CN105699951A - 基于dem数据叠加的航海雷达回波模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航海雷达的回波模拟系统，具体是一种基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法。本发明的方法是：A、读取目标区域的电子海图数据，将等高线存储为链表形式，将导控中心给出的位置信息存储到雷达模拟器，同时转存到GPU常量寄存器；将该区域DEM数据存储到GPU纹理缓冲器；B、调用微软开发库中的设置定时器函数；C、响应定时器消息；生成用户层数据，进行雷达标绘。本发明能够提高航海雷达模拟器处理速度、提高模拟雷达回波仿真精度。

Description

基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法

技术领域

本发明涉及航海雷达的回波模拟系统，具体是一种基于DEM(DigitalElevationModel，数字高程模型)数据叠加的航海雷达回波模拟方法。

背景技术

STCW公约(TheInternationalConventiononStandardsofTraining，CertificationandWatchkeepingforSeafarers，海员培训、发证和值班标准国际公约)是对航海模拟器的发展影响最深的公约之一。自2012年起，STCW要求研发全功能模拟器的航海模拟器。目标回波真实感差是航海雷达模拟器存在的主要问题，传统的航海雷达回波仿真是从二维电子海图叠加雷达图像。丛琳等人(丛琳,任鸿翔,刘彤等.航海雷达模拟器中真实感雷达图像的仿真[J].中国航海,2011,34(4):5-8.)根据雷达电磁波直线传播与电子海图岸线交点设计了遮挡判断方法，能确定目标之间的遮挡以及不完全遮挡的关系。王胜正等(王胜正,黄玉贵.基于电子海图的真实感航海雷达图像仿真方法[J].计算机应用,2014,34(10):3024-3028.)利用有限个扇形带状、不规则纹理渲染回波图像改进传统基于像素单元的雷达图像仿真。Balz，ZhangFan等人首先提出利用GPU(GraphicsProcessingUint,图形处理单元)对合成孔径雷达的回波进行图像处理，提高回波绘制效率。在电子海图上，由于存在纬度渐长现象，即纬度长度随纬度升高而逐渐增长，从而使纬度间隔相等的纬线间距离不相等。传统航海雷达模拟器真实感差主要体现在：1)带状连通的回波替换扫描线上的像素点阵后，雷达模拟器图像生成原理与真实雷达扫描工作原理相符，但是未考虑纬度渐长率的影响，回波纹理贴图失真；2)采用二维的海图岸线数据，丢掉真实场景中回波的高程信息，并且只采用岸线数据也不能体现显示陆地上的回波；3)增加雷达回波数据分辨率、或量程增大时由于雷达图像绘制效率不高，导致雷达图像叠加非实时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高航海雷达模拟器处理速度、提高模拟雷达回波仿真精度的基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法。

本发明基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法是：

A、读取目标区域的电子海图数据，将等高线存储为链表形式，将导控中心给出的经纬度边界、本船信息、雷达参数存储到雷达模拟器，同时将经纬度边界、本船信息、雷达参数转存到GPU常量寄存器；将该区域DEM数据存储到GPU纹理缓冲器；

B、调用微软开发库中的设置定时器函数；

C、响应定时器消息；在CPU中生成包含固定目标回波、杂波及运动目标数据的底层回波数据；在GPU中利用DEM数据修正底层回波数据，生成用户层数据，进行雷达标绘。

所述步骤A中，读取电子海图中的数据并以链表的格式存储成为等高线数据，链表结构包括：等高线高程，类型，采样点数，等高线点数据；将DEM数据转换为深度为24位的RGB模式的位图，然后将彩色位图转化为灰度图，用灰度值表示高程，灰度图直接存储到GPU纹理缓冲器。

所述步骤C具体包括以下步骤：

C1、设置视口与投影变换函数；使用OpenGL的视口函数设置视口大小，即雷达模拟器屏幕的宽度与高度，单位为像素；使用投影变换函数对屏幕二维裁剪，即确定多少个像素表示坐标系中的1海里，雷达量程fRange，单位为海里；

