陳卓學(xué)，陳華杰，林　萍

（杭州電子科技大學(xué)，杭州　310018）

SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳卓學(xué)，陳華杰，林萍

（杭州電子科技大學(xué)，杭州310018）

該軟件平臺(tái)旨在對(duì)SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法的仿真、測(cè)試與評(píng)估，是一個(gè)運(yùn)用MFC技術(shù)結(jié)合opencv庫(kù)的復(fù)雜系統(tǒng)。針對(duì)平臺(tái)中對(duì)算法、數(shù)據(jù)維護(hù)困難問(wèn)題，提出一種新型的MVADE軟件模型。該模型對(duì)MVC中的Model參照MVP模式采用責(zé)任分離思想進(jìn)行優(yōu)化，做到視圖、業(yè)務(wù)邏輯、算法、數(shù)據(jù)四層的松散解耦從而降低平臺(tái)的維護(hù)難度。目前初步實(shí)現(xiàn)了軟件架構(gòu)的搭建和場(chǎng)景仿真，叢林區(qū)域檢測(cè)，DPCA等算法的嵌入，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該軟件模型的有效性。

SAR/GMTI，MVC，MVP，平臺(tái)，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

0　引言

SAR成像技術(shù)可以對(duì)靜止場(chǎng)景很好地成像，而GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)可成功獲取場(chǎng)景中動(dòng)目標(biāo)信息，兩者優(yōu)劣互補(bǔ)，稱為SAR/GMTI模式［1-2］。復(fù)雜環(huán)境SAR/GMTI體制下動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是合成孔徑雷達(dá)（SAR）領(lǐng)域中一個(gè)十分具有應(yīng)用前景的研究熱點(diǎn)。目前，世界上許多國(guó)家都在大力發(fā)展SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，努力尋求各種高效、實(shí)用的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。然而由于一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，且對(duì)于一種動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法的好壞我們常常難以有效地進(jìn)行衡量，所以設(shè)計(jì)一個(gè)能仿真空對(duì)地的動(dòng)目標(biāo)SAR場(chǎng)景，能對(duì)叢林區(qū)域檢測(cè)、場(chǎng)景仿真、DPCA、信號(hào)提取和分類、參數(shù)估計(jì)、目標(biāo)檢測(cè)等算法處理效果進(jìn)行直觀顯示的，同時(shí)還能夠?qū)λ惴ㄐ阅苓M(jìn)行方便有效評(píng)估的SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)變得十分必要。

所要設(shè)計(jì)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)容納了仿真、分類、檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)等多種算法，且每種算法的操作對(duì)象都是規(guī)模較大的復(fù)數(shù)矩陣，這就對(duì)算法維護(hù)和數(shù)據(jù)管理上要求較高，反而對(duì)業(yè)務(wù)邏輯要求不是太高。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)易于算法升級(jí)擴(kuò)展，數(shù)據(jù)存取變更的軟件平臺(tái)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者對(duì)SAR/GMTI仿真系統(tǒng)展開(kāi)了研究。其中，文獻(xiàn)［3］結(jié)合MVC設(shè)計(jì)模式和FVI設(shè)計(jì)模式的思想，提出SAR圖像融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型，對(duì)UI層和業(yè)務(wù)邏輯層的解耦具有一定的參考價(jià)值。文獻(xiàn)［4］構(gòu)建了基于MVP設(shè)計(jì)模式的軟件框架與基于策略模式的算法庫(kù)，對(duì)算法庫(kù)的設(shè)計(jì)上具有一定指導(dǎo)意義。

然而不管是MVC模式還是MVP模式都主要是對(duì)視圖和業(yè)務(wù)邏輯的解耦，并未對(duì)算法與數(shù)據(jù)的耦合和平臺(tái)穩(wěn)健上展開(kāi)深入研究。鑒于此，本文提出一種新型的易于維護(hù)的且穩(wěn)健的MVADE軟件模型。該模型使用MVP設(shè)計(jì)思想對(duì)MVC中的Model責(zé)任分離，做到UI、業(yè)務(wù)邏輯、算法、數(shù)據(jù)4層的松散解耦，并添加異常處理器捕獲引起平臺(tái)崩潰的異常狀態(tài)。通過(guò)算法測(cè)試驗(yàn)證了采用MVADE模型設(shè)計(jì)的有效性。

