, Tg)為坐標(biāo)為U17J17)的 像素值的藍(lán)色分量，7為索引，/?地物圖像中在^方向上從一個(gè)像素到下一個(gè)像素的平均 水平顏色變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)，其中所述散射系數(shù)&<3^和 bnil為'
其中4, 4, O化，匕，C為無(wú)限長(zhǎng)均勻柱體的垂直入射的精確解中的系數(shù)，取是柱體相 對(duì)于周圍介質(zhì)的相對(duì)折射率，f是入射波和柱軸的夾角，
x=ka，EiM H歲 示電磁場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，你（C)和是C的函數(shù)，你和是f的函數(shù)，左表示真 空中的波數(shù)，且
，a表示柱體半徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)，所述改變參數(shù)單元，改變半徑的值 并得出不同的h下前向、后向散射系數(shù)，畫出圖像，其中嫌示真空中的波數(shù)，且
a表示柱體半徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)，所述波長(zhǎng)改變單元和半徑改變單元 改變波長(zhǎng)和半徑，其中，當(dāng)半徑為〇. 005米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的 值為0. 25到25 ;當(dāng)半徑為0. 01米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的值為0. 5 到50 ;當(dāng)半徑為0. 015米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的值為0. 75到75 ; 當(dāng)半徑為0. 02米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的值為1到100 ;所述角度改 變單元改變不同的?角度值：30度、55度和90度，（表示入射波和柱軸的夾角；所述驗(yàn)證 單元，隨著h的增大，得到前向、后向散射系數(shù)收斂于穩(wěn)定值，其中對(duì)于前向散射系數(shù)，隨 著h的增大，前向散射系數(shù)伴隨著振蕩過(guò)程增大；對(duì)于后向散射系數(shù)，隨著h的增大，后向 散射系數(shù)在某值上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度逐漸變小最后趨于零，最后后向散射系數(shù)收斂于某值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的對(duì)地物成像的仿真系統(tǒng)，所述散射系數(shù) 的波動(dòng)是由于含有Bessel函數(shù)和三角函數(shù)，Bessel函數(shù)的波動(dòng)導(dǎo)致散射系數(shù)波動(dòng)；所述半 徑減小時(shí)，前向散射系數(shù)的波動(dòng)比后向散射系數(shù)平緩，所述半徑增大時(shí)，后向散射系數(shù)的波 動(dòng)比前向散射系數(shù)平緩；所述入射角增大時(shí)，后向散射系數(shù)的收斂值會(huì)減小，前向散射系數(shù) 的收斂值增大。
6. -種對(duì)地物成像的仿真方法，其特征在于，該方法包括：地物信息搜集步驟，信息抽 象步驟，散射步驟，參數(shù)改變步驟，模擬散射系數(shù)步驟，驗(yàn)證步驟，三維顯示步驟； 所述地物信息搜集步驟，包括搜集地物形狀、地物大小、地物顏色、地物量度、地物高 程、地物位置信息； 所述地物抽象步驟，將地物抽象成不同的幾何形狀表示； 所述散射步驟，計(jì)算幾何形狀中的介電圓柱體的散射特性，得到散射矩陣，
其中4|1、<%1、斗1、九1、斗 11和九11為散射系數(shù)，4|1、<%1為初始值，/表示虛部，/?表示劃 分的個(gè)數(shù)，0 = JI-0，0定義為入射場(chǎng)的方向，當(dāng)θ=〇時(shí)為前向散射平面，Θ = JT時(shí)為后向 散射平面； 所述參數(shù)改變步驟，包括角度改變步驟，波長(zhǎng)改變步驟，半徑改變步驟； 模擬散射系數(shù)步驟，模擬不同參數(shù)的散射系數(shù)； 所述驗(yàn)證步驟，通過(guò)驗(yàn)證得到各參數(shù)對(duì)前向、后向散射系數(shù)的結(jié)果； 三維顯示步驟，采用三維建模X3D技術(shù)、三維建模語(yǔ)言VRML建立三維立體的網(wǎng)站架構(gòu)， 包括信息播報(bào)與交互模塊，對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行即時(shí)播報(bào)，提供交使用者交互信息，以及輸出地 物圖像，所述三維顯示單元計(jì)算地物圖像的變化度量Λ
