文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › 雷达最大探测范围三维可视化研究与实现

雷达最大探测范围三维可视化研究与实现

2007,43(11)ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用以前雷达探测情况的二维表现方式已无法满足虚拟战场环境的要求,虽然现在也有一些对雷达探测范围模型的三维可视化,但都是针对自由空间雷达探测情况进行的表现,没有综合考虑真实环境因素对雷达波传播的影响,要想准确地可视化雷达的探测情况,就必须要综合考虑大气、

地形等真实环境因素对雷达波传播的影响。可以采用求解电磁波波动方程,来精确地计算这些影响,但是直接求解该方程计算量太大,效率不高,而利用分步傅立叶解抛物方程的方法,不仅能计算大气、地形等因素综合影响下的大范围电磁波传播衰减,而且它的计算效率高,占用资源少。因此本文利用分步傅立叶解抛物方程的方法来计算大范围雷达波的传播衰减,通过与雷达可探测的最大衰减阈值进行比较,得到雷达的最大探测范围,然后在虚拟战场环境中对雷达最大探测范围进行三维可视化。

1雷达波传播衰减数值计算

雷达波在真实环境中传播衰减主要来自于地面反射、大气

折射、大气吸收等,地面反射、大气折射跟地面反射率和大气的折射率有关,而大气中的氧气和水蒸气是造成电磁波大气吸收衰减的重要成分,而且此衰减的大小与频率有关,对于水蒸气

的衰减还和水蒸气的密度有关。

1.1抛物方程方法的求解

电磁波传播的二维标量波动方程为:

!2!!x2+!2!

!z2

+k2n2!=0其中k表示自由空间的波数,大小为2π/λ,n为大气折射率,ψ表示标量场的大小。令u(x,z)=e-ikx!(x,z)表示电磁波沿x方向传播,则电磁波二维标量波动方程转化为:

!2u!x2

+!2u!z2+2ik!u

!x

+k2(n2-1)u=0对于解此抛物方程目前主要有分步傅立叶方法和差分方法。差分方法对于大范围的电磁波传播计算来说计算效率较低,耗费计算机资源也比较多;而分步傅立叶方法适合大范围电磁波传播的数值计算,计算效率较高。本文就是采用分步傅立叶方法解抛物方程来计算雷达波传播的衰减值。

分步傅立叶方法基本原理是沿着电磁波传播方向等间距不断递推求衰减值。按照参考文献[1],求解的递推公式为:

u(x+#x,z)=e

ik#x10-6

M(z)

f-1{e

i#xk2-p2

-k

!f{u(x,z)}}

基金项目:武器装备预研基金项目(thePre-ResearchFoundationofChinaMinistriesandCommissions)。

作者简介:杨超(1981-),男,硕士研究生,主要研究方向为虚拟现实技术;陈鹏(1977-),男,博士研究生,主要研究方向为虚拟现实技术;魏迎梅,

女,副教授,主要研究方向为多媒体与虚拟现实技术。

雷达最大探测范围三维可视化研究与实现

超,陈

鹏,魏迎梅

YANGChao,CHENPeng,WEIYing-mei

国防科技大学多媒体研究与开发中心,长沙410073

MultimediaTechnologyResearchCenter,NationalUniversityofDefenceandTechnology,Changsha410073,ChinaE-mail:yangchao@nudt.edu.cn

YANGChao,CHENPeng,WEIYing-mei.Researchandimplementationof3Dvisualizationofradarmaximumdetectionrange.ComputerEngineeringandApplications,2007,43(11):245-248.

Abstract:Thevisualizationofelectromagneticinformationisanimportantpartofvirtualbattlefieldenvironment,andthevisual-izationofradarinformation,especiallytheradardetectionrange,ismoreimportant.Inthispaperthevisualizationofradardetec-tionrangeisdiscussedandtheimplementationmethodofthe3Dvisualizationofradarmaximumdetectionrangeisgiven.Inthismethod,theeffectofmostrealenvironmentfactorsisconsideredwithparabolicequation.Finally,themethodofbuildingandren-dering3Dmodelofradarmaximumdetectionrangeisgiven.Theresultofexperimentshowsthatthismethodnotonlyisefficientbutalsocanvisualizeradarmaximumdetectionrange.