1　需求分析與平臺(tái)功能

機(jī)載SAR雷達(dá)以Stripmap（條帶式）對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行掃描，利用脈沖壓縮技術(shù)獲得高的距離向分辨率，利用合成孔徑原理獲得高的方位向分辨率，從而獲得大面積高分辨率雷達(dá)圖像。系統(tǒng)對(duì)SAR圖像進(jìn)行雜波抑制，對(duì)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤并分類，并通過(guò)計(jì)算多普勒調(diào)頻率和中心頻率來(lái)估計(jì)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

由于實(shí)際情況中，SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)的實(shí)測(cè)回波信號(hào)較為缺乏，為此設(shè)計(jì)的平臺(tái)不僅能夠讀入實(shí)測(cè)回波信號(hào)，還要能夠通過(guò)背景雜波疊加的方式進(jìn)行場(chǎng)景仿真，功能模塊如圖1所示。平臺(tái)讀入一張帶叢林區(qū)域的原始SAR實(shí)測(cè)灰度圖，對(duì)場(chǎng)景參數(shù)，有幾個(gè)動(dòng)目標(biāo)，各動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，葉簇遮蔽環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，生成回波數(shù)據(jù)。

圖1　葉簇遮蔽環(huán)境下回波數(shù)據(jù)仿真

其次，平臺(tái)能夠?qū)ψx入的或仿真的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)相關(guān)算法的調(diào)用，如雜波抑制、信號(hào)提取、信號(hào)分類、參數(shù)估計(jì)、目標(biāo)檢測(cè)等。算法模塊調(diào)用如圖2所示。

圖2　算法調(diào)用流程

最后，平臺(tái)能夠?qū)μ幚硇Ч爸虚g數(shù)據(jù)處理過(guò)程進(jìn)行直觀顯示，并能夠?qū)λ惴ㄟM(jìn)行性能評(píng)估和分析。

2　MVADE軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 MVC、MVP設(shè)計(jì)

MVC框架［5-6］，如圖3（a）所示。Controller負(fù)責(zé)邏輯的處理，封裝了窗體中的所有操作、響應(yīng)用戶的輸入輸出、事件等，View負(fù)責(zé)顯示，Model封裝了核心數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯和功能的計(jì)算，Model和View之間的通信通過(guò)Controller來(lái)進(jìn)行。MVP框架是由MVC演變而來(lái)，其框架如圖3（b）所示。在MVP中View并不直接使用Model，它們之間的通信是通過(guò)Presenter（MVC中的Controller）來(lái)進(jìn)行的，所有的交互都發(fā)生在Presenter內(nèi)部，而在MVC中View會(huì)直接從Model中讀取數(shù)據(jù)而不是通過(guò)Controller。它們的基本思想相同且都做到了視圖和模型的松散解耦，可以在不依賴業(yè)務(wù)邏輯的情況下專注于視圖設(shè)計(jì)。

圖3　MVC、MVP軟件框架

然而MVC、MVP一般應(yīng)用于Web中，比較適合處理時(shí)間模型，而處理一個(gè)算法占主導(dǎo)地位的平臺(tái)，就暴露出了不足。①當(dāng)算法種類較多時(shí)，MVC與MVP沒(méi)有給出一個(gè)有效管理算法的設(shè)計(jì)框架，而是直接在模型中進(jìn)行調(diào)用，模型的調(diào)用顯得過(guò)于復(fù)雜，平臺(tái)不易維護(hù)。②當(dāng)算法處理的數(shù)據(jù)規(guī)模比較大且操作頻繁時(shí)，MVC與MVP沒(méi)有給出一個(gè)易于數(shù)據(jù)存取操作的設(shè)計(jì)框架，而是讓數(shù)據(jù)包含在模型中，這樣模型顯得臃腫，平臺(tái)不夠健穩(wěn)。鑒于此，本文提出了一種新型的MVADE軟件架構(gòu)。