C2、回波生成；将扫描扇形分割成圆心角为1°的扇形，通过聚合、连通步骤提高回波绘制效率；所述聚合步骤为：1°扫描扇形在圆心角上分割成M个小扇形，小扇形的两条弦与等高线求交点得到遮挡后回波的起点和终点，每条弦长N等分，按照顺时针方向，由圆心到圆弧搜索当前分辨单元△R为中心的8邻域的小扇形间扇形区域，形成带状回波，多个带状区域消除边界连接聚合；所述连通步骤为：在扫描扇形区域内，得到多个聚合的四边形的区域，在相邻方位和相邻距离的分辨单元上找出凸出的四个顶点，并且四边形尽可能多的包含所有聚合的带状区域，以减少绘制回波四边形的数量；回波以线性链表表示，四边形顶点数据结构包括：四边形点数据、高程值、回波类型；

C3、绘制回波多边形；利用OpenGL的双缓存结构，显示的是前一时刻的扫描扇形回波，在FBO中计算当前时刻场景生成画面，双缓存交替显示形成回波动态扫描的结果；

C4、调用OpenGL的读取像素函数；从计算机的显卡内存中读取场景的颜色值并保存到纹理缓冲器；读取当前时刻绘出的回波，即截取屏幕的宽度和高度，数据格式与类型，存储到GPU纹理缓冲器；

C5、回波修正；本船位置O由导控中心传入数据实时更新，直角坐标系为该点的切平面，在雷达量程范围内，雷达回波(x_e,y_e)与DEM的某一小块区域重合；纹理缓冲器中DEM回波图像的地理坐标在屏幕坐标上投影f(K,L)，这幅图像的宽和高分别为K和L，裁剪为长方形，量程对应的回波像素点m×n，DEM对应回波图的范围左上角坐标右下角回波图左上角坐标(x_L,y_L)，右下角坐标(x_R,y_R)，本船DEM坐标本船回波图坐标(x₀,y₀)，在横轴和纵轴两个方向上计算两幅图的坐标映射，回波图与DEM在GPU片断中处理时坐标线性映射关系按照以下(1)式，

由于纬度渐长率的影响，DEM数据纵轴每一个像素点代表的地理距离随纬度增加而递增，待修正的回波图在纵轴方向上等像素分割为Num个矩形区域，按照(1)式的方法消除纬度渐长率的影响；

(1)式中：

用DEM数据对回波修正的准则：1)DEM无回波数据的像素点，雷达只有扫描到标记的人工建筑才能产生回波；2)DEM与雷达都存在回波的像素点，用DEM的灰度值乘以回波值修正；3)DEM有回波数据而雷达无回波，用DEM的像素点修饰雷达回波的轮廓边界；滤波后雷达回波图由原来的多个不规则的四边形的二值图，修正为用灰度值填充的雷达回波图，灰度值越大，高程越高；

C6、绘制雷达回波图像；航海雷达模拟器的不同工作模式通过对回波纹理坐标旋转实现；雷达模拟器的量程改变通过步骤C1中设定的量程值fRange实现，改变回波纹理坐标的缩放因子；

C7、生成用户层数据，进行雷达标绘；在步骤C6后，雷达底层数据绘制完毕，通过模拟器鼠标与键盘操作完成目标录取及跟踪。

本发明在传统的利用扫描扇形与海图求交得到回波图像多边形点数据的基础上，提出了多边形数量的简化方法，完成了传统雷达模拟器扫描像素点到扇形带状回波的转换。通过叠加港口DEM高程信息对规则的回波图像修正，提高雷达图像仿真精度，获得更加真实的雷达回波模拟图像，完成了一种基于OpenGL实时生成回波和GPU编程进行回波修正的雷达模拟器。仿真过程符合真实的雷达回波形成原理，能够满足STCW中航海模拟器真实感的要求，该方法能够为雷达性能测试、航海军事仿真以及航海培训还原真实的情景。其具体优点体现在：

1)基于OpenGL(OpenGraphicsLibrary,开放图形库)和传统的扫描扇形与二维电子海图等高线求交点生成回波四边形阵列，通过聚合、连通算法减少四边形数量，绘制速度很快；

