CN103399311B - 用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法 - Google Patents

Abstract

针对现有民用机场的场面监视雷达难以实时绘制回波的难题，本发明提供一种用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，具体步骤为：对显示绘制装置与PCI-E采集卡进行初始化；显示绘制装置等待信号输入，并根据信号类型进行后续处理；绘制回波信号；调整需要进行回波绘制的区域；余辉消隐处理；翻屏处理；终止处理。本发明的有益技术效果为：本发明的方法能够满足机场场面监视雷达高转速的需求，实现雷达回波画面的实时绘制和余辉消隐效果，显示画面平滑流畅，且不依赖于特定显卡的支持。

Description

用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法

技术领域

本发明属于雷达终端显示技术领域，特别是涉及用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法。

背景技术

随着交通的进步和经济的发展，各地机场的起降航班越来越多，机场的跑道越来越繁忙，机场场面监视雷达的研究及应用慢慢成为机场跑道安全问题关注的热点。该领域中，机场场面监视雷达的终端显示系统作为整个雷达和用户的主要通信接口，承担着将雷达探测结果展示给终端用户的重要职责，而雷达回波是所有需要展示给终端用户的信息中最重要的一类信息。所以，实时回波绘制技术是机场场面监视雷达研究领域非常重要的一个环节。

实时回波绘制技术主要存在三个难点。从雷达前端传入的回波数据一般会分为成千上万个方位，每个方位包括数千个回波点的数据。如何迅速准确地对回波数据进行抽取和插值，使之与当前的显示量程相匹配，是实时回波绘制技术的第一个难点。回波数据需要绘制到屏幕上，这就需要转化成屏幕坐标，这一过程牵扯到大量的三角函数运算，计算量巨大。且基于极坐标系的回波数据转化为屏幕坐标后，存在靠近雷达站的回波数据密集，而远离雷达站的回波数据稀疏，远端存在屏幕死点的可能。如何提高坐标转化的速度，避免重复点的绘制，同时保证屏幕无死点存在，是实时回波绘制技术的第二个难点。此外，雷达回波画面一般需要具有余辉消隐的能力，即随着时间的流逝，屏幕上回波点的颜色不断消退，最终消失，且衰减的效果要自然流畅，人眼不能看出明显的跳变。这就需要每秒对所有屏幕点进行20次以上衰减计算，同样会带来大量的计算和读写屏幕操作，这是实时回波绘制技术的第三个难点。

虽然在传统雷达研究领域也有针对回波绘制方法的研究，但由于传统雷达转速相对较低，一般在20转/分钟之下，而机场场面监视雷达的转速高达60转/分钟，回波数据量大，传统的回波绘制方法往往难以满足机场场面监视雷达的显示需求。此外，为了方便用户观测目标，机场场面监视雷达的回波绘制方法还应具有长余辉消隐的能力，并具备对缩放漫游等基本下显示干预操作的支持，具备对雷达凝聚目标信息及其他辅助信息的叠加显示能力。在这些前提之下，还应保证雷达回波画面的平滑流畅，屏幕上不存在死点，且不依赖于特殊型号显卡的支持。

发明内容

针对现有民用机场的场面监视雷达在高转速、大容量的回波数据下的回波画面难以实时绘制的上述技术难题，本发明提供一种用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，其具体的步骤如下：

用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，包括PCI-E采集卡1、显示绘制装置2和人机输入装置3；其中，人机输入装置3的信号输出端分别与PCI-E采集卡1的信号输入端、显示绘制装置2的信号输入端相连接，PCI-E采集卡1的信号输出端与显示绘制装置2的信号输入端相连接；此外，PCI-E采集卡1与显示绘制装置2之间串联有一个数据存储模块4，显示绘制装置2外接显示器；并按如下的步骤进行：

步骤一：启动显示绘制装置2与PCI-E采集卡1，并分别对显示绘制装置2与PCI-E采集卡1进行初始化：

步骤二：显示绘制装置2等待信号输入，并根据信号类型进行后续处理，具体为：

如果是PCI-E采集卡1产生的触发信号，则进入步骤三；如果是人机输入装置3输入中心点坐标及缩放比例值，进入步骤四；如果是余辉消隐时钟产生的超时信号，则进入步骤五；如果是翻屏时钟产生的超时信号，则进入步骤六；如果是人机输入装置3输入的终止信号，则进入步骤七；