2.2MVADE模型設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

MVADE（Model-View-Algorithm-Data-Exception，模型-視圖-算法-數(shù)據(jù)-異常）是一種應(yīng)用于算法平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)，它的核心思想是責(zé)任分離，其軟件模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　MVADE設(shè)計(jì)框架

MVADE做到了視圖、業(yè)務(wù)邏輯、算法、數(shù)據(jù)4層的松散耦合，是一種面向動(dòng)態(tài)內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)方式。軟件平臺(tái)被分為6個(gè)核心部件模型（Medel）、視圖（View）、控制器（Controller）、數(shù)據(jù)（Data）、算法（Algorithm）、異常處理器（Exception）它們各自處理自己的任務(wù)。

圖4中的區(qū)域（a），控制器（Controller）、模型（Model）、數(shù)據(jù)（Data）、視圖（View），若把數(shù)據(jù)（Data）歸并到Model中或刪除不看，可以發(fā)現(xiàn)與圖3中的（a）相同。MVADE中的視圖與業(yè)務(wù)邏輯的解耦參照了MVC設(shè)計(jì)，控制器即可以分離數(shù)據(jù)和其表示，讓模型與視圖能夠單獨(dú)的開(kāi)發(fā)，又可以在程序執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)的進(jìn)行用戶視圖的更新。因此，MVADE繼承了MVC設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）低耦合性，視圖層與業(yè)務(wù)層分離，且多個(gè)視圖可以共享一個(gè)模型。

（2）快速部署，UI工程師專注于視圖設(shè)計(jì)，研發(fā)人員專注于業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)。

（3）高重用性和可適用性，可以使用不同樣式的視圖訪問(wèn)模型。

圖4中的區(qū)域（b），模型（Model）、數(shù)據(jù)（Data）、算法（Algorithm），對(duì)應(yīng)著架構(gòu)中最核心的業(yè)務(wù)邏輯，算法和數(shù)據(jù)。經(jīng)典的MVC架構(gòu)對(duì)業(yè)務(wù)邏輯、算法、數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)如圖5（a）所示，首先三大核心模塊都包含在Model中，其次算法和數(shù)據(jù)的耦合較大，對(duì)算法的升級(jí)會(huì)影響到數(shù)據(jù)的變動(dòng)。而MVADE將算法和數(shù)據(jù)從Model中抽出，Model中只剩下業(yè)務(wù)邏輯，其結(jié)構(gòu)圖如圖5（b）所示，可以發(fā)現(xiàn)這與圖3（b）結(jié)構(gòu)相同，這部分的設(shè)計(jì)參考了MVP的模式設(shè)計(jì)，Algorithm相當(dāng)于MVP中的View，Data相當(dāng)于MVP中的Model，通過(guò)處理器也就是Model完全將數(shù)據(jù)和算法進(jìn)行分離，數(shù)據(jù)和算法的交互都發(fā)生在Model中。

圖5　MVC、MVADE中模型的設(shè)計(jì)