2)生成回波场景的扇形圆心角与扫描线上的分辨距离个数决定了雷达回波数据的方位量化数和距离量化数，通过增加分辨单元数量，提高雷达回波的分辨率；

3)利用同一港口的DEM高程信息在GPU中并行计算进行回波修正，保留了岸线轮廓细节，保证回波仿真的实时性，DEM数据在纬度上分割区域处理消除了纬度渐长率的影响。

附图说明

图1是本发明方法的基本原理图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是本发明方法中聚合、连通算法示意图；

图4是本发明方法中回波修正示意图。

具体实施方式

本发明是有实施例的基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法，包括以下步骤：

A、读取某港口的海图数据，将该区域DEM数据存储到GPU纹理缓冲器，雷达参数、DEM的经纬度范围、本船位置存储到雷达模拟器，同时将位置信息转存到GPU常量寄存器。本发明能读取电子海图中的数据并以链表的格式存储成为等高线数据，链表结构包括：等高线高程，类型，采样点数，等高线点数据。该区域的DEM数据可以提取大量的地表形态信息，首先用GlobalMapper打开DEM数据并转换为深度为24位的RGB模式的位图，然后利用matlab将彩色位图转化为灰度图，用灰度值表示高程，灰度图直接存储到GPU纹理缓冲器。

B、调用微软开发库中的设置定时器函数。调用函数SetTimer(nIDEvent,nElapse)，nIDEvent是定时器标号，参数nElapse为定时间隔，单位为毫秒，代表扫描扇形占用的时间。

C、响应定时器消息。

C1、设置视口与投影变换函数。使用OpenGL的视口函数glViewport(GLintx,GLinty,GLsizeiwidth,GLsizeiheight)设置视口大小，参数x，y是屏幕的左下角坐标，width，height是雷达模拟器屏幕的宽度与高度，单位为像素，屏幕宽高比aspect等于width/height，雷达量程为fRange海里。使用投影变换函数gluOrtho2D(GLdoubleleft,GLdoubleright,GLdoublebottom,GLdoubletop)对屏幕二维裁剪，gluOrtho2D等于定义了比例尺，确定了多少个像素表示坐标系中的1海里，参数left，right，bottom，top分别代表了屏幕投影的左、右、底部与顶部，参数设置gluOrtho2D(-fRange*aspect,fRange*aspect,-fRange,fRange)，表示在横轴与纵轴方向上都用height/2个像素代表雷达量程fRange。

C2、回波生成。现代的航海雷达的水平波束宽度一般在2°以内，将扫描扇形分割成圆心角为1°的扇形，传统的算法扫描线与海图等高线的交点产生回波区域，雷达分辨率高或量程设置较大时需要简化以提高绘制效率，简化四边形回波数量的方法共分为两个步骤，即聚合、连通，如图3所示。聚合：1°扫描扇形分割成M个小扇形，小扇形的两条弦与等高线求交点得到遮挡后回波的起点和终点，如图3左图阴影部分表示该分辨单元有回波，每条弦长N等分，按照顺时针方向，由圆心到圆弧搜索当前分辨单元△R为中心的8邻域的小扇形间扇形区域阴影部分，形成带状回波，多个带状区域消除边界连接聚合。通过调节M，N的大小改变分辨单元数量，进而调节雷达回波数据的分辨率。连通：在扫描扇形区域内，得到多个聚合的四边形的区域，在相邻方位和相邻距离的分辨单元上找出凸出的四个顶点，并且四边形尽可能多的包含所有聚合的带状区域，以减少绘制回波四边形的数量。如图3右图所示，连通带状区域用四边形表示，四边形ABCD，四边形EFGH。回波以线性链表表示，四边形顶点数据结构包括，四边形点数据，高程值，回波类型如陆地、湖河、人造建筑。

C3、绘制回波多边形。利用OpenGL的双缓存结构，显示的是前一时刻的扫描扇形回波，在FBO中计算当前时刻场景生成画面，双缓存交替显示形成回波动态扫描的结果。

C4、调用OpenGL的读取像素函数。从计算机的显卡内存中读取场景的颜色值并保存到纹理缓冲器。使用OpenGL函数glReadPixels(GLintx,GLinty,GLsizeiwidth,GLsizeiheight,GLenumformat,GLenumtype,GLvoid*pixels)读取当前时刻绘出的回波，并存储到GPU纹理缓冲器。x，y表示要截取屏幕像素的起始点，参数width，height，format，type代表截取的宽度和高度数据格式与类型，并存储到pixels所指向的内存中。