其中，Λ；為地物圖像子集沖的像素，rei/〇^，Ti)為坐標(biāo)為的像素值的紅色分 量，^reeflUi7Ji7)為坐標(biāo)為U17J17)的像素值的綠色分量，從ZeU i7, Tg)為坐標(biāo)為U17J17)的 像素值的藍(lán)色分量，7為索引，/?地物圖像中在^方向上從一個(gè)像素到下一個(gè)像素的平均 水平顏色變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的對(duì)地物成像的仿真方法，其中所述散射系數(shù)&<3^和 bnil為'
其中4, 4, O化，匕，C為無(wú)限長(zhǎng)均勻柱體的垂直入射的精確解中的系數(shù)，取是柱體相 對(duì)于周圍介質(zhì)的相對(duì)折射率，f是入射波和柱軸的夾角，
Hn 表不電磁場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，和是C的函數(shù)，/&和///?是f的函數(shù)，不 真空中的波數(shù)，且I與，a表示柱體半徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的對(duì)地物成像的仿真方法，所述改變參數(shù)單元，改變半徑的值 并得出不同的h下前向、后向散射系數(shù)，畫出圖像，其中嫌示真空中的波數(shù)，i
表示柱體半徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的對(duì)地物成像的仿真方法，所述波長(zhǎng)改變單元和半徑改變單元 改變波長(zhǎng)和半徑，其中，當(dāng)半徑為〇. 005米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的 值為0. 25到25 ;當(dāng)半徑為0. 01米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的值為0. 5 到50 ;當(dāng)半徑為0. 015米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的值為0. 75到75 ; 當(dāng)半徑為〇. 02米時(shí)，波長(zhǎng)為0. 001256米到0. 1256米，得到h的值為1到100 ;所述角度改 變步驟改變不同的?角度值：30度、55度和90度，（表示入射波和柱軸的夾角；所述驗(yàn)證 單元，隨著h的增大，得到前向、后向散射系數(shù)收斂于穩(wěn)定值，其中對(duì)于前向散射系數(shù)，隨 著h的增大，前向散射系數(shù)伴隨著振蕩過(guò)程增大；對(duì)于后向散射系數(shù)，隨著h的增大，后向 散射系數(shù)在某值上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度逐漸變小最后趨于零，最后后向散射系數(shù)收斂于某值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至9任一權(quán)利要求中所述的對(duì)地物成像的仿真方法，所述散射系數(shù) 的波動(dòng)是由于含有Bessel函數(shù)和三角函數(shù)，Bessel函數(shù)的波動(dòng)導(dǎo)致散射系數(shù)波動(dòng)；所述半 徑減小時(shí)，前向散射系數(shù)的波動(dòng)比后向散射系數(shù)平緩，所述半徑增大時(shí)，后向散射系數(shù)的波 動(dòng)比前向散射系數(shù)平緩；所述入射角增大時(shí)，后向散射系數(shù)的收斂值會(huì)減小，前向散射系數(shù) 的收斂值增大。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種通過(guò)雷達(dá)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括：地物信息搜集單元，信息抽象單元，散射單元，改變參數(shù)單元，模擬散射系數(shù)單元，驗(yàn)證單元，三維顯示單元；該方法包括：地物信息搜集步驟，信息抽象步驟，散射步驟，改變參數(shù)步驟，模擬散射系數(shù)步驟，驗(yàn)證步驟，三維顯示步驟。通過(guò)該建模的系統(tǒng)和方法，提高對(duì)地物信息仿真的準(zhǔn)確度和簡(jiǎn)便性，保證精度的同時(shí)降低復(fù)雜度，并通過(guò)三維技術(shù)直觀地顯示地物圖像和相關(guān)信息，以方便和用戶進(jìn)行交互。
【IPC分類】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104750920
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510122741
【發(fā)明人】劉鵬, 孫志勇, 安艷玲
【申請(qǐng)人】黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年3月20日