CN107329116A - 机载雷达三维运动场景显示方法 - Google Patents
机载雷达三维运动场景显示方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种机载雷达三维运动场景显示方法，主要解决现有三维运动场景显示设备存在的问题。其方法是：首先构造数字高程模型，再构造天空模型并旋转；对接收的雷达回波数据进行滤波后填充到数字高程模型中；计算数字高程模型中非参考平面点的坡度并根据坡度并完成地面纹理映射；对连通性判别后识别的点目标和线目标进行重构并绘制三维场景的水平侧视图和垂直俯视图；接收飞机状态信息并根据状态信息在三维场景中叠加数字仪表；随飞机运动重新获取雷达回波数据并对显示画面实时更新，完成三维运动场景的动态显示。本发明能真实的还原飞机前方障碍物信息，显示效果逼真，可用于高分辨率机载雷达。
Description
技术领域
本发明属于雷达显示领域，特别是一种根据雷达回波数据空间坐标完成三维运动场景显示的方法，可用于高分辨率机载雷达。
背景技术
机载雷达三维运动场景显示方法，可以完成飞机前方雷达扫描范围内地形地貌的实时重构和显示，为飞行员提供直观的障碍物信息，保障飞机飞行安全，同时能够完成一定区域的地形测绘。
随着计算机显示技术的发展，基于计算机显示技术的三维场景重构技术已广泛应用于游戏、虚拟现实等方面，但由于雷达技术的限制，传统的机载雷达天线扫描速度和分辨率较低，无法对飞机前方地形地貌进行有效的探测、扫描和显示。随着现代雷达技术的发展，机载雷达扫描速度和分辨率也不断提高，出现了一些具备高分辨率能力的机载雷达，如合成孔径雷达等，该类型雷达能在短时间完成飞机前方一定范围内的障碍物的空间立体扫描，回波由接收天线接收经数字信号处理算法处理，得到一组飞机前方障碍物空间立体分布数据，经三维场景显示重构技术处理后形成一帧三维场景显示画面进行显示。该三维场景显示画面随飞机运动姿态不断刷新变化，最终完成三维运动场景的动态显示。
现有的机载雷达显示方法显示画面多为二维，无法直观的反应飞机前方地形地貌的高度信息，威胁飞机飞行安全，也无法完成地形地貌的测绘。部分机载雷达显示方法虽具备三维显示能力，但为减少显示设备尺寸和重量，保障显示画面的实时性，普遍存在四方面的缺点：一是没有图形硬件，无法对三维显示画面进行硬件加速；二是采用不同高程地形单调着色方式进行渲染，渲染立体效果较弱；三是没有三维天空模型或通过将显示背景清除色设置为蓝色来简单模拟天空，该显示方法无法模拟现实天气变化，真实性较差；四是无法在三维运动场景中有效区分地形数据和点目标或线目标等数据，也不能对点目标和线目标进行模型重构和防撞告警，如对铁塔、电力线等均不能进行模型重构和防撞告警。
因此如何解决机载雷达显示方法三维运动场景显示问题是高分辨率机载雷达设计过程中急需解决的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种机载雷达三维运动场景显示方法，以通过对雷达回波数据的处理，生成逼真三维运动场景，同时模拟现实天气变化，对场景中的点目标和线目标进行模型重构和显示告警。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
1)根据机载雷达天线的扫描角度步进、扫描角度范围和雷达最大探测距离构建三维场景数字高程模型，初始化雷达回波数据并生成参考平面；
2)根据雷达最大探测距离构建三维天空模型并覆盖参考平面，通过旋转模拟天空；
3)接收雷达回波数据,并通过连通性判别识别出其中的地形数据、点目标数据和线目标数据，对地形数据进行平滑处理，并分离出地形数据中的非参考平面点，再用这些非参考平面点对三维场景数字高程模型中对应点的高程数据进行填充；
4)计算三维场景数字高程模型中每个非参考平面点的坡度，并根据坡度设置该点的颜色材料属性值，利用该颜色材料属性值和地面纹理贴图完成三维场景数字高程模型的地面纹理映射，生成有明暗变化的三维地形画面；