C5、回波修正。本船位置O由导控中心传入数据实时更新，直角坐标系为该点的切平面，在雷达量程范围内，航海雷达量程一般不超过96海里，高斯-克吕格投影与雷达回波近似处于同一坐标系，此时，雷达回波(x_e,y_e)与DEM的某一小块区域重合，如图4所示。纹理缓冲器中DEM回波图像的地理坐标在屏幕坐标上投影f(K,L)，这幅图像的宽和高分别为K和L，裁剪为长方形，量程对应的回波像素点m×n，DEM对应回波图的范围左上角坐标右下角回波图左上角坐标(x_L,y_L)，右下角坐标(x_R,y_R)，本船DEM坐标本船回波图坐标(x₀,y₀)，在横轴和纵轴两个方向上计算两幅图的坐标映射，回波图与DEM在GPU片断中处理时坐标线性映射关系，见(1)式。由于纬度渐长率的影响，DEM数据纵轴每一个像素点代表的地理距离随纬度增加而递增，待修正的回波图在纵轴方向上等像素分割为Num个矩形区域，按照(1)式的方法消除纬度渐长率的影响。以Num＝2为例，以本船位置为中心，将回波层数据分割成上下两部分，坐标线性映射关系与(1)式相似，只需要将(x_R,y_R)换为(x_L,y_L)，同时换为即可。矩形区域分割数Num越大，DEM数据修正的纬度越精确，但是为了保证计算速度，一般1≤Num≤10。

其中：

用DEM数据对回波修正的准则：1)DEM无回波数据的像素点，雷达只有扫描到标记的人工建筑才能产生回波；2)DEM与雷达都存在回波的像素点，用DEM的灰度值乘以回波值修正；3)DEM有回波数据而雷达无回波，用DEM的像素点修饰雷达回波的轮廓边界；滤波后雷达回波图由原来的多个不规则的四边形的二值图，修正为用灰度值填充的雷达回波图，灰度值越大，高程越高。

C6、绘制雷达回波图像。航海雷达模拟器的不同工作模式如，船艏向上、船艉向上和真北向上等。模式为船艏向上时，需要对回波纹理坐标旋转，调用函数glRotatef(RotAngle,x,y,z)实现，RotAngle是航向角，单位为度，旋转的坐标轴(x,y,z)采用(0,0,1)，即回波绕屏幕中心逆时针旋转角度RotAngle，保证航艏向上。步骤C1中的雷达量程fRange等于纹理贴图的缩放因子scalex，scaley，纹理坐标用glTexCoord2f(x,y)表示，用函数glBegin(GL_QUADS)绘制四边形，四边形顶点坐标glVertex2f(x,y)。

C7、生成用户层数据，进行雷达标绘。用户层数据屏幕上一个像素点代表一个单位距离，重新对屏幕投影变换二维裁剪，参数设置gluOrtho2D(0,width,height,0)，屏幕像素坐标左上角(0,0)，水平方向向右为正值，垂直方向向下为正值，因此，纵轴与笛卡尔坐标系相反，(0,height)应该反向设置。在步骤C6后，雷达底层数据绘制完毕，用户通过模拟器鼠标与键盘操作完成目标录取及跟踪，实现ARPA(AutomaticRadarPlottingAids，自动雷达标绘仪)、偏心和放大等全功能模拟器。

Claims (3)

1.一种基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法，其特征是：

A、读目标区域的电子海图数据，将等高线存储为链表形式，将导控中心给出的经纬度边界、本船信息、雷达参数存储到雷达模拟器，同时将经纬度边界、本船信息、雷达参数转存到GPU常量寄存器；将该区域DEM数据存储到GPU纹理缓冲器；