Keywords:radarmaximumdetectionrange;parabolicequation;split-stepFourier;3Dvisualization

要:电磁信息可视化是虚拟战场环境中不可或缺的重要组成部分,而其中雷达信息的可视化尤其是雷达探测范围的可视化更

为重要。对雷达探测范围可视化进行了探讨,给出了实现雷达最大探测范围三维可视化的方法。该方法综合考虑真实环境因素的影响,采用了抛物方程方法,最后给出了雷达最大探测范围三维模型的建立和表现方法。实验结果表明该方法不仅效率高,而且能真实直观地展现雷达最大探测范围。

关键词:雷达最大探测范围;抛物方程;分步傅立叶;三维可视化文章编号:1002-8331(2007)11-0245-04

文献标识码:A

中图分类号:TP391

245

2007,43(11)ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用

其中x、z分别表示距离和高度方向上的坐标值,k是自由空间波数,!x为在电磁波传播方向上的递增步长值,M(z)为大气在不同高度上的折射系数,f和f-1分别表示傅立叶变换和傅立叶反变换,p是转换常数,大小为ksinθ,其中θ是电磁波传播方向与水平线的夹角,u表示电场值。

根据参考文献[2],传播因子F为:

F=|u(x,z)|x

!它包含了大气折射和地面反射等影响,转换为分贝形式为:

20logF=10log[(u2

r+u2

i)x]

其中ur、ui分别表示u(x,z)的实部和虚部。

1.2大气吸收衰减

对于大气吸收衰减理论最早是由VanVleck在1947年提

出的分子吸收理论,他提出对于大气中电磁波从位置r1传播到

r2其总吸收能量为:A=

r2

r1

""(r)dr,其中"是指定频率电磁波的

吸收系数,它与大气参数温度、压力和密度等有关。由于大气参数随高度的不确定性,因此直接采用该积分公式来计算总衰减值是很困难的。CCIR在其一份报告[3]中给出了简化的计算方法,它把大气吸收衰减大小简化为按高度线性增加,因此计算出海平面高度的大气吸收衰减值就可以计算出其它高度的衰减值。对于氧气的吸收衰减的计算方式为:

"o=[1.0+0.01(tair-15.0)](t1+t2+0.00719)(

fMHz1000

)210-3

其中tair是底层表面的温度(°C),fMHz是电磁波的频率(MHz),

t1=

6.09(

fMHz1000

)2

+0.227,t2=

4.81(

fMHz

1000

-57)2+1.5。

水蒸气的吸收衰减为:

"w=(0.05+0.0021abshum+t1+t2+t3)(f

MHz1000

)2abshum10-4

其中abshum是底层表面的绝对湿度(g/m3),fMHz是电磁波的频率(MHz),t1=

3.6(

fMHz

1000

-22.2)2+8.5,t2=

10.6(

fMHz

1000

-183.3)2+9.0,t3=

8.9

fMHz

1000

-325.4)2+26.3。则总的大气吸收衰减:

l#=("o+"w)H

其中H是相对海平面的高度(km)。

于是可以如下计算电磁波传播衰减值(dB):

L=20log4"r

$

#$

-20logF+l#

(1)

其中r为电磁波传播距离,F是传播因子,l#为大气吸收衰

减值。

这样通过式(1)就可以得到了三维空间中雷达波传播垂直面方向所有空间网格的一个电磁波传播衰减值,并可以通过雷达最小可检测信号的传播衰减阈值来确定雷达的最大探测范围。

2雷达最大探测范围的确定

考虑环境因素影响的雷达方程为[2]:

Pr=

PtGtGr$2%

(4")3R4

lsl#

F4

其中Pt、Pr分别表示雷达发射功率和接收功率;λ为波长;σ是目标反射截面积;F为天线方向图传播因子,它包含了天线方向图和传播非吸收影响;R为雷达波传播双程距离;ls为系统衰减值;lα为大气吸收衰减因子,它包含大气的吸收影响。对于单基地雷达,由于雷达共用发射接收天线,天线增益Gt=Gr=G。雷达方程可以表示为:

Pr=

PtG2ls4"%λ2

a4其中a=λ4"RF

l#

4而传播衰减值L(dB)与a的关系为[5]:

L=-20loga

则雷达方程可用分贝数表示为:

L=5log(

PtG2ls)+5log(4"%

λ

)-5logPr

(2)

