Программный комплекс анализа и моделирования радиолокационных изображений объектов местности Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ МЕСТНОСТИ

Телеш

Вадим Анатольевич,

к.т.н., доцент кафедры фототопографии и фотограмметрии Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]

Левадный Юрий Валерьевич,

к.в.н., заместитель начальника кафедры фототопографии и фотограмметрии Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]

О

с

Ключевые слова:

моделирование радиолокационного изображения; радиолокационное изображение; трёхмерная модель местности; радиолокационная станция; программный комплекс моделирования радиолокационных изображений.

В настоящее время радиолокационные станции обзора земной поверхности находят широкое применение в Вооруженных Силах и при решении различных народно-хозяйственных задач. С помощью таких систем можно получать изображения объектов, по качеству близкие к оптическим. Радиолокационные изображения используются при разработке и обновлении топографических, ситуационных и тематических карт различных масштабов. Широко применяются при изучении вертикальных просадок и подвижек земной поверхности во время строительства объектов. По радиолокационным изображениям измеряют высоты объектов местности и строят высокоточные цифровые модели местности. Кроме этого такие изображения необходимы при мониторинге стационарных и подвижных объектов на поверхности Земли и определении скорости движущихся объектов. Также радиолокационные изображения необходимы при оценке состояния сельскохозяйственных угодий, а также в учебных заведениях при изучении дисциплин, связанных с дешифрированием изображений.

Очень часто, при проведении практических работ с курсантами и слушателями по дешифрированию необходимо показать, как выглядят различные объекты местности на радиолокационных изображениях. Из-за особенностей формирования радиолокационные изображения имеют ряд отличий от оптических.

Реальных радиолокационных изображений в учебном процессе очень мало, а изображений разных объектов местности (например, отдельно стоящее здание, котельная, дорога, каналы и т.д.) практически нет. Для качественного проведения занятий можно моделировать процесс получения радиолокационных изображений, начиная от момента излучения радиоимпульса и заканчивая формированием изображения. Причем модель должна учитывать все факторы, влияющие на качество получаемых радиолокационных изображений.

Описан программный комплекс анализа и моделирования радиолокационных изображений, разработанный в программной среде Borland Delphi. Он функционирует под управлением операционной системой Microsoft Windows. С его помощью можно выделять шумы на однородных участках реальных радиолокационных изображениях, определять законы распределения выделенных шумов, строить «идеальное» радиолокационное изображение по заданным трехмерным координатам объекта местности и формировать радиолокационное изображение трехмерного объекта местности.

Программный комплекс анализа и моделирования радиолокационных изображений (ПКАМ РЛИ) предназначен для формирования РЛИ трехмерной модели местности, созданной в специальном редакторе, например, 3D Studio Мах, при заданных условиях съемки и параметрах аппаратуры. С его помощью можно выделять шумы, присутствующие на реальных РЛИ, создавать «идеальное», то есть, незашумленное РЛИ [1] и моделировать РЛИ трехмерной модели местности.

В комплексе реализован способ моделирования РЛИ трёхмерной сцены наблюдения [2], в котором распространение радиоволн имитируется законами распространения оптического излучения и в вычислениях используются законы геометрической оптики. Схожесть получаемого изображения с оригинальным достигается путем моделирования всей трехмерной сцены.

Процесс моделирования РЛИ в рассматриваемом ПКАМ РЛИ заключается в решении обратной радиолокационной фотограмметрической задачи и вычислении яркости элементов моделируемого изображения. При этом изображение формируется на экране монитора в градациях серого цвета, каждый пиксель которого имеет яркость Б, Бе[0...255], где 0 соответствует уровень чёрного цвета, а значению 255 - уровень белого цвета.

На первом этапе моделирования строится контурное изображение трехмерной сцены в координатах наклонная дальность R, частота Доплеровского сдвига^. Затем осуществляется закрашивание элементов контурного изображения яркостью Бэл, в зависимости от угла наблюдения а граней многогранников сцены, диэлектрической проницаемости вещества е граней и коэффициента затемнения K .

