CN105334498A - 一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法：包括步骤一，高程信息的坐标转换；步骤二，相对雷达波束的坡度计算；步骤三，地物杂波强度计算步骤；步骤四，地物显示步骤；本发明利用地理高程信息，通过相关算法快速计算出所需的雷达地物回波用于地物显示，能够适用于舰载、岸基等多平台雷达，可用于雷达实装或模拟训练设备中，使雷达实装训练装置快速产生逼真的并能被实装识别的地物回波，同时也可使雷达模拟训练设备自身生成出与实际一致的地物回波。

Description

一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法。

背景技术

地物回波是雷达显示的重要数据，传统的雷达实装或模拟训练设备地物产生方法生成的地物回波存在不能随雷达平台运动而变化，回波强度逼真度不高，产生回波的地域受限等问题，严重影响了雷达操作人员能力的提升，也使雷达实装或模拟训练设备的适用性大打折扣。

发明内容

现有技术难以满足人们的生产生活需要，针对上述问题，本发明旨在提供一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法，基于地理高程数据，当迎着雷达波束的照射有坡面时，就会有回波，坡度越大、坡的面积越大，回波越强。由于地理信息系统给出的是地理方格坐标，坡度信息是相对于雷达波束照射方向的，因此，首先需要将地理方格上的高度信息及坐标变换，变换成相对于雷达的极坐标，然后再在相对于雷达的射线上计算波度，根据坡度再计算雷达反射面积，进而计算出回波强度。最后，从数据库中调出基础地物回波真实数据，用计算的强度调制该数据并拼接成最终区域地物回波，送给雷达进行显示。

为实现该技术目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法：包括步骤一，高程信息的坐标转换；步骤二，相对雷达波束的坡度计算；步骤三，地物杂波强度计算步骤；步骤四，地物显示步骤；

S1.在步骤一中：将电子地图高程数据由直角坐标系转换到极坐标系：将电子地图高程数据以平台当前位置为中心，取a×a个数据点参与坐标变换，变换成极坐标的方位角共计a/4个，距离单元为a/2个，坐标变换按照下式计算：

$r=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2}$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}$

其中△x和△y为待变换的地理方格点相对于平台当前位置的坐标差；

S2.在步骤二中，计算极坐标系下的高程数据相对雷达波束的坡度：将每个距离位置处的高程数据变换成坡度数据，每个距离位置的坡度即是该距离处地面相对于水平面的夹角，对每个方位上的所有距离单元都需要计算其坡度值；其中，对一个方位的计算为：高程小于等于0的坡度为0；在视距外的地物坡度为0；被前面的地物遮挡的地物坡度为0，坡度计算公式为：

$\mathrm{\Ψ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ}h}{\mathrm{\Δ}x}$

其中，△h为相邻的两个距离单元的高程差，△r为相邻的两个距离单元的距离；

S3.在步骤三中，根据所述坡度计算地物回坡强度； $P_s-P_r\frac{G_p}{L_s},$ 其中G_p为坡度位置回波信号经过前端的各级功率放大增益，L_s为发射支路和接收支路的损耗，P_t为雷达发射的脉冲峰值功率，G为天线最大增益，λ为雷达中心工作波长，σ为坡度雷达截面积，R为坡度相对于雷达的距离，σ＝σ₀A，R为坡度位置与雷达间的距离，θ_a为雷达波束的水平宽度角，△h为该坡度位置处两个距离单元的高程差；F为传播因子，L_a为大气衰减因子。

S4.在步骤四中，采用极坐标方式计算不同坡度位置的回波强度，将极坐标下不同位置的回波强度映射成显示屏幕直角坐标下对应位置的灰度值，不同灰度值再进一步量化成对应的颜色，以此来显示地物回波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法，利用地理高程信息，通过相关算法快速计算出所需的雷达地物回波用于地物显示，能够适用于舰载、岸基等多平台雷达，可用于雷达实装或模拟训练设备中，使雷达实装训练装置快速产生逼真的并能被实装识别的地物回波，同时也可使雷达模拟训练设备自身生成出与实际一致的地物回波。在显示区域范围、显示逼真度、显示快速度等方面与传统方法相比有明显的提升。

附图说明

图1为本发明的高程信息由直角坐标变换到极坐标示意图；

图2为本发明的高程信息坐标变换流程图；

图3为本发明的高程变成程坡度的示意图；

图4为本发明的坐标转换示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅说明书附图1～4，本发明实施例中，一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法：包括步骤一，高程信息的坐标转换；步骤二，相对雷达波束的坡度计算；步骤三，地物杂波强度计算步骤；步骤四，地物显示步骤；

(一)高程信息的坐标转换

为了减少运算量，考虑到地物杂波不需要很高的分辨率，这里首先将电子地图高程数据的分辨率降低一倍，以平台当前位置为中心，经纬度各变换a/2个点，也就是说参与坐标变换的点为a×a。变换成极坐标的方位角共计a/4个，距离单元确定为a/2个。坐标变换按照下式计算：

