CN101592729A - 基于目标细节的雷达ppi图像局部放大显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置和方法，该装置和方法能够对雷达目标进行真实放大显示，从而分离出雷达图像中的目标细节。其优点是：通过与放大倍数相关的二次采样分离出重要区域的雷达目标细节，经过扫描转换处理将这些极坐标格式的雷达图像数据投影到与屏幕直角坐标系对应的帧缓存中，最后将该雷达图像输出到指定的放大窗口中进行显示。任意雷达局部原始图像，在特定的放大窗口中进行放大，可以显示出原始图像中目标的细节信息，且放大倍数根据需要可调节，放大倍数越大，放大图像的细节信息越丰富。设备操纵人员可以尽早、详尽地得到雷达目标的多种属性，做出及时、科学、准确的判断和决策。

Description

基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置和方法

技术领域

本发明涉及雷达图像显示技术，具体的说是一种基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置和方法。

背景技术

随着现代指挥控制技术的进步，以及航空管制对雷达图像显示要求的不断提高，传统的雷达图像显示方式已不能完全满足操控人员的需求。

传统的雷达图像显示中，以PPI(Plan-Position Indicator，平面位置显示)显示方式为主，该显示方式具有观察直观、观测范围大等优点。通常，一部雷达输出一路雷达图像，而一路图像又占用整个雷达显示屏幕，这对把握整个观察区域的空情或者海情是合理的也是必须的；但同时，除了对整个空域或者海域的全局把握之外，操控人员往往希望能够对某些重要的、关键的，或者感兴趣的区域或目标的细节进行观察，加强对包括全局和局部细节在内的空、海情信息的全面把握，以做出科学、及时、准确的反应和决策，例如对于一批空中目标，除了可以得到该目标的方位和距离外，往往还希望能够得到该批目标中所含飞机(或其他物体)的架(个)数、型号、相互位置关系等其他有用的信息。实现该目的的有效方式之一是对感兴趣的区域进行局部放大后显示，通过市场调研和技术检索发现，目前市场上有类似的技术出现，但通过仔细的观察和研究又发现，此类放大显示方法实际上并未达到显示雷达目标细节的最终目的，该方法的核心技术是通过在显示后端对雷达目标进行“象素扩展”来达到雷达目标的几何放大，即以雷达目标显示象素为中心，将该象素的灰度或颜色值复制到该象素周围的其他象素，复制的象素面积由放大倍数决定。这种放大方法可以将雷达目标的面积放大，但并不能表现雷达目标中的细节，而且，当放大倍数增大时，容易出现“马赛克”现象，基于此，我们通常称之为“几何放大”。

通过查新，在各类专利信息网上尚未发现类似的知识产权登记；但根据对用户需求的调查结果显示，该技术和方法又是亟待解决的问题。

因此，提供一种既能显示雷达图像的全局信息，又能对雷达图像感兴趣局部区域进行放大显示，且不丢失目标细节信息的方法和技术就显得尤为必要了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置和方法，该装置和方法除了可正常显示雷达PPI图像的全局信息外，还可以根据需要选取感兴趣的图像区域进行局部放大处理，从而分离出雷达目标的细节信息，并将其作为独立的放大窗口在雷达屏幕上进行显示，为了操作的灵活性，该放大窗口可以在屏幕上任意漫游。

为了实现上述目的，本发明基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示方法，其步骤如下：

(1)接收来自前端的雷达图像和雷达主脉冲同步信号(PRF)及方位信号(AZI)；

(2)对数字化后的雷达图像数据进行预处理，其工作内容根据雷达图像数据的类型有所不同，主要包括增益控制、幅度调整、重复方位回波处理等；

(3)确定放大命令的相关参数。通过上位机获取放大图像逻辑窗口的极坐标范围和大小，并确定放大图像的放大倍数(zoom_rate)、计算二次采样必需的采样系数A_ZOOM；选取放大图像物理窗口的位置(放大图像的逻辑窗口和物理窗口的定义及相互关系下文详述)；

