◆闫小侠

复杂地形影响下雷达探测范围三维可视化研究

◆闫小侠

(中国电子科学研究院 北京 100041)

本文主要研究如何在复杂的三维地形影响下将看不到、摸不着的电磁环境及其影响范围进行快速而精准的展示在人们眼前，本文提出了一种基于三维实体地形，借助三维通视分析结果来实现三维雷达探测范围可视化的层次推演算法。通过三维地形取值、选点、排列等算法进行三维频谱态势可视化展示，获得了良好的仿真效果。

电磁环境；三维通视分析；可视化

0 引言

雷达电磁环境之所以区别于其他物理环境，因为它是一种看不见、摸不着的无形环境，并且形态呈多样性0。因此怎样才能将雷达的电磁环境信息更加生动形象、更加有效地展示出来一直是一个具有挑战性的研究课题。早期技术专家及学者致力于将电磁态势分为时域、空域、频域、功率域，并将其通过二维图形方式进行电磁特征表现，如：雷达威力图等，但是早期的这种雷达威力图都是通过二维曲线进行展现，效果上不太直观，而且更多的信息无法展现出来。

因此更多人开始尝试使用三维的形式对电磁态势、雷达探测范围进行研究。1999年，陈柏林等使用MATLAB绘制雷达作用范围的方法，在已知雷达相关参数的情况下绘制雷达三维图形。林卫明等从计算机图形学的角度出发，利用雷达测距公式计算波瓣上所有点的坐标，实现了得大探测范围的三维显示。

上述专家对雷达电磁环境三维可视化的表达方式做了有利地推进尝试，但是雷达电磁环境并不是一个孤立的存在，它还会受到各种环境因素的影响，例如：地形、气候、周围电磁的干扰等。目前对复杂环境影响下的雷达探测范围三维可视化的研究成果比较少，需要更加的努力研究。本文的研究重点是在具有地形起伏、遮挡的影响下雷达探测范围的三维可视化。

1 三维通视分析

1.1概念

通视分析是指以某一点作为观察点，研究某一区域内通视情况的地形分析。

三维通视分析是指利用高程判断地形上任意两点之间是否可以互相可见的技术方法。

1.2方法

在具有高程数据的地形上选取一个观察点，从观察点位置引出一族射线，计算射线通过的每一个点，即：与三维环境中具有高程的物体之间的交点，如：射线与山体之间的交点，将不被物体隐藏或遮挡的各点进行特殊编码，返回每一条射线上可见点坐标和不可见点的坐标集合。

2 三维频谱态势可视化技术

2.1前置条件

由配置文件获取相关雷达的探测半径、雷达分布位置坐标、观察点高度、观察半径、经度起始和终止角度（默认范围：0~360°）、纬度起始和终止角度（默认范围：-90~90°）、以及经纬度的角度跨度。

2.2获取雷达探测范围点集

通过使用三维通视分析方法，以雷达位置作为观察点，从雷达位置发射一族射线，以俯仰角（纬度）-90~90°、方位角（经度）0~360°为基准，如在参数设置了俯仰角、方位角，那么以参数设定的值为基准。每条射线之间的角度跨度可通过参数输入方式进行确定（角度跨度越小获取出的雷达探测范围越细密，效果越好）；发射出的每一条射线以90米距离作为步长取得相距90米处高程点上一个点的高程值，计算由观察点出发发射的射线是否可以看到此点，然后继续增加90米计算可视结果，直至到达雷达探测半径的边界为止。

依此方法每条射线均采用同样的方式进行计算，最终获取到俯仰角-90~90°、方位角0~360°，半径为指定范围内的所有相对雷达位置可见的点的集合，获取点集合的计算方式为:

for(latitude=StartLat;latitude<=EndLat; latitude+=StepLat)

{//需要在通视绘制时修改圈数

vpts.clear();

theta = (latitude*PI)/180.0;

for(longitude=StartLn;longitude<=EndLn;longitude+=StepLn)