$r=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}---\left(2\right)$

其中△x和△y为待变换的地理方格点相对于平台当前位置的坐标差。在变换时，为了避免频繁计算(1)和(2)式，须采用查表法进行计算。即事先计算好所有a个△x和a个△y对应的距离和方位结果，并将此结果量化成a/2个距离单元和a/4个方位单元。当对某一地理方格进行坐标变换时，首先计算该点相对于平台的△x和△y，然后由△x和△y的值直接查表，即可得到对应的方位和距离值，将该点的高程数据放入此方位、距离单元，就完成了坐标变换。直角坐标到极坐标的变换如图1所示。

编程时，可以先建立一个文件，存放的是a×a个由(1)、(2)计算的结果，对应的经度和纬度分辨率是高程数据分辨率的两倍。程序初始化时，先将该文件数据调入一个全局变量二维数组，该数组称为坐标变换表，行代表△x，列代表△y，此二维数据留作查表进行坐标变换。

在具体进行坐标变换时，流程如图2所示：

根据平台的坐标(xr，yr)，调取对应位置范围的高程图数据文件，并以便平台位置为中心，每隔一个点抽取一个高程数据，存放在一个a×a数组内，然后开辟一个a/4×a/2的极坐标高程数组，a/4代表方位，a/2代表距离；

取出高程数据内的每个高程数据，根据数据在数组中的位置，计算△x＝(i-(a/2-1))×分辨距离，△y＝(j-(a/2-1))×分辨距离，其中i,j:0-(a-1)。根据计算出的△x和△y，查坐标变换表，得到对应的方位和距离，并将高程数据放入极坐标高程数组中的对应单元。

(二)相对雷达波束的坡度计算

需要开辟一个与极坐标高程数组相同的数组，作为极坐标坡度数组。坡度数组内的数据全部置0。参见图3所示的雷达波束照射某一方位上的地物情况，为简单起见，认为雷达波束是水平的。此时，所有海平面的坡度为0，雷达处向远距离搜索，凡是负斜率的地方，由于波束照射不到，可以认为坡度为0。凡是被前一个高峰(高度小于前一个极大值的)遮挡的地方，由于波束照射不到，可以认为坡度为0。另外，对每个高程数据还要计算其是否会由于地球曲率已经处于地平线以下了，如果在视距外，坡度也为0。变换后的坡度图如图3所示。坡度计算的流程如下：

高程数组与坡度数组完全对应，坡度计算是将每个距离处的高程数据变换成坡度数据，某个距离位置的坡度即是该距离处地面相对于水平面的夹角。对每个方位上的所有距离单元都需要计算其坡度值。以下流程是针对一个方位进行计算的。基本原则是：高程小于等于0的即海平面的坡度为0；在视距外的地物坡度为0；被前面的地物遮挡的地物坡度为0(这一步实际上是随距离变化的高程曲线的极大值，距离由近变远的过程中，找出每一个波峰值)。坡度计算公式如(3)式所示。

$\mathrm{\Ψ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ}h}{\mathrm{\Δ}x}---\left(3\right)$

其中，△h为相邻的两个距离单元的高程差，△r相邻距离单元代表的距离。

(三)地物杂波强度计算

每个坡度位置对应在雷达波束上的投影面积为：

$A=\frac{1}{2}{\mathrm{R\θ}}_a\mathrm{\Δ}h---\left(4\right)$

其中，R为坡度位置与雷达间的距离，θ_a为雷达波束的水平宽度角，△h为该坡度位置处两个距离单元的高程差。

坡度的雷达反射面积为：

σ＝σ₀A(5)

地物杂波强度计算公式为：

P_r＝P_r0F⁴L_a ^-1(6)

其中P_r0在理想条件下雷达天线口面的接收功率，真正到达雷达天线口面的信号强度收到传播因子F和大气衰减L_a的影响。

$P_{r0}=\frac{P_t{G}^2{\mathrm{\λ}}^2\mathrm{\σ}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{R}^4}---\left(7\right)$

其中，P_t为雷达发射的脉冲峰值功率(W)，G为天线最大增益，λ为雷达中心工作波长(m)，σ为坡度雷达截面积(m²)，R为坡度相对于雷达的距离(m)。发射功率、天线增益、工作波长等都由雷达工作参数表给出。

模拟时，考虑到坡度位置回波信号产生后，要跨过雷达的接收支路，直接在后端注入给雷达的数据处理系统的，因此需要对计算出来的接收功率信号进行增益调整。设坡度位置回波信号经过前端的各级功率放大增益为G_p，同时将发射支路和接收支路的损耗L_s计入，得到信号功率为：

$P_s-P_r\frac{G_p}{L_s}---\left(8\right)$

(四)地物显示

雷达地物回波采用极坐标体制,以距离和方位(ρ,θ)表示回波位置,而显示器采用屏幕坐标系,以直角坐标(x,y)表示目标位置。如图4所示，极坐标转换成直角坐标基本关系如下。

为满足地物显示实时性的要求，可采用完全查表法来进行显示。完全查表法的主要思想是确定以方位角θ和距离ρ组成的极坐标地址空间与显示存储地址(x,y)的直角坐标地址空间的映射关系,并用查找表的方式反映这种映射关系,即(ρ,θ)为表的索引,(x,y)为表的内容。极坐标与对应直角坐标的关系变为地址与内容的映射关系。查找表的内容事先根据坐标转换基本原理经过高精度计算得到,个别位置如需修正,或者要做特殊处理时,可直接定义。