(4)将放大命令参数通过RS232串口传送到硬件系统；

(5)硬件系统根据放大命令参数A_ZOOM对雷达图像数据进行二次采样(此处的“二次采样主要用于区别于模拟雷达图像的数字化采样”)；

(6)将接收到的极坐标数据转换为适合光栅显示器显示的平面直角坐标；

(7)根据得到的直角坐标、放大命令和参数计算放大后的屏幕直角坐标地址；

(8)在外部图像源的同步下，通过存储器控制器将放大后的屏幕直角坐标地址转换为实际的存储器作图地址；

(9)按照作图地址将放大后的雷达图像数据写入存储器；

(10)将存储器中的图像输出显示。

上述步骤3)中，通过定位设备(如鼠标器)选取感兴趣的雷达图像的局部区域作为待放大雷达图像区域，称为“原始图像”，为了使所选取的区域易于处理，同时符合操作习惯，该区域规定为正方形，放大后的图像也为正方形，称为“放大图像”，其边长为原始区域正方形边长×放大倍数。上述步骤2)中，逻辑窗口的极坐标范围系指该窗口在极坐标系中极角和极径的起始值和终止值。上述步骤4)中，原始图像采样系数的计算由下式确定：

$A=\frac{N}{\mathrm{\τ}\·f}---\left(1\right)$

式中：N--回波的实际作图点数

τ＝2R/c，c--光速，m/s

R--雷达作用距离，m

f--采样频率，MHz

而放大后的采样系数(二次采样系数)为：

A_zoom＝A×zoom_rate            (2)

一种基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置，包括：①数字化及模拟图像处理电路、②雷达图像预处理电路、③雷达回波二次采样电路、④雷达扫描转换电路、⑤局部放大地址计算电路、⑥存储器控制器、⑦SDRAM帧缓冲存储器和⑧RS232串口通信电路。以上各部分均集成在雷达显示处理板上，数字化及模拟图像处理电路接收前端输入的模拟雷达图像，进行滤波和数字化处理，雷达图像预处理电路接收到数字化雷达图像后，进行相应的图像预处理，随后根据雷达量程、放大倍数以及放大窗口的大小对数字化的雷达图像进行二次采样；与此同时，电路接收前端输入的雷达主脉冲同步信号(PRF)和方位信号(AZI)，并在二者的同步控制下，完成对雷达图像的方位和距离起始值和终止值计算，以达到将合适的图像写入存储器的目的；雷达扫描转换电路的主要工作是将接收到的极坐标数据转换为适合光栅显示器显示的平面直角坐标，平面直角坐标经过与局部放大相适应的地址计算后，得到写入帧存储器的放大图像数据的实际地址，该地址在专用存储控制器的作用下将放大图像数据写入帧存储器，并在外部图像源的同步和时钟信号的同步下输出放大的雷达图像。雷达图像局部放大处理电路主要以现场可编程逻辑(FPGA)为核心组成。

本发明基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置和方法的有益效果是：通过与放大倍数相关的二次采样分离出重要区域的雷达目标细节，经过扫描转换处理将这些极坐标格式的雷达图像数据投影到与屏幕直角坐标系对应的帧缓存中，最后将该雷达图像输出到指定的放大窗口中进行显示。由此方法通过选择任意感兴趣的雷达局部原始图像，在特定的放大窗口中进行放大显示，放大后的雷达图像可以显示出原始图像中目标的细节信息，且放大倍数根据需要可调节，放大倍数越大，放大图像的细节信息越丰富。设备操纵人员不仅可以观察到雷达图像的全局信息，还可以有选择性地对感兴趣的关键区域进行放大显示，尽早、详尽地得到雷达目标的多种属性(架数、类型、相互位置关系)，做出及时、科学、准确的判断和决策。

附图说明

图1是基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置的硬件框图。

图2是基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示方法的工作流程图。

图3是基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置和方法的几何模型图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明包含硬件系统和软件系统两个部分，其中，硬件系统是本发明实现所有功能的主要部分，软件系统为辅助部分。