{

fai=(longitude*PI)/180.0; tmpPt.x=CenterPos.x+(Radius*qCos(theta)*qSin(fai))/100000.0;//距离转换成度

tmpPt.y=CenterPos.y+(Radius*qCos(theta)*qCos(fai))/100000.0;//距离转换成度

tmpPt.z=CenterPos.z + (Radius*qSin(theta))/*/100000.0*/;//z值代表离地面的距离

vpts.push_back(tmpPt);

}

m_vAllPts.push_back(vpts);

}

为提高绘制电磁探测范围的效率，在获取到所有可视点之后采用多线程方式进行绘制。将探测范围以同一纬度级别下，经度范围获取到的点集划分为四个部分，分别由四个线程进行绘制，并进行首尾连接。

2.3绘制雷达探测范围

雷达探测范围绘制采取三角面方式绘制所有可视点，形成探测范围网格显示，有效的将距离观察点一定范围内的可视情况清晰的展示在眼前，一目了然。

绘制方法如下：

（1） 获取同一纬度圈上所有可见的经度点；

（2） 按照经度的跨度，将所有的经度点进行划分，形成(EndLn- StartLn)/ StepLn条线，每一条线都是从观察点射出，到达指定半径距离内的一系列点的集合；

（3） 顺序取其中两条线，顺时针建立三角面，将所有点均连接在一起形成一个三角网。

3 三维频谱态势仿真

3.1仿真结果

根据前面算法描述，前置条件设置为：观察点坐标（120.86，23.50，0），半径为20000米，纬度范围为-90~90°，经度范围为0~360°，经度与纬度的跨度为5°。编程实现雷达探测区域三维可视化效果如图1、2、3所示：

图1 地形遮挡下雷达探测范围三维网格显示

图2 地形遮挡下雷达探测范围三维实体曲面显示（贴地层采用网格显示）

图3 地形遮挡下雷达探测范围三维实体曲面显示

3.2仿真时间分析

仿真计算机的硬件环境为：Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2643 v3 @ 3.40GHz 3.40 GHz (2处理器)、96.0GB内存、NVIDIA Quadro K5200显卡；软件环境为：window 7旗舰版 64位操作系统、Qt4.7.3。地形遮挡下时间消耗如下表1所示：

表1 地形遮挡下的时间消耗

分析可知，经度与纬度的取值范围越大，跨度越小，绘制的时间消耗就会越长，因为获取到的点集以及射线的数量在增长，绘制的数据增加，因此时间会消耗延长。

4 结束语

在现在数字化战场中使用可视化方式表现出的雷达探测区域，有助于指挥官直观地了解相关武器装备的效能，并快速掌握当前战场中的电磁态势，因此在军事方面的价值非常重大0。本文中主要讨论的是雷达探测范围在受到地形影响之后，探测范围的变化，并以可视化的形式进行显示。

而对于不同的地理环境，不同的遮挡效果下产生的结果也会有所不同。除此之外，雷达探测范围还受很多其他复杂因素的影响，因此在不同的应用环境下此算法仍然有待提高和完善。

[1]邱航, 陈雷霆.地形影响下雷达作用范围三维可视化研究[J].电子测量与仪器学报, 2010.

[2]邱航, 陈雷霆, 蔡洪斌.复杂环境影响下雷达探测范围三维可视化[J].电子科技大学学报, 2010.

[3]何国金.频谱态势三维可视化技术研究[J].实验研究Experimental Research，2013.

[4]董凯，李伟明，姜本清等.数字化战场中雷达探测区域可视化技术研究[J].System Simulation Technology & Application(Volume 13), 2011.

[5]陈弓，戴晨光，刘航冶.雷达阵地场景三维可视化系统的研究与实现[J].计算机仿真，2008.

[6]陈弓，戴晨光，刘航冶.雷达阵地场景三维可视化系统的实现[J].空军雷达学院学报，2007.