3R l 1 1 зат

После этого формируется радиолокационная тень.

ПКАМ РЛИ разработан по модульному типу. Он включает в свой состав следующие модули (рис. 1):

- модуль задания исходных параметров;

- модуль записи всех полученных результатов;

- модуль просмотра промежуточных результатов;

- модуль формирования незашумлённого РЛИ;

- модуль формирования РЛИ;

- модуль анализа шумов на реальных РЛИ.

В свою очередь модуль формирования незашумленного РЛИ состоит из следующих модулей:

- модуль преобразования трехмерных координат в плоские;

- модуль построения радиолокационной тени;

- модуль расчета яркости элементов РЛИ.

Модуль формирования РЛИ состоит из следующих модулей:

- модуль наложения шумовых пятен на незашумленное РЛИ;

- модуль наложения одиночных шумов на незашумленное РЛИ.

Модуль анализа шумов на реальных РЛИ состоит из модулей:

- модуль выделения шумов на цифровых РЛИ;

- модуль нахождения законов распределения;

- модуль выделения шумовых пятен на цифровых РЛИ.

На начальном этапе работы с ПКАМ РЛИ необходимо

ввести исходные данные, содержащие параметры радиолокационной аппаратуры, баллистические параметры но-

Рис. 1. Структурная схема разработанного ПКАМ РЛИ

сителя РЛС, а также загрузить файл с массивом координат вершин трёхмерной сцены и открыть реальное РЛИ.

Для моделирования «идеального» РЛИ требуется массив координатами вершин трёхмерной сцены. Файл с массивом координат вершин трёхмерной сцены является текстовым (с расширением *.М). Он содержит значения координат вершин трёхмерного объекта наблюдения (:х. у 2.р, а также значение диэлектрической проницаемости вещества каждой грани трёхмерной сцены. Параметры радиолокационной аппаратуры и ряд баллистических параметров носителя РЛС вводятся с клавиатуры сразу после запуска программного комплекса.

После запуска ПКАМ РЛИ (файл «Модель.ехе») отображается главное окно программы. Оно состоит из строки меню, расположенного в верхней части главного окна и панелей ввода/вывода данных «Исходные параметры» и «Отображение результатов». Последнее содержит вкладки «Реальное РЛИ», «Идеальное РЛИ», «Модель РЛИ», «Анализ шумов», «Сравнение» (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид главного окна ПК

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Для построения «идеального» РЛИ следует загрузить файл с массивом координат вершин трёхмерной сцены. Для этого в строке меню необходимо нажать кнопку «Файл» и в раскрывшемся меню выбрать пункт «Импорт ЗБ-модели». Параметры для моделирования РЛИ следует ввести с клавиатуры путём выбора в строке меню пункта «Начальные параметры» (рис. 3).

Начальные параметры дли илдел промни я

Бал лмстнчесяме параметры towii пдблвдени* Koopiw«TaX ¡1060 м KoowwwtY; |Т7в0 м KoopUMtaZ' i 12411 и Несцшая частота перейат-**а: /гОООООООО Интервал сммге»ирсе#«я f®

СмэростъпоХ ¡330 м/с Старость по Y: ¡10 м/с О-оростъ noZ [20 м/с

Прнгать

■ 1 ■ £ s

Iii Iii i 1 - W 1 lllllllllllll .-Illllllll

отображается справа от исходного РЛИ, а в правой части окна строится дискретный вариационный ряд выделенного участка. Затем требуется выбрать вариант выделения шума.

После этого нажать кнопку «Шум» в верхней левой части окна. В результате работы программы на выбранном участке выделяется шум («общий», «тёмный», «светлый»), а также шумовые пятна. Результаты выделения представлены в центре рабочего окна. Далее выделенный шум необходимо проанализировать и определить законы распределения его яркости и координат по полю изображения. Для этого существуют кнопки «Анализ» и «Анализ 2», при нажатии на которые определяется распределения одиночного шума и шумовых пятен соответственно.