MVADE采用圖5（b）設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)和算法進(jìn)行解耦，帶來(lái)了如下的優(yōu)點(diǎn)：①可以單獨(dú)管理數(shù)據(jù)，如使用鏈表、樹(shù)等結(jié)構(gòu)維護(hù)算法平臺(tái)的數(shù)據(jù)，而不影響到算法。②可以單獨(dú)管理算法，算法種類一般比較多，可以離散管理或使用策略模式統(tǒng)一管理算法，而不會(huì)影響到數(shù)據(jù)。③算法升級(jí)簡(jiǎn)單快捷，數(shù)據(jù)模塊專注于與數(shù)據(jù)相關(guān)操作的實(shí)現(xiàn)，如矩陣的加減乘除，算法模塊專注于算法步驟的實(shí)現(xiàn)，如本系統(tǒng)中的場(chǎng)景仿真。這兩個(gè)模塊可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)，互不影響，提高了數(shù)據(jù)和算法的維護(hù)性。④平臺(tái)更加健穩(wěn)，平臺(tái)崩潰的大多數(shù)原因是數(shù)據(jù)操作的不正確，如不符合要求的矩陣加減乘除、指針越界、內(nèi)存不斷申請(qǐng)和釋放等等，這些異常由數(shù)據(jù)模塊將其捕獲，并不斷拋給上級(jí)，直到拋到異常處理器采取相應(yīng)的處理［7］，如圖4中的最上面部分。

3　基于MVADE的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

3.1SAR/GMTI軟件平臺(tái)的總體框架

根據(jù)上一節(jié)設(shè)計(jì)的思想，基于MVADE的SAR/GMTI的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的架構(gòu)圖如下頁(yè)圖6所示。檢測(cè)平臺(tái)主要運(yùn)行過(guò)程如下：用戶通過(guò)交互式UI作用于控制器，控制器采用命令模式設(shè)計(jì)，將用戶的一組行為封裝為對(duì)象，傳送給模型。模型根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置獲取矩陣樹(shù)中的復(fù)數(shù)矩陣，根據(jù)算法編號(hào)從算法工廠中獲取所需執(zhí)行算法的對(duì)象，從單例中獲取SAR/GMTI平臺(tái)的參數(shù)，有了數(shù)據(jù)、算法、參數(shù)Model就可以進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算出的復(fù)數(shù)矩陣添加到矩陣樹(shù)中。視圖是觀察者，樹(shù)形控件是觀察目標(biāo)，視圖觀察到樹(shù)形控件的變化，將復(fù)數(shù)矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖悴榭吹姆染仃?，通過(guò)表示層呈現(xiàn)給用戶。

由于此平臺(tái)采用MVADE架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分離出了數(shù)據(jù)和算法模塊，所以這兩個(gè)模塊保持相對(duì)獨(dú)立，可以靈活得對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。接下來(lái)將重點(diǎn)介紹SAR/GMTI的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)對(duì)這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)模塊可以分為兩大塊，一個(gè)是復(fù)數(shù)矩陣使用樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，運(yùn)用觀察者模式與視圖相連接，另一個(gè)是場(chǎng)景與目標(biāo)參數(shù)通過(guò)單例模式來(lái)限制實(shí)例個(gè)數(shù)。算法模塊采用簡(jiǎn)單工廠模式和策略模式設(shè)計(jì)算法庫(kù)。

3.2基于觀察者模式的樹(shù)形視圖

圖7　觀察者模式

對(duì)MFC中的CTreeCtrl進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝，使用樹(shù)形控件保存復(fù)數(shù)矩陣，可以通過(guò)用鼠標(biāo)來(lái)對(duì)矩陣進(jìn)行選擇、刪除等操作，并能方便地查看矩陣經(jīng)歷過(guò)哪些算法的處理，且可以一目了然地表示某種層次關(guān)系。本系統(tǒng)使用觀察者模式［8］將視圖與數(shù)據(jù)模塊緊密的結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。視圖注冊(cè)為樹(shù)形控件的觀察者，樹(shù)形控件將視圖添加到自己的觀察者鏈表中，當(dāng)樹(shù)形控件發(fā)生變化時(shí)調(diào)用Notify通知鏈表中的所有觀察者，觀察者調(diào)用Up-Date更新自己。

3.3基于單例模式的平臺(tái)參數(shù)