如图1所示，硬件系统包括①数字化及模拟图像处理电路、②雷达图像预处理电路、③雷达回波二次采样电路、④雷达扫描转换电路、⑤局部放大地址计算电路、⑥存储器控制器、⑦SDRAM帧缓冲存储器和⑧RS232串口通信电路。以上各部分均集成在雷达显示处理板上，数字化及模拟图像处理电路接收前端输入的模拟雷达图像，进行滤波和数字化处理，雷达图像预处理电路接收到数字化雷达图像后，进行相应的图像预处理，随后根据雷达量程、放大倍数以及放大窗口的大小对数字化的雷达图像进行二次采样；与此同时，电路接收前端输入的雷达主脉冲同步信号(PRF)和方位信号(AZI)，并在二者的同步控制下，完成对雷达图像的方位和距离起始值和终止值计算，以达到将合适的图像写入存储器的目的；雷达扫描转换电路的主要工作是将接收到的极坐标数据转换为适合光栅显示器显示的平面直角坐标，平面直角坐标经过与局部放大相适应的地址计算后，得到写入帧存储器的放大图像数据的实际地址，该地址在专用存储控制器的作用下将放大图像数据写入帧存储器，并在外部图像源的同步和时钟信号的同步下输出放大的雷达图像。雷达图像局部放大处理电路主要以现场可编程逻辑(FPGA)为核心组成。

软件系统主要完成与局部放大操作相关的各项参数的拾取、计算，并通过RS232串口将这些参数或命令发送给硬件系统，指挥硬件系统执行局部放大操作。

下面以硬件和软件系统为基础详细叙述本发明的具体实施步骤。

(1)接收来自前端的雷达图像和雷达主脉冲同步信号(PRF)及方位信号(AZI)。输入的雷达图像可以是模拟图像，也可以压缩的数字图像，对于模拟雷达图像，进行数字化采样，对于压缩的数字图像，则进行图像解压缩。本发明选用50Mhz时钟对模拟雷达图像进行数字化采样，这样可以使数字化后的雷达图像保留丰富的细节信息，这对“基于目标细节的雷达图像局部放大”是关键和必要的。理论上讲，模拟雷达图像的采样时钟越高，数字化图像中所包含的目标细节就越丰富，能达到的放大倍数就越高，对被选取目标的分辨力和表现力也越强；但同时，由于采样时钟的增加，电路处理的数据量增大，需要速度、性能较高的电路支持，从而导致硬件成本的增加，而且，根据采样原理，为了保证有效信息不丢失，模拟图像数字化的采样率应该大于等于模拟量最高频率的2倍，因此，考虑到前端原始图像源的实际有效信息量的限制，增加采样率所带来的有益效果并不会总是同步增加，而是会在某一频率出现截止。综合以上因素，在本发明中选用50Mhz采样时钟。

(2)对数字化后的雷达图像数据进行预处理，其工作内容根据雷达图像数据的类型有所不同，主要包括增益控制、幅度调整、重复方位回波处理等。

(3)确定放大命令的相关参数。

(4)将放大命令参数通过RS232串口传送到硬件系统；

(5)硬件系统根据放大命令参数A_ZOOM对雷达图像数据进行二次采样。

(6)将接收到的极坐标数据转换为适合光栅显示器显示的平面直角坐标。

(7)根据得到的直角坐标、放大命令和参数计算放大后的屏幕直角坐标地址。

(8)在外部图像源的同步下，通过存储器控制器将放大后的屏幕直角坐标地址转换为实际的存储器作图地址。

(9)按照作图地址将放大后的雷达图像数据写入存储器。

(10)将存储器中的图像输出显示。

如图2所示，本实例中步骤(3)(4)(5)的采用如下方式进行局部放大的操作：

a)以Y正轴方向为0方位，将圆周均分为2¹²份，即0～4095；

b)以坐标圆点为圆心，以顺时针方向扫描，将半径与原始图像初始相切的方位称为“放大起始方位”，即zoom_azi_s，将半径与原始图像最终相切的方位称为“放大终止方位”，即zoom_azi_e；