一般采用灵敏度表示雷达接收机接收微弱信号的能力,雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率Simin来表示,当接收机的输入信号功率达到Simin时,接收机就能正常接收而在输出端检测出这一信号,而当输入信号功率小于Simin时,接收机就不能判断出输入信号,所以在式(2)中,当Pr=Simin时,就可以得到雷达最小可检测信号时的衰减最大阈值Lmax,则当衰减值小于Lmax时,雷达就能探测到物体,反之则是雷达的盲区。因此就可以通过衰减判断出雷达的最大探测范围。对于雷达最小可检测信号功率Simin,它跟雷达性能有关,具体数值计算方法为:

Simin=kT0BnF0D0

其中k为波尔兹曼常数;B0为标准室温290K;Bn是雷达接收机噪声带宽;F0为接收机的噪声系数;D0为雷达检测因子,它由雷达的虚警概率Pfa和发现概率Pd决定。因此对于一特定雷达系统,只要虚警概率和发现概率一定,则它的最小可检测信号功率就确定了,由式(2)就可以确定雷达最小能检测信号时的衰减最大阈值。因此根据式(1)计算得到的三维空间雷达波传播的衰减值,通过与衰减阈值进行比较就可以确定出雷达的最大探测范围。

3雷达最大探测范围三维可视化

3.1雷达最大探测范围的三维模型网格建立

利用式(1)可以得到三维空间中雷达波传播衰减值,采用按雷达旋转方向等分的方法进行离散化,如图1所示为其中一个等分面的雷达波传播衰减值二维网格图,水平方向为雷达波传播距离,垂直方向为雷达波传播高度,网格点代表该距离高

度处的雷达波传播衰减值L(R,H),小空心圆代表雷达发射接收天线。

246

2007,43(11)ComputerEngineeringand

Applications

计算机工程与应用由式

(2)得到雷达最小能检测信号时的衰减最大阈值Lmax,通过比较每个网格点处的L(R,H)与Lmax,比衰减阈值小的网格点集合就是雷达的可探测区域,可探测区域的外轮廓就是雷达的最大探测范围。

为了确定出雷达的三维最大探测范围,可以先确定出雷达在垂直截面上的二维最大探测范围如图2所示,黑色线条代表雷达的最大探测范围,其所包含的内部区域就是雷达的可探测范围。该黑色轮廓线的确定方法依据了雷达的传播探测衰减规律,衰减值按距离方向一般是由大到小再到大的规律分布,因此可以采用搜索逼近的原则来确定雷达最大探测范围的轮廓线。采用按距离方向搜索相同高度的网格点值,从左到右搜索比较可以得到左边的轮廓网格点,从右到左搜索比较可以得到右边的轮廓网格点,这样就得到了同一高度上的两个轮廓点,搜索完所有高度上的网格点,就能得到整个的轮廓线即二维最大探测范围。

雷达最大探测范围轮廓线的搜索逼近算法如下:

//H代表高度方向,R代表水平距离方向,L[R][H]是利用式(1)计算得到的雷达波传播衰减值二维矩阵,Lmax是雷达波传播衰减阈值,算法中先计算左边轮廓点,后计算右边轮廓点,并分别存入左(Ll)右(Lr)坐标点序列。

for(H=0;H<Hmax,H++){

//搜索比较得到左边轮廓点,从L[R][H]左边界向右搜索for(R=0;R<Rmax-1;R++){if(L[R][H]<=Lmax){

//判断第一个点是否是轮廓点

//把第一个点记入左边点序列Ll,左边轮廓点查找完毕AddPointToArray(Ll,R,H);break;}

if(L[R][H]>Lmax&&L[R+1][H]<=Lmax){//判断轮廓点是否在相邻两个点之间//线性插值得到左边轮廓点

R=R+(Lmax-L(R,H))/(L(R+1,H)-L(R,H));//把坐标点记入左边点序列Ll,左边轮廓点查找完毕AddPointToArray(Ll,R,H);break;}}

//搜索比较得到右边轮廓点,从L[R][H]右边界向左搜索for(R=Rmax-1;R>0;R--){

//判断最后一个点是否是轮廓点if(L[R][H]<=Lmax){

//把最后一个点记入右边点序列LrAddPointToArray(Lr,R,H);