Пример шумов, выделенных на реальном РЛИ (см. рис. 4) для разных вариантов, приведен в табл. 1.

Таблица 1

Рис. 3. Окно начальных параметров для моделирования РЛИ

После этого можно построить «идеальное» РЛИ, для чего в строке меню нажать кнопку геометрия «Геометрия» и в раскрывшемся меню выбрать пункт «Идеальное РЛИ». При этом на вкладке главного окна ПК «Идеальное РЛИ» будет отображено сформированное «идеальное» РЛИ.

Этап выделение шумов на реальном РЛИ местности начинается с открытия файла реального РЛИ, который имеет графический формат с расширением *.Ътр.

Для начала процедуры выделения шумов необходимо загрузить реальное РЛИ, для чего в строке меню нажать кнопку «Файл» и в раскрывшемся меню выбрать пункт «Открыть РЛИ». Загруженное изображение будет расположено на панели вывода данных. Затем следует в строке меню нажать кнопку «Шумы» и в раскрывшемся меню выбрать пункт «Выделение шума». Внешний вид окна для выделения и анализа шума реального РЛИ представлен на рис. 4.

В левой части указанного окна представлено исследуемое РЛИ. На нем в процессе работы необходимо с помощью манипулятора «мышь» выделять однородные по тону и изображенному материалу участки. Выделенный участок

Шумы, выделенные на реальном РЛИ

Рис. 4. Рабочее окно для выделения и анализа шума на реальном РЛИ

Интенсивность выделенного шума зависит от выбранного варианта выделения и качества исходного реального РЛИ.

После выделения шумов в ПК автоматически определяется законы распределения яркости пикселей шума, которые затем используются при наложении шумов на «идеальное» РЛИ.

На заключительном этапе моделирования РЛИ осуществляется наложение шумов на «идеальное» РЛИ. Это можно сделать в строке меню «Геометрия» пункт «Моделируемое РЛИ». В результате, программа автоматически наложит шумы на «идеальное» РЛИ.

Все полученные результаты анализа и моделирования можно сохранить в файлы. Для этого в строке меню нажать кнопку «Файл» и в раскрывшемся меню выбрать пункт:

- «Записать таблицу» - для сохранения результатов анализа шумов;

- «Записать идеальное РЛИ» - для сохранения «идеального» РЛИ;

- «Записать моделируемое РЛИ» - для сохранения моделируемого РЛИ заданной трёхмерной сцены.

Разработанный ПК позволяет варьировать параметры моделирования РЛИ и отслеживать результаты изменения на получаемом изображении. Изменяемыми параметрами являются положение точки наблюдения и вектор скорости. Изменять положение точки наблюдения можно в окне «Исходные параметры» на закладке «Точка наблюдения». Для этого необходимо в строке меню нажать кнопку «Правка» и в раскрывшемся меню выбрать пункт «Изменение параметров». После этого на панели вывода данных появится вкладка «Точка наблюдения». При изменении положение бегунков ПК автоматически пересчитывает координаты и выводит изменённое моделируемое «идеальное» РЛИ. Изменённое моделируемое РЛИ сцены можно посмотреть, выбрав в строке меню «Геометрия» пункт «Моделируемое РЛИ».

По умолчанию точка наблюдения находится в стороне от трёхмерной сцены так, что в ПКАМ РЛИ заданы следующие исходные параметры:

- значение координатыХточки наблюдения 5 совпадает со значением координатой х центральной точки трёхмерной сцены;

- значение координаты 7 точки наблюдения 5" равно 500 км;

- значение координата 1 точки наблюдения 5 - высота полёта КА - равна 450 км.

В табл. 2 представлены «идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены, полученные при разных значениях координатыХ точки наблюдения 5. ЗначениеХ менялось от минимального значения х трёхмерной сцены до максимального. Все остальные параметры не изменялись и были равны значениям по умолчанию.