根据完全查表法的原理,整个坐标转换只需要做从存储器取数的操作,没有计算操作,具有极高的速度。完全查表法坐标之间的映射关系是点对点直接定义的,任意一点的显示位置可以事先经过高精度的计算,因此完全查表法同时具有极高的精度。

完全查表法中极坐标点到直角坐标点转换的过程实际上是映射的问题,由于量化采样的问题,显然这种映射不是一一对应的关系,即在距离扫描中心点较近的范围内,直角坐标系点与多个不同方位角的极坐标点对应,而在离扫描中心点较远的范围内,总是存在某些直角坐标点,没有采样到的极坐标点与之对应,因此,雷达扫描输出存在漏点现象。

为解决这些问题,对于在映射中的漏点,在不增加角密度的前提下,采取逆向计算。同时在不改变量化方式的前提下,对于重复的点,采用比较取大灰度值输出的方法解决回波信息丢失问题。逆向计算是对所有的屏幕直角坐标点计算与它对应的极坐标点(ρ′,θ′),而不是完全查表法中从极坐标到屏幕坐标的转换。计算所得的极坐标点(ρ′,θ′),寻找与之最近的采样点(ρ,θ),采用就近量化或插值的方法来得到该点灰度值,这种插值可以是线性的,也可以是非线性的。

虽然对于不同的显示半径和不同位置的视口,在远离雷达P显中心的区域,漏点的数目不同,但是对于视口显示区域中的点数是固定的,这样在获得视口在雷达扫描区域的位置和大小时,就可以对屏幕上所有点都获得一定灰度值,达到实时输出。当然,在PPI显漫游和改变量程的时候,视口在整个区域上的大小和位置是不断变换的,这样,3个三元组数据是动态变换的,通过对坐标转换关系的坐标平移,就可以得到新的坐标映射关系,然后对表中各个节点的灰度值重新赋值。这样,在不增加额外资源、不改变时序关系、不影响坐标转换实时速度的情况下,可以实现PPI显实时扫描显示。

采用完全查表法,主要在于将坐标映射关系预先存储于链表当中,便于实时查询,减少了在显示输出过程中的坐标转换时间。为了有效地减少查表法的存储量,可以利用直角坐标系中关于坐标轴以及象限平分线的对称性。只要预先计算阴影区域中的坐标转换对应关系,其他区域的坐标转换对应关系均可由该区域的坐标转换关系简单置换和倒向来获得。

采用这样的以时间换取空间的坐标转换方法,由于置换和倒向的计算仅仅增加了一些判断,时间的增加几乎可以忽略,但对于存储量的要求只是完全查表法的1/8,同时由于链表内容较少,查询效率反而大大提高。

对于本领域技术人员而言，然而本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法：包括步骤一，高程信息的坐标转换；步骤二，相对雷达波束的坡度计算；步骤三，地物杂波强度计算步骤；步骤四，地物显示步骤；其特征在于：

S1.在步骤一中：将电子地图高程数据由直角坐标系转换到极坐标系：将电子地图高程数据以平台当前位置为中心，取a×a个数据点参与坐标变换，变换成极坐标的方位角共计a/4个，距离单元为a/2个，坐标变换按照下式计算：

$r=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2}$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}$

其中△x和△y为待变换的地理方格点相对于平台当前位置的坐标差；

S2.在步骤二中，计算极坐标系下的高程数据相对雷达波束的坡度：将每个距离位置处的高程数据变换成坡度数据，每个距离位置的坡度即是该距离处地面相对于水平面的夹角，对每个方位上的所有距离单元都需要计算其坡度值；其中，对一个方位的计算为：高程小于等于0的坡度为0；在视距外的地物坡度为0；被前面的地物遮挡的地物坡度为0，坡度计算公式为：

$\mathrm{\Ψ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δ}h}{\mathrm{\Δ}x}$

其中，△h为相邻的两个距离单元的高程差，△r为相邻的两个距离单元的距离；

S3.在步骤三中，根据所述坡度计算地物回坡强度；其中G_p为坡度位置回波信号经过前端的各级功率放大增益，L_s为发射支路和接收支路的损耗，P_t为雷达发射的脉冲峰值功率，G为天线最大增益，λ为雷达中心工作波长，σ为坡度雷达截面积，R为坡度相对于雷达的距离，σ＝σ₀A，R为坡度位置与雷达间的距离，θ_a为雷达波束的水平宽度角，△h为该坡度位置处两个距离单元的高程差，F为传播因子，L_a为大气衰减因子。

S4.在步骤四中，采用极坐标方式计算不同坡度位置的回波强度，将极坐标下不同位置的回波强度映射成显示屏幕直角坐标下对应位置的灰度值，不同灰度值再进一步量化成对应的颜色，以此来显示地物回波。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多平台雷达的地物回波快速生成算法，其特征在于：优选为完全查表法来进行显示。