5)根据点目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建点目标模型，根据线目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建线目标模型，分别以字符形式指示点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，提示飞行员进行规避；
6)将三维地形画面上的点按照与飞机水平距离由近及远划分为9个区域并分别着色后，绘制在三维场景数字高程模型的水平侧视图和垂直俯视图中，以不同角度显示地形数据、点目标数据和线目标数据的空间分布状况；
7)接收飞机状态数据，根据状态数据绘制二维数字仪表，并将该数字仪表与三维地形画面、点目标模型、线目标模型、水平侧视图和垂直俯视图进行叠加显示，直观的向飞行员显示飞机的飞行状态；
8)重复步骤3)～步骤7)，随飞机运动实时更新显示画面，完成三维运动场景显示。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明通过利用三维场景数字高程模型中点的颜色材料属性值和地面纹理贴图完成地面纹理映射，能够在三维场景中不添加光照的情况下，生成具有明暗变化的三维地形画面，达到增强场景显示效果的目的；
2.本发明由于在三维场景中构建了三维天空模型，相对于没有三维天空模型的三维运动场景显示方法，能够通过加载不同的天空纹理映射来模拟现实天气变化，显著增强场景真实感；
3.本发明由于具有点目标数据和线目标数据重构功能，能够接收经连通性判别后识别的点目标数据和线目标数据，故可在三维运动场景中叠加显示对应点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，保障飞机飞行安全。
试验表明，本发明具有良好的三维运动场景显示效果。
附图说明
图1为本发明的使用场景图；
图2为本发明的三维天空模型示意图；
图3为本发明的实现流程图。
具体实施方式
参照图3，本发明的实现步骤如下：
步骤1，构建数字高程模型并初始化。
如图1所示，飞机在飞行过程中，机载雷达通过天线对飞机前方一定范围进行空间立体扫描，同时机载雷达产生的电磁脉冲经天线辐射出去，当遇到山体、电力线或铁塔等障碍物后反射回去并被天线接收，经过机载雷达前端采样量化后得到雷达回波数据，再通过连通性判别等处理后得到地形数据、点目标数据和线目标数据。
为了能够直观、真实的反应地形数据在三维场景中的空间分布状况，需要在空间直角坐标系中构建数字高程模型并初始化；为了简化数字高程模型的渲染，有效区分机载雷达天线扫描波束覆盖范围内的水平面和山体，需同时在空间直角坐标系中生成参考平面来模拟水平面，其实现步骤如下：
1.1)根据天线扫描角度范围[θ1，θ2]、天线扫描步进Δθ和雷达最大探测距离为S，按照极坐标方式将机载雷达天线扫描波束覆盖范围分为m行、n列个网格点数据，其中n为同一天线步进雷达回波数据采样量化个数，每一个网格点数据均包含空间坐标、纹理坐标和颜色材料属性；
1.2)假设该网格点数据中第i行、第j列点的空间坐标为(xij，yij，zij)，纹理坐标为(uij，vij)，颜色材料属性值为(rij，gij，bij)，其中rij为红色分量值，gij为绿色分量值，bij为红色分量值，对yij、rij、gij和bij均初始化赋值为0，且xij、zij、uij和vij满足以下公式：
其中i满足0≤i≤m，j满足0≤j≤n；
1.3)在三维运动场景中，以水平向右方向为X轴正方向，垂直向上方向为Y轴正方向建立标准空间直角坐标系，将每个网格点数据按照该点的空间坐标映射到坐标系中，并将每个网格用四边形进行覆盖，形成三维场景数字高程模型；
1.4)在空间直角坐标系中，以坐标系原点为中心点在X-Z平面位置添加边长为S的正方形面，并对正方形面进行草地纹理贴图映射，生成机载雷达天线扫描波束覆盖范围内的水平面。
步骤2，构建天空模型并旋转。