//该高度轮廓点查找完毕,进入下一高度搜索

break;}

if(L[R][H]>Lmax&&L[R-1][H]<=Lmax){

//判断轮廓点是否在相邻两个点之间//线性插值得到右边轮廓点

R=R+(Lmax-L(R,H))/(L(R,H)-L(R-1,H));//把插值得到右边轮廓点记入右边点序列LrAddPointToArray(Lr,R,H);

//该高度轮廓点查找完毕,进入下一高度搜索break;

}}}

这样通过搜索比较所有的网格点,就记录下了轮廓线左(Ll)右(Lr)两边坐标点序列,连接这些坐标点序列就是雷达最大探测范围的二维轮廓线,如图2所示。

按照雷达旋转方向等角度离散化雷达波三维空间的衰减值,就可以计算出雷达一周的最大探测范围二维轮廓线如图3所示,根据一定的规律连接这些轮廓线就得到雷达的最大三维探测范围。

要想获得雷达探测范围三维模型网格数据,主要就是解决二维轮廓线相互之间的连接问题。对于如图3所示的一组雷达最大探测范围二维轮廓线,可以知道连接问题只有相邻的两条轮廓线之间才有。采用上述方法获得的二维轮廓线,可以确定知道一条轮廓线同一高度上有左右两个坐标点值,如图2所示的A、B两点,而且相邻两条轮廓线之间的两个坐标点之间不会有交叉连接,所以构网可以分成左右两边轮廓线分别进行,即分成如图2中的Ll、Lr两边。处理相邻两条轮廓线间坐标点的连接,如果坐标点个数一致,就可以直接连接对应高度的坐标点,如果坐标点不一致,则把直接连接后多出的坐标点跟另一条的最后一个点连接。如图4所示,图中给出了3条轮廓线

L1、L2、L3间的右边段Lr的构网。由于是按等高得到的坐标点,

所以先按得到坐标点的顺序,按高度由低到高的顺序直接连接,图4中GH、HI、FK、KJ、CM、DC、BE,当出现坐标点数不一致,将多出来的点,如图4中A、B两点,就与相邻轮廓线的顶端点D、E直接相连;对于左边段Ll的连接构网采用同样的处理方法。这样就得到了雷达最大探测范围三维模型网格数据。

3.2雷达模型在虚拟战场环境中的真实感表现

在虚拟战场环境中表现雷达最大探测范围,要达到逼真的

超,陈鹏,魏迎梅:雷达最大探测范围三维可视化研究与实现

247

2007,43(11)ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用

(上接231页)

研进行改进和完善。例如在确定零部件的到货时间时,根据主生产计划的交货时间向前推算,这就没有考虑生产线的生产能力,如果将生产能力考虑进去,就涉及到生产计划问题。排产是ERP领域一个非常复杂的工程,能否利用本体的推理能力进行排产是今后可以考虑的一个方面。另外,在本体文件中进行检索时应该采用何种更有效的检索算法,以提高计算速度,缩短响应时间也将成为日后研究的课题。(收稿日期:2006年9月)

参考文献:

[1]刘伯莹,周玉清,刘伯钧.MRPII/ERP原理与实施[M].2版.天津:天津大学出版社,2001:3-4.

[2]曾东红,郭俊.供应链中信息的共享对牛鞭效应的影响[J].物流科技,2005,28(11):47-49.

[3]娄平,周祖德,陈幼平.敏捷供应链管理的系统集成与信息共享[J].机械与电子,2006(2):3-5.

[4]CfTRGruber.Atranslationapproachtoportableontologies[J].KnowledgeAcquisition,1993,5(2):199-220.

[5]GruberTR.Towardprinciplesforthedesignofontologiesused

forknowledgesharing.Revision:August23,1993.

[6]Gomez-PerezA,Benjamins.Overviewofknowledgesharingandreusecomponents:ontologiesandproblem-solvingmethods[C]//ProceedingsoftheIJCAI-99WorkshoponOntologiesandProb-lem-SolvingMethods(KRR5),Stockholm,Sweden.

[7]刘海滨,李冠字,刘发军.基于Ontology的信息集成研究综述[J].计算机工程与应用,2005,41(25):159-161.

[8]CarrollJJ,ReynoldsD,DickinsonI,etal.Jena--implementingthesemanticwebrecommendations[C]//WebProceedingsoftheWWW2004.