c)以坐标圆点为圆心，分别作两个与放大图像近端和远端相切的圆，半径分别为RadarZoomRadStart和RadarZoomRadEND；

d)根据原始图像正方形边长和放大倍数zoom_rate，得到放大图像的边长值zoom_w＝原始图像正方形边长×zoom_rate；

e)确定放大图像的逻辑窗口和物理窗口。从极坐标的角度来看，放大图像的逻辑窗口是指从极点看原始图像窗口放大后在存储器中存储的投影，该投影的每一点在极角上都与原始图像窗口对应的点保持一致，而在极径上则为原始图像窗口对应点的zoom_rate倍(zoom_rate＞1，放大倍数)。由此可知，放大倍数越大，原始图像投影的面积越大，距离也越远。物理窗口是逻辑窗口在显示屏上的实际位置，其窗口大小、显示内容和逻辑窗口一致。设原始图像窗口中心点坐标为(X_S，Y_S)，放大图像逻辑窗口中心点坐标为(X_L，Y_L)，放大图像物理窗口中心点坐标(X_P，Y_P)，则三者之间存在如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{XL}=\mathrm{XS}\×\mathrm{zoom}\_\mathrm{rate}\\ \mathrm{YL}=\mathrm{YS}\×\mathrm{zoom}\_\mathrm{rate};(\mathrm{zoom}\_\mathrm{rate}>1);\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{XP}=\mathrm{XL}+\mathrm{XH}\\ \mathrm{YP}=\mathrm{YL}+\mathrm{YH};\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，XH，YH为逻辑窗口与物理窗口在X方向和Y方向上的偏移值；

f)在放大图像的极坐标范围内，对二次采样后的雷达图像数据的极坐标进行扫描转换处理，得到与极坐标对应的直角坐标，该直角坐标对应于放大图像逻辑窗口。由于传统雷达扫描转换算法存在“显示死地址”现象，在雷达图像放大后，该现象会更加突出，此处需应用新的雷达扫描转换算法(已申请国防发明专利，受理号：200510117832.2)，以解决该问题。

Claims (4)

1、一种基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示方法，其特征在于：能够对雷达目标进行真实放大显示，从而分离出雷达图像中的目标细节，其步骤如下：

(1)接收来自前端的雷达图像和雷达主脉冲同步信号(PRF)及方位信号(AZI)；

(2)对数字化后的雷达图像数据进行预处理，其工作内容根据雷达图像数据的类型有所不同，主要包括增益控制、幅度调整、重复方位回波处理等；

(3)确定放大命令的相关参数；

(4)将放大命令参数通过RS232串口传送到硬件系统；

(5)硬件系统根据放大命令参数A_ZOOM对雷达图像数据进行二次采样；

(6)将接收到的极坐标数据转换为适合光栅显示器显示的平面直角坐标；

(7)根据得到的直角坐标、放大命令和参数计算放大后的屏幕直角坐标地址；

(8)在外部图像源的同步下，通过存储器控制器将放大后的屏幕直角坐标地址转换为实际的存储器作图地址；

(9)按照作图地址将放大后的雷达图像数据写入存储器；

(10)将存储器中的图像输出显示。

2、根据权利要求1所述的基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示方法，其特征在于：步骤(3)中，获取放大命令参数的方法为：

(1)以Y正轴方向为0方位，将圆周均分为2¹²份，即0～4095；

(2)通过上位机定位设备选取待放大的原始图像区域，并设定放大倍数zoom_rate；

(3)确定“放大起始方位”和“放大终止方位”；

(4)确定放大图像的逻辑窗口和物理窗口的位置和范围；

(5)以坐标圆点为圆心，分别作两个与放大图像逻辑窗口近端和远端相切的圆，半径分别为RadarZoomRadStart和RadarZoomRadEND；

(6)根据原始图像正方形边长和放大倍数zoom_rate，得到放大图像的边长值。

3、根据权利要求1所述的基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示方法，其特征在于：步骤(3)中，雷达图像数据二次采样的系数决定于选取的雷达图像原始窗口和放大窗口之间的放大参数对比。

4、一种基于目标细节的雷达PPI图像局部放大显示装置，其特征在于：由①数字化及模拟图像处理电路、②雷达图像预处理电路、③雷达回波二次采样电路、④雷达扫描转换电路、⑤局部放大地址计算电路、⑥存储器控制器、⑦SDRAM帧缓冲存储器和⑧RS232串口通信电路以及配套的软件系统组成。

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