Таблица 2

«Идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены при разных значениях^

В табл. 4 представлены «идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены, полученные при разных значениях координаты 1 точки наблюдения 5. Значение 1 менялось в интервале 1е [400; 1500] км. Все остальные параметры не изменялись и были равны значениям по умолчанию.

Таблица 3

«Идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены при разных значениях У

Таблица 4

«Идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены при разных значениях 1

В табл. 3 представлены «идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены, полученные при разных значениях координаты У точки наблюдения 5. Значение У менялось в интервале 7е[1000; 2500] м. Все остальные параметры не изменялись и были равны значениям по умолчанию.

В табл. 5 и 6 представлены «идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены, полученные при разных значениях горизонтальной составляющей вектора скорости точки наблюдения 5. Значение V в табл. 5 менялось в интервале V е [9; 400] км/ч. Все остальные параметры не изменялись

и были равны значениям по умолчанию. В табл. 6 представлены результаты моделирования при отрицательных значениях составляющей вектора скорости (знак определяет направление вектора).

Таблица 5

Динамика изменения моделируемых РЛИ при изменении горизонтальной составляющей вектора скорости V

Значение

К

«Идеальное» РЛИ (незашумлённое)

Моделируемое

РЛИ (зашумлённое)

Значение

V,

«Идеальное» РЛИ (незашумяё нное)

Моделируемое

РЛИ (зашумлённое)

200

50

I

I

30(1

100

400

Таблица 6

Динамика изменения моделируемых РЛИ при изменении горизонтальной составляющей вектора скорости V

блюдения & Значение Vz менялось в интервале Ке[-300; 300] км/ч.

Таблица 7

Динамика изменения моделируемых РЛИ при изменении горизонтальной составляющей вектора скорости V

Значение Уу -300 -100 -30

«Идеальное» РЛИ (незашумлённое] ш

Моделируемое РЛИ (зашумлённое) я |§§г щдя Г-Ы'

Значение К 30 100 300

«Идеальное» РЛИ (незашумлённое)

Моделируемое РЛИ (зашумлённое) чННИ

Таблица 8

Динамика изменения моделируемых РЛИ при изменении горизонтальной составляющей вектора скорости V.

Значение У: -100 -8(1 -40

«Идеальное» РЛИ (незашумлённое)

Моделируемое РЛИ (зашумлённое) ш ш

Значение Уг 40 80 100

«Идеальное» РЛИ (незашумлённое)

Моделируемое РЛИ (зашумлённое) ш ЩН«г ■

В табл. 7 представлены «идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены, полученные при разных значениях горизонтальной составляющей вектора скорости точки наблюдения & Значение V менялось в интервале Ке[-300; 300] км/ч.

В табл. 8 представлены «идеальные» и моделируемые РЛИ трёхмерной сцены, полученные при разных значениях горизонтальной составляющей вектора скорости точки на-

Таким образом, рассмотренный ПКАМ РЛИ позволяет получать РЛИ трёхмерных моделей местности при заданных параметрах съёмки. С его помощью, изменяя исходные параметры, можно визуально наблюдать изменения на моделируемых РЛИ.

Комплекс планируется использовать при проведении практических и лабораторных занятий с курсантами и слушателями по дисциплинам «Топографическое дешифрирование снимков», «Аэрокосмические съёмки и основы фотограмметрии», «Фототопография».

Литература

1. Левадный Ю.В., Телеш В.А. Моделирование идеального радиолокационного изображения. // Труды Всеармейской научно-практической конференции. 2015. С. 273-276.

2. Левадный Ю.В., Телеш В.А. Способ моделирования радиолокационных изображений наземных объектов наблюдения. // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 4. С. 25-28.

3. ГореликА.Г. Самоучитель Зёэ Мах 2016. СПб.: БХВ-Петербург, 2016. 528 с.