步骤三：绘制回波信号；

显示绘制装置2对预处理后的回波数据进行计算处理和绘制显示包括：对每个预处理后的回波数据包中的每个回波强度信息，首先，根据重复点剔除表依次判断每个回波强度信息所对应的屏幕坐标是否是重复点：如果是，则说明不用绘制，直接跳过；否则，使用三角函数对应表实现极坐标到屏幕坐标的转换；最后，在回波位面上对应的屏幕点位置绘制回波，同时，更新屏幕色彩记录表中记录的该点的屏幕色彩；

步骤四：调整需要进行回波绘制的区域；

步骤五：余辉消隐处理；

显示绘制装置2周期性的对整个屏幕进行衰减操作，包括：显示绘制装置2锁定回波位面，然后，按照每行每列的顺序依次取回波区的每个像素点位置，查询屏幕色彩记录表，判断该像素点的色彩是否和背景色相同：如果相同，则直接跳过；否则，对该像素点的色彩进行指数衰减运算，更新屏幕色彩表中存储的该像素点的色彩，同时在回波位面的该像素点位置上绘制回波。最后解锁回波位面，完成一次余辉消隐处理。但对像素点色彩的衰减运算方式不限于指数衰减，使用其他衰减方式，如线性衰减等；

步骤六：翻屏处理；

步骤七：终止处理。

有益的技术效果

本发明所提供的场面监视雷达的实时回波的绘制方法能够满足机场场面监视雷达高转速的需求，实现雷达回波画面的实时绘制和余辉消隐效果，显示画面平滑流畅，且不依赖于特定显卡的支持。

人机输入装置通过接收用户的鼠标输入调整屏幕中心和缩放比例，从而实现了用户关注区域的调整，便于用户按照所需比例关注特定区域的回波画面，实现了良好的人机交互功能。

PCI-E采集卡接收回波数据包，并对其进行预处理，实现传入的回波数据包中的强度信息个数和雷达威力范围对应的屏幕像素点数相符，从而降低了显示绘制装置的计算量，提高了绘制速度。

显示绘制装置通过使用三角函数对应表、屏幕色彩记录表和重复点剔除表这三张表，降低了系统的计算量，避免了重复点的计算和绘制，减少了读取显存的时间消耗，从而加速了回波绘制的速度；同时，采用回波绘制和余辉消隐交替的调度方式，可以根据实际系统的负载能力调整余辉消隐的频率，从而在保证回波绘制速度的基础上，实现了平滑的余辉消隐效果。

现有的机场场面监视雷达主要采用光栅显示器做为雷达显示系统的主流显示器。采用该结构的设备可以提供丰富的显示内容和友好的人机界面，从而更好地满足了用户的需求，并适应了雷达技术的不断发展。但该设备在雷达回波显示方面存在严重的缺陷：由于雷达回波显示的计算量庞大，再加上余辉模拟的计算量，现有设备无法支持雷达的高速旋转——雷达转速越快就意味着倍速递增的数据需要处理。现阶段的雷达回波显示技术普遍可以良好的支持雷达10~20转/分钟的转速，提供连续稳定的回波显示和余辉绘制。但随着雷达技术的发展和用户需求的不断提高，机场场面监视雷达的转速已经提高到60转/分钟，传统的雷达回波显示技术已经不能适应这种高速大容量雷达回波显示的需求。为了提高雷达回波的绘制速度，张鹏等人采用OpenGL将整个圆分为多个等腰三角形进行渲染绘制（张鹏. 一种基于OpenGL的雷达回波显示方法 [J]. 舰船电子对抗，2011，34(3): 39-42），可以达到30转/分钟的速度，但仍不能满足机场场面监视雷达60转/分钟的需求；也有技术人员提出采用CUDA编程，通过显卡的并行化处理分担CPU的计算，模拟余辉绘制（谢永亮等. 基于CUDA技术模拟雷达余辉的方法 [J]. 微型机与应用，2011，30(8): 61-63, 66.），但这必须要使用NVIDIA系列显卡，且所选显卡必须要支持CUDA编程，且对开发人员的技术水平提高了要求。此外，上述两种方法都没有考虑用户改变屏幕中心和缩放比例后对回波绘制的影响。而本发明所提供的方法，可以满足机场场面监视雷达40～120转/分钟的高速大容量的雷达回波显示需求，同时支持余辉消隐，支持用户对屏幕中心和缩放比例的调整，显示画面清晰流畅，同时可以叠加显示地图、刻度线等辅助信息，对于显卡没有任何依赖，降低了设计成本与制造成本。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的流程框图。