为了能够在三维场景中模拟现实天气和云层流动，同时不过度增加三维场景复杂度，需要在空间直角坐标系中构建合适的天空模型并覆盖在数字高程模型上方。通过对天空模型加载不同天空纹理贴图来模拟现实天气，通过天空模型旋转来模拟云层流动，其实现步骤如下：
2.1)参照图2，将与参考平面大小相同的正方形均匀分为N行、N列个网格点数据，其中N为奇数；
2.2)假设该网格点数据中第c行、第d列点的空间坐标为(xcd，ycd，zcd)，其中c满足0≤c≤N，d满足0≤d≤N，xcd和zcd满足以下公式：
根据该点的X轴坐标xcd和Z轴坐标zcd对该点的Y轴坐标ycd进行赋值，使ycd满足以下公式：
2.3)将该网格点数据中的每一个点按照其空间坐标映射到空间直角坐标系中，将每个网格用四边形覆盖，并加载天空纹理贴图映射，形成三维天空模型；
2.4)对构建的天空模型以Y轴为中心轴进行旋转，模拟天空中云层流动。
步骤3，接收雷达回波数据并滤波。
由于地形数据在接收时进行了采样量化，对应的数字高程模型也按照地形数据对地形进行了分割，同时由于机载雷达不可消除的系统噪声使地形数据中存在坏点，直接按照地形数据构建三维场景会造成地形起伏较大等问题。为解决该问题，需对雷达回波数据中的地形数据进行滤波处理，具体是通过在X轴和Z轴方向上对地形数据进行窗口滑动线性滤波实现，滤波模板采用：
即在滤波过程中，对当前待处理的数据设置权值为2，选取与其临近的10个数据设置权值为1，将待处理数据和其临近的10个数据分别与对应权值相乘后累加求和，再求平均后得到处理后的数据。
步骤4，填充数字高程模型高程数据。
为了在三维场景中完成对地形数据的渲染，同时减少数字高程模型重构的数据量，需要分离出地形数据中的非参考平面点，采用的方法是遍历雷达回波数据中的地形数据，将其中值为0的数据作为参考平面点，不进行处理；将值不为0的数据为非参考平面上的点，按照地形数据组织格式对数字高程模型中X-Z平面上对应位置点的z坐标进行赋值，完成数字高程模型中高程数据的填充。
步骤5，计算坡度并完成纹理映射。
为了能够生成具有明暗变化的三维地形画面，需要计算数字高程模型中非参考平面点的坡度，并根据该点的坡度值设置其颜色材料属性值，实现步骤如下：
5.1)假设三维场景数字高程模型中第i行、第j列的点为非参考平面点，其空间坐标为(xij，yij，zij)，坡度为gij，颜色材料属性值为(rij，gij，bij)，其中rij为红色分量值，gij为绿色分量值，bij为红色分量值；
5.2)假设三维场景数字高程模型中第i行、第j-1列点的空间坐标为(xij-1，yij-1，zij-1)，第i行、第j+1列点的空间坐标为(xij+1，yij+1，zij+1)；
5.3)根据5.1)和5.2)的假设，计算第i行、第j列的点的坡度gij：
其中zij满足zij≠zij-1，zij≠zij+1；
5.4)根据5.3)计算的坡度gij，对第i行、第j列的点的颜色材料属性值的红色分量值rij、绿色分量值gij、蓝色分量值bij统一进行赋值：
若0≤gij＜0.25，则rij＝gij＝bij＝0.313，
若0.25≤gij＜0.57，则rij＝gij＝bij＝0.39，
若0.57≤gij＜1，则rij＝gij＝bij＝0.46，
若1≤gij＜1.73，则rij＝gij＝bij＝0.58，
若1.73≤gij＜3.73，则rij＝gij＝bij＝0.7；
若3.73≤gij，则rij＝gij＝bij＝0.86；
5.5)根据5.4)得到的颜色材料属性值，对三维场景数字高程模型进行地面纹理贴图，完成对三维场景数字高程模型中非参考平面点的地面纹理映射，生成有明暗变化的三维地形画面。
步骤6，重建点目标和线目标模型。
为了能够对三维场景中的电力线或铁塔等障碍物进行预警，保障飞机飞行安全，需要在三维场景中建立与电力线等目标对应的线目标模型和与铁塔等目标对应的点目标模型进行重建，并标示相应空间坐标等预警信息，其重建点目标和线目标模型的步骤如下：
6.1)获取雷达回波数据中的某一点目标数据的空间坐标(xp，yp，zp)，再在空间直角坐标系中的(xp，0，zp)坐标位置处