4. Тимофеев С.М. 3dsМах 2012. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 496 с.

5. Кормен Т. Алгоритмы. Вводный курс. М.: Вильяме, 2016. 208 с.

6. Гофман В.Э., Хомоненко А.Д. Самоучитель Delphi. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 576 с.

Для цитирования:

Телеш В.А., Левадный Ю.В. Программный комплекс анализа и моделирования радиолокационных изображений объектов местности // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 5. С. 14-19.

PROGRAM COMPLEX OF THE ANALYSIS AND SIMULATION OF RADAR IMAGES OF OBJECTS OF TERRAIN

Vadim A. Telesh,

St. Petersburg, Russia, [email protected]

Yury V. Levadny,

St. Petersburg, Russia, [email protected]

obtaining radar images, beginning from the moment of radiation of a radio-frequency pulse and finishing with image generation. And the model shall consider all factors influencing quality of the received radar images. The program complex of the analysis and simulation of radar images developed in a software environment of Borland Delphi is described. It functions under control of the Microsoft Windows operating system.

Keywords: simulation of the radar image; radar image;

Abstraсt three-dimensional model of terrain; radar station; program

Now radar stations of the review of the land surface find complex of simulation °f radar images. broad application in Armed Forces and in case of the decision

of different economic tasks. By means of such systems it is pos- References

sible to receive images of objects, on quality the close to opti- 1. Levadny Yu.V., Telesh V.A. Modelirovanie ideal'nogo

cal. Radar images are used by development and up-dating of radiolokatsionnogo izobrazheniya [Simulation of the ideal

topographic, situation-dependent and subject maps of differ- radar image]. Trudy vsearmeyskoy nauchno-prakticheskoy

ent scales. Are widely applied in case of a study of vertical konferentsii. 2015. Pp. 273-276. (In Russian).

sagging and adjustments of the land surface during construc- 2. Levadny Yu.V., Telesh V.A. Sposob of simulation of radar

tion of facilities. According to radar images measure heights images of terrestrial objects of observation. H&E Researches.

of objects of terrain and build high-precision digital models of 2015. Vol. 7. No. 4. Pp. 25-28. (In Russian).

terrain. Besides such images are necessary when monitoring 3. Gorelik A.G. Samouchitel' 3ds Max 2016 [Self-instruction

stationary and mobile objects on the Earth's surface and speed manual 3ds Max 2016] 2016. St. Petersburg, BHV-St.

sensing of moving objects. Also radar images are necessary ^ters^ig 2°16. 528 p. (|n Russian).

in case of assessment of a status of agricultural grounds, and 4. Timofeev S.M. 3ds Max 2012. St. Petersburg, BHV-St.

also in educational institutions in case of a study of the disci- Petersburg, 2012. 496 p. (In Russian).

plines connected to decryption of images. 5. Cormen T.H. Algorithms Unlocked. London, England, The

Very often, when carrying out practical operations with MIT Press 2013. 235 p. (In Russian).c

cadets and listeners on decryption it is necessary to show 6. Gofman V.E., Homonenko A.D. Samouchitel' Delphi.

how different objects of terrain on radar images look. [Self-instruction manual Delphi]. St. Petersburg, BKhV-

Because of features of formation radar images have a row Peterburg, 2013. 576 p. (In Russian).

of differences from optical.

The present radar images in educational process aren't Information about authors:

enough, and there are practically no images of different Telesh V.A., Ph.D., docent of the Department phototopogra-

objects of terrain (for example, the separate building, a boil- phy and fotogrammetriya, Military Space Academy;

er room, the road, channels, etc.). Levadny Y.V., Ph.D., deputy head of the Department phototo-

For high-quality training it is possible to model process of pography and fotogrammetriya Military Space Academy.

For citation:

Telesh V.A., Levadny Yu.V. Program complex of the analysis and simulation of radar images of objects of terrain. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 5. Pp. 14-19. (In Russian).