图3为图2中绘制回波信号的流程图。

图4为图2中调整需要进行回波绘制的区域的流程图。

图5为图2中余辉消隐处理的流程图。

图6为图2中翻屏处理的流程图。

图中的序号为：PCI-E采集卡1、显示绘制装置2、人机输入装置3、数据存储模块4。

具体的实施方式

现结合附图详细说明本发明的技术特点。

参见图1，用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，包括PCI-E采集卡1、显示绘制装置2和人机输入装置3；其中，人机输入装置3的信号输出端分别与PCI-E采集卡1的信号输入端、显示绘制装置2的信号输入端相连接，PCI-E采集卡1的信号输出端与显示绘制装置2的信号输入端相连接；此外，PCI-E采集卡1与显示绘制装置2之间串联有一个数据存储模块4，显示绘制装置2外接显示器；PCI-E采集卡1所接收的由雷达传输来的每个回波数据包均包括一个方位信息和一组强度信息；方位信息均采用16384码进行编码处理；回波数据包内的强度信息依据距离雷达站的远近按由近到远的顺序排列，每个强度信息的取值范围在0至255之间；并按如下的步骤进行（参见图2）。

步骤一：启动显示绘制装置2与PCI-E采集卡1，并分别对显示绘制装置2与PCI-E采集卡1进行初始化：

对显示绘制装置2初始化操作包括：构建回波位面、三角函数对应表、屏幕色彩记录表和重复点剔除表，启动显示绘制装置2内的余辉消隐时钟和翻屏时钟；其中，回波位面，是基于DirectDraw技术创建的用于绘制回波的离屏表面(Off-screen Surface)；该回波位面驻留在显示绘制装置2的显存中；三角函数对应表，存放16384码中每个方位码对应的正弦和余弦值，用于避免重复的三角函数运算，提高绘制回波信号的处理速度；屏幕色彩记录表，存储回波显示区每个屏幕点对应的屏幕色彩，用于余辉消隐处理，避免读取显存中的回波位面引入的额外延迟，提高余辉消隐速度；重复点剔除表，记录每个16384码对应的回波数据包中的每个回波强度信息所对应的屏幕坐标是否和之前的码值中某个回波强度对应的屏幕坐标重复：如果重复，则置为1；否则，置为0；该表用于避免绘制重复点，提高回波的绘制速度；

余辉消隐时钟的周期为1～500ms，优选的余辉消隐周期为100ms；

翻屏时钟的周期为1～70ms，优选的翻屏周期为50ms；

对PCI-E采集卡1的初始化操作为：PCI-E采集卡1接收自雷达传入的回波数据，且根据雷达威力范围对应的屏幕像素点数对其进行采集卡的预处理，得到预处理后的回波数据包并放入数据存储模块4的缓冲区；每个雷达均有一个固定的“雷达威力范围”，单位是千米，且可以通过PCI-E采集卡1输入；所述的“雷达威力范围对应的屏幕像素点数”是一个值，客观上反映了当前的显示比例；比如：整个雷达的威力范围是8km，对应的屏幕像素点数是600个像素，也就意味着当前“雷达威力范围对应的屏幕像素点数”是600，此时的显示比例是75像素/km，当用户通过人机输入装置调整当前缩放比例值为2之后，此时的的显示比例为150像素/km之后，这就意味着，也就是整个雷达的威力范围8km，需要1200个像素才能完整显示，即当前“雷达威力范围对应的屏幕像素点数”是1200；

具体为，当雷达威力范围所对应显示绘制装置2的屏幕像素点数小于自雷达传入PCI-E采集卡1的强度信息的数量时，PCI-E采集卡1通过分段平均采样法对取得的强度信息进行采样；否则，PCI-E采集卡1通过线性插值法对取得的强度信息进行插值；即最终实现PCI-E采集卡1输出的预处理后的回波数据包中的强度信息个数和雷达威力范围对应的显示绘制装置2的屏幕像素点个数相同。

步骤二：显示绘制装置2等待信号输入，并根据信号类型进行后续处理，具体为：

如果是PCI-E采集卡1产生的触发信号，则进入步骤三；

如果是人机输入装置3输入中心点坐标及缩放比例值，进入步骤四；

如果是余辉消隐时钟产生的超时信号，则进入步骤五；

如果是翻屏时钟产生的超时信号，则进入步骤六；

如果是人机输入装置3输入的终止信号，则进入步骤七。

步骤三：绘制回波信号（参见图3）：

3.1、显示绘制装置2从数据存储模块4的缓冲区头部拾取一个预处理后的回波数据包；

3.2、显示绘制装置2从预处理后的回波数据包中按照距离雷达站由近到远的顺序取一个回波信号；

3.3、根据回波信号的方位信息和距离信息查询重复点剔除表，判断是否是重复点：如果该回波信号的方位信息和距离信息已记录在重复点剔除表上，则跳转回步骤3.2并读取下一个回波信号；反之，进入步骤3.4；