[9]KnublauchH,MusenMA,RectorAL.EditingdescriptionlogicsontologieswiththeProtegeOWLplugin[C]//InternationalWork-shoponDescriptionLogics,Whistler,BC,Canada,2004.

[10]GuhaR,McCoolRob,MillerE.Semanticsearch[C]//Proceedingsofthe12thInternationalConferenceonWWW2003.

[11]RochaC,SchwabeD,deAraga!oMP.AhybridapproachforsearchinginthesemanticWeb[C]//ProceedingsoftheWWW2004.[12]周明建,高济.知识管理中的联想检索[J].计算机应用,2004,24(7):25-27.

三维效果,还必须对其进行光照处理。在现代流行三维绘制系统中对光照的处理,主要就是对模型法向量的求取。

通常采用模型的顶点法线矢量来计算光照情况,对于顶点法线矢量的计算方法是为每一个多边形面计算法线矢量,然后对相邻多边形面的法线矢量取平均,相邻多边形的公用顶点的法线矢量就使用平均法线矢量。如图4中的C点,它是4个多边形CDB、CBEM、CMJK、CKFD的公用顶点,因此先要算出这4个多边形的法线矢量n1、n2、n3、n4。为一个平面多边形找法线矢量的方法是,任取该平面中不在同一条直线上的3个顶点,一般要包含公用顶点,如多边形CBEM中可以取3个顶点B、C、M,则CB、CM的叉积就与该多边形垂直,即该多边形的法线矢量n2就是CB×CM,同样方法计算出其他3个多边形的法线矢量,则公用顶点C的法线矢量n为4个多边形的法线矢量之和n1+n2+n3+n4,然后规格化为单位长度1的矢量,此结果就是C的法线矢量n。这样可以算得所有顶点的法线矢量。3.3实验结果

最后实验采用了频率为1GHz,发射功率为1000kW,方向图为sin(x)/x的雷达,对雷达散射截面为10m2目标,在典型表面波导作为实际大气传播环境、典型反射率的地形下的最大探测范围,在虚拟战场环境中进行了表现,实验效果如图5;当目标的雷达散射截面增大到50m2,雷达最大探测范围效果图如图6。

4结论

本文采用分步傅立叶解抛物方程的方法计算了雷达波的传播衰减,结合大气吸收衰减,得到真实环境中比较准确的雷达波传播衰减,再利用雷达方程得到一定探测概率下的雷达最小可探测功率时的衰减阈值,通过搜索逼近比较得到雷达的最大探测范围,最后构建雷达最大探测范围的三维模型。该方法能综合考虑地形大气等多方面的因素,快速计算出雷达在当前环境中的最大探测范围三维模型,而且当环境条件发生变化时,模型也能及时变化,解决了真实环境中雷达探测情况的表现。实验表明,通过文中方法可以形象直观地展现雷达在真实环境中的最大探测范围,有助于决策人员身临其境地分析雷达探测态势,满足当前电磁态势表现不足的要求,而且为电磁态势的表现提供了一个参考。(收稿日期:2006年10月)

参考文献:

[1]LevyM.Parabolicequationmethodsforelectromagneticwaveprop-agation.London,UnitedKingdom:TheInstitutionofElectricalEngi-neers,2000.

[2]BarriosE.Considerationsinthedevelopmentoftheadvancedpropagationmodel(APM)forUSnavyapplications[C]//Proceed-ingsoftheInternational,RadarConference,2003:77-82.

[3]InternationalRadioConsultingCommittee(CCIR)XVthPlenaryAssemblyDubrovnik.Propagationinnon-ionizedmedia.InternationalTelecommunicationsUnion,RecommendationsandReportsoftheCCIR,Geneva,1986.

[4]BlakeLV.Radarrange-performanceanalysis[M].Norwood,MA:ArtechHouse,1986.

[5]CraigKH,LevyMF.Parabolicequationmodellingoftheeffectsofmultipathandductingonradarsystems[J].IEEProceedings-F,1991,138(2).

[6]SonHK,LeeHS.Thepredictionofradiointerferencethroughductingandproposalmeasuresforprotectinginterference[C]//VTCSpring2002,VehicularTechnologyConference,2002,1:502-506.[7]焦林,张永刚.雷达电磁波盲区的评估方法研究[J].舰船科学技术,2004,26(6)

.248

相关文档