B、调用微软开发库中的设置定时器函数；

C、响应定时器消息。在CPU中生成包含固定目标回波、杂波及运动目标数据的底层回波数据；在GPU中利用DEM数据修正底层回波数据，生成用户层数据，进行雷达标绘。

2.根据权利要求1所述的基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法，其特征是：所述步骤A中，读取电子海图中的数据并以链表的格式存储成为等高线数据，链表结构包括：等高线高程，类型，采样点数，等高线点数据；将DEM数据并转换为深度为24位的RGB模式的位图，然后将彩色位图转化为灰度图，用灰度值表示高程，灰度图直接存储到GPU纹理缓冲器。

3.根据权利要求2所述的基于DEM数据叠加的航海雷达回波模拟方法，其特征是：所述步骤C具体包括以下步骤：

C1、设置视口与投影变换函数；使用OpenGL的视口函数设置视口大小，即雷达模拟器屏幕的宽度与高度，单位为像素；使用投影变换函数对屏幕二维裁剪，即确定多少个像素表示坐标系中的1海里，雷达量程fRange，单位为海里；

C2、回波生成；将扫描扇形分割成圆心角为1°的扇形，通过聚合、连通步骤提高回波绘制效率；所述聚合步骤为：1°扫描扇形在圆心角上分割成M个小扇形，小扇形的两条弦与等高线求交点得到遮挡后回波的起点和终点，每条弦长N等分，按照顺时针方向，由圆心到圆弧搜索当前分辨单元△R为中心的8邻域的小扇形间扇形区域，形成带状回波，多个带状区域消除边界连接聚合；所述连通步骤为：在扫描扇形区域内，得到多个聚合的四边形的区域，在相邻方位和相邻距离的分辨单元上找出凸出的四个顶点，并且四边形尽可能多的包含所有聚合的带状区域，以减少绘制回波四边形的数量；回波以线性链表表示，四边形顶点数据结构包括：四边形点数据、高程值、回波类型；

C3、绘制回波多边形；利用OpenGL的双缓存结构，显示的是前一时刻的扫描扇形回波，在FBO中计算当前时刻场景生成画面，双缓存交替显示形成回波动态扫描的结果；

C4、调用OpenGL的读取像素函数；从计算机的显卡内存中读取场景的颜色值并保存到纹理缓冲器；读取当前时刻绘出的回波，即截取屏幕的宽度和高度,数据格式与类型，存储到GPU纹理缓冲器；

C5、回波修正；本船位置O由导控中心传入数据实时更新，直角坐标系为该点的切平面，在雷达量程范围内，雷达回波(x_e,y_e)与DEM的某一小块区域重合；纹理缓冲器中DEM回波图像的地理坐标在屏幕坐标上投影f(K,L)，这幅图像的宽和高分别为K和L，裁剪为长方形，量程对应的回波像素点m×n，DEM对应回波图的范围左上角坐标右下角回波图左上角坐标(x_L,y_L)，右下角坐标(x_R,y_R)，本船DEM坐标本船回波图坐标(x₀,y₀)，在横轴和纵轴两个方向上计算两幅图的坐标映射，回波图与DEM在GPU片断中处理时坐标线性映射关系按照以下(1)式，

由于纬度渐长率的影响，DEM数据纵轴每一个像素点代表的地理距离随纬度增加而递增，待修正的回波图在纵轴方向上等像素分割为Num个矩形区域，按照(1)式的方法消除纬度渐长率的影响；

(1)式中：

用DEM数据对回波修正的准则：1)DEM无回波数据的像素点，雷达只有扫描到标记的人工建筑才能产生回波；2)DEM与雷达都存在回波的像素点，用DEM的灰度值乘以回波值修正；3)DEM有回波数据而雷达无回波，用DEM的像素点修饰雷达回波的轮廓边界；滤波后雷达回波图由原来的多个不规则的四边形的二值图，修正为用灰度值填充的雷达回波图，灰度值越大，高程越高；

C6、绘制雷达回波图像；航海雷达模拟器的不同工作模式通过对回波纹理坐标旋转实现；雷达模拟器的量程改变通过步骤C1中设定的量程值fRange实现，改变回波纹理坐标的缩放因子；

C7、生成用户层数据，进行雷达标绘；在步骤C6后，雷达底层数据绘制完毕，通过模拟器鼠标与键盘操作完成目标录取及跟踪。