3.4、显示绘制装置2根据三角函数对应表计算该回波信号的屏幕坐标；

3.5、显示绘制装置2根据该回波信号的回波强度信息和屏幕坐标信息更新屏幕色彩对应表中的相应表项；

3.6、显示绘制装置2根据该回波信号的回波强度信息和屏幕坐标信息，在回波位面的对应位置绘制该回波信号；

3.7、显示绘制装置2判断此时是否该预处理后的回波数据包中的所有回波信号是否都已经完成处理：如果是，则转入步骤3.8；否则，跳转到步骤3.2；

3.8、显示绘制装置2判断此时数据存储模块4的缓冲区是否为空：如果是，则跳转到步骤二；否则，跳转到步骤3.1。

步骤四：调整需要进行回波绘制的区域（参见图4）：

4.1、通过人机输入装置3接收终端用户的鼠标数据，进行输入解析处理，生成当前显示器中的屏幕中心坐标位置和雷达威力范围对应的屏幕像素点数，并分发给PCI-E采集卡1和显示绘制装置2；如人机输入装置3未接收到终端用户的鼠标数据，则不进行本步骤；

4.2、PCI-E采集卡1接收到雷达威力范围对应的屏幕像素点数后，对应调整需要进行预处理的数据范围；

4.3、显示绘制装置2接收到雷达威力范围对应的屏幕像素点数和屏幕中心坐标位置后，对应地调整系统自身参数，并重新计算重复点剔除表；系统自身的数据预处理参数包括屏幕的缩放比例、屏幕中心的坐标位置和雷达威力范围对应的屏幕像素点数；

4.4、转入步骤3进行更新后的回波信号绘制；

本步骤主要是解决回波绘制区域的调整问题：因为刚启动本装置时，雷达处于屏幕中心，雷达威力范围刚好覆盖到显示屏幕的上下边缘，即当前回波绘制区域为以屏幕中心为圆心，以屏幕高度的一半为半径的一个圆；而当用户通过人机输入装置3修改缩放比例值时，例如改为放大一倍之后，此时，可以想象为以屏幕中心为圆心，以屏幕的高度为半径的一个圆，此时，明显圆已经超出了屏幕的范围，我们需要绘制回波的区域就是这个圆和屏幕的交集，超出屏幕的部分不用绘制。

步骤五：余辉消隐处理（参见图5）：

5.1、显示绘制装置2判断是否存在余辉消隐信号；如存在，则锁定回波位面，避免并发修改；反之，继续保持等待信号的状态；

5.2、显示绘制装置2按照每行每列的顺序依次取回波区的每个像素点位置；

5.3、显示绘制装置2按照该像素点的位置信息，查询屏幕色彩记录表，判断该像素点的色彩是否和背景色相同：如果相同，则继续进入步骤5.2；否则，跳转到步骤5.4；

5.4、显示绘制装置2对该像素点的色彩进行指数衰减运算；

5.5、显示绘制装置2更新屏幕色彩表中存储的该像素点的色彩；

5.6、显示绘制装置2在回波位面的该像素点位置上绘制回波；

5.7、显示绘制装置2判断是否有尚未处理的像素点位置：如果有，则跳转回步骤5.2；否则，继续进入步骤5.8；

5.8、显示绘制装置2解锁回波位面，跳转到步骤二继续等待信号输入。

步骤六：翻屏处理（参见图6）：

6.1、显示绘制装置2判断是否存在翻屏信号；如存在，则锁定回波位面，避免并发修改；反之，继续保持等待信号的状态；

6.2、显示绘制装置2将回波位面的内容拷贝到离屏位面上；

6.3、显示绘制装置2解锁回波位面；

6.4、显示绘制装置2将绘制了雷达目标信息和其他辅助信息的位面也叠加到离屏位面上；所述的其他辅助信息特指机场进行场面监控时所需要辅助地标信息，包括刻度线信息、地图信息和用户标绘信息；

6.5、显示绘制装置2将离屏位面的内容通过块拷贝的方式传到主位面上并通过显示绘制装置2显示；随后跳转到步骤二继续等待信号输入；所述的主位面是DirectDraw技术中用来表示显卡当前正在被光栅化并显示的真实画面缓存。。

步骤七：终止处理：

7.1、显示绘制装置2判断是否有终止信号，如有，则释放占用的所有资源，结束显示绘制装置2的处理流程；反之，继续保持等待信号的状态。

Claims (5)