單例模式［9］是一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式，但是作用卻是不可替代的，通過(guò)單例模式可以確保系統(tǒng)中的一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，節(jié)約系統(tǒng)資源。本系統(tǒng)將SAR/GMTI場(chǎng)景和目標(biāo)參數(shù)作為一個(gè)單例，私有化該類的構(gòu)造函數(shù)，在內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，并提供一個(gè)訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的全局訪問(wèn)接口，在程序啟動(dòng)時(shí)，單例被創(chuàng)建，且在全局只需要調(diào)用一個(gè)getInstance函數(shù)就可獲取該實(shí)例。

3.4基于簡(jiǎn)單工廠模式和策略模式的算法庫(kù)

利用C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的多態(tài)性，在算法基類中定義算法接口，將平臺(tái)中的場(chǎng)景仿真、叢林檢測(cè)、DPCA、目標(biāo)檢測(cè)等等算法子類繼承它，實(shí)現(xiàn)基類中的虛函數(shù)TakeAlgorithm。這便是策略模式［10］，算法存放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，多種算法統(tǒng)一調(diào)用共同的用戶接口，如圖8所示。其次，在仿真平臺(tái)系統(tǒng)中算法基類與Model通過(guò)簡(jiǎn)單工廠模式發(fā)生交互。Model將算法ID傳入CreateMethod去創(chuàng)建具體算法對(duì)象（就像是在工廠里，只要告訴一個(gè)產(chǎn)品的具體編號(hào)，就能很方便地找到那個(gè)產(chǎn)品），通過(guò)對(duì)象指針調(diào)用接口函數(shù)。

圖8　策略模式

圖6　SAR/GMTI檢測(cè)平臺(tái)軟件架構(gòu)

4　系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

本仿真系統(tǒng)采用MFC進(jìn)行開(kāi)發(fā)，建立的SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)軟件平臺(tái)軟件界面如下頁(yè)圖9所示，其中（a）是原始X波段SAR灰度圖讀入，（b）是叢林區(qū)域檢測(cè)后的SAR灰度圖，（c）是場(chǎng)景仿真后SAR回波信號(hào)的實(shí)部，（d）是數(shù)據(jù)域DPCA疊加原始sar灰度圖。目前已搭建軟件平臺(tái)的基本框架，實(shí)現(xiàn)圖像讀入、存取等基本功能，以及場(chǎng)景仿真、叢林區(qū)域檢測(cè)，DPCA等算法的嵌入。初步驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性，后續(xù)可完成此平臺(tái)的其他擴(kuò)展算法的添加。

圖9　SAR/GMTI檢測(cè)平臺(tái)仿真軟件界面

5　結(jié)論

本文針對(duì)SAR/GMTI動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)基于新型的MVADE模型進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)說(shuō)明了MVADE的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最后采用MFC技術(shù)，結(jié)合opencv開(kāi)源視覺(jué)庫(kù)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的部分功能，并通過(guò)算法調(diào)用驗(yàn)證了基于MVADE設(shè)計(jì)的交互式軟件框架的可行性。由于采用MVADE框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，本仿真系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和維護(hù)性。

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Design and Im plementation of SAR/GMTI Moving Target Detection Software Platform

CHEN Zhuo-xue，CHEN Hua-jie，LIN Ping
（Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The software platform is designed for SAR/GMTImoving target detection algorithm simulation，testing and evaluation，the use of MFC technology and opencv library is a complex systems.To address the maintenance of Algorithms and data，a new MVADE software model is proposed.The architecture is optimized for the model in the MVC，referring to the MVP of the separation of duties thought，in order to allow views，the business logic，algorithms，data decoupling loose，thereby reducing the difficulty of maintaining platform.At present，scene simulation，jungle area detection，DPCAand the software architecture building are implemented.The test results demonstrate the effectiveness of the softwaremodel.

SAR/GMTI，MVC，MVP，platform，moving targetdetection

TP391

A

1002-0640（2016）08-0160-05

2015-06-05

2015-07-17

“十二五”國(guó)家預(yù)研基金資助項(xiàng)目

陳卓學(xué)（1990-），男，江蘇連云港人，研究生。研究方向：信息融合。