1.用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，包括PCI-E采集卡(1)、显示绘制装置(2)和人机输入装置(3)；其中，人机输入装置(3)的信号输出端分别与PCI-E采集卡(1)的信号输入端、显示绘制装置(2)的信号输入端相连接，PCI-E采集卡(1)的信号输出端与显示绘制装置(2)的信号输入端相连接；此外，PCI-E采集卡(1)与显示绘制装置(2)之间串联有一个数据存储模块(4)，显示绘制装置(2)外接显示器；其特征在于；按如下的步骤进行：

步骤一：启动显示绘制装置(2)与PCI-E采集卡(1)，并分别对显示绘制装置(2)与PCI-E采集卡(1)进行初始化：

步骤二：显示绘制装置(2)等待信号输入，并根据信号类型进行后续处理，具体为：

如果是PCI-E采集卡(1)产生的触发信号，则进入步骤三；如果是人机输入装置(3)输入中心点坐标及缩放比例值，进入步骤四；如果是余辉消隐时钟产生的超时信号，则进入步骤五；如果是翻屏时钟产生的超时信号，则进入步骤六；如果是人机输入装置(3)输入的终止信号，则进入步骤七；

步骤三：绘制回波信号，完成本步骤后返回步骤二；

步骤四：调整需要进行回波绘制的区域，完成本步骤后返回步骤二；

步骤五：余辉消隐处理，完成本步骤后返回步骤二；

步骤六：翻屏处理，完成本步骤后返回步骤二；

步骤七：终止处理；

所述PCI-E采集卡(1)的初始化操作为：当雷达威力范围所对应显示绘制装置(2)的屏幕像素点数小于自雷达传入PCI-E采集卡(1)的强度信息的数量时，PCI-E采集卡(1)通过分段平均采样法对取得的强度信息进行采样；否则，PCI-E采集卡(1)通过线性插值法对取得的强度信息进行插值；即最终实现PCI-E采集卡(1)输出的预处理后的回波数据包中的强度信息个数和雷达威力范围对应的显示绘制装置(2)的屏幕像素点个数相同。

2.如权利要求1所述的用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，其特征在于，PCI-E采集卡(1)所接收的由雷达传输来的每个回波数据包均包括一个方位信息和一组强度信息；方位信息按16384码进行编码处理；回波数据包内的强度信息依据距离雷达站的远近按由近到远的顺序排列，每个强度信息的取值范围在0至255之间。

3.如权利要求1所述的用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，其特征在于，对显示绘制装置(2)初始化操作包括：构建回波位面、三角函数对应表、屏幕色彩记录表和重复点剔除表，启动显示绘制装置(2)内的余辉消隐时钟和翻屏时钟；其中，回波位面，用于绘制回波画面；该回波位面驻留在显示绘制装置(2)的显存中；三角函数对应表，存放16384码中每个方位码对应的正弦和余弦值，用于避免重复的三角函数运算，提高绘制回波信号的处理速度；屏幕色彩记录表，存储回波显示区每个屏幕点对应的屏幕色彩，用于余辉消隐处理，避免读取显存中的回波位面引入的额外延迟，提高余辉消隐速度；重复点剔除表，记录每个16384码对应的回波数据包中的每个回波强度信息所对应的屏幕坐标是否和之前的码值中某个回波强度对应的屏幕坐标重复：如果重复，则置为1；否则，置为0；该表用于避免绘制重复点，提高回波的绘制速度。

4.如权利要求1所述的用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，其特征在于，显示绘制装置(2)对预处理后的回波数据进行计算处理和绘制显示包括：对每个预处理后的回波数据包中的每个回波强度信息，首先，根据重复点剔除表依次判断每个回波强度信息所对应的屏幕坐标是否是重复点：如果是，则说明不用绘制，直接跳过；否则，使用三角函数对应表实现极坐标到屏幕坐标的转换；最后，在回波位面上对应的屏幕点位置绘制回波，同时，更新屏幕色彩记录表中记录的该点的屏幕色彩。

5.如权利要求1所述的用于场面监视雷达的实时回波的绘制方法，其特征在于，显示绘制装置(2)周期性的对整个屏幕进行衰减操作，包括：显示绘制装置(2)锁定回波位面，然后，按照每行每列的顺序依次取回波区的每个像素点位置，查询屏幕色彩记录表，判断该像素点的色彩是否和背景色相同：如果相同，则直接跳过；否则，对该像素点的色彩进行指数衰减运算，更新屏幕色彩表中存储的该像素点的色彩，同时在回波位面的该像素点位置上绘制回波；最后解锁回波位面，完成一次余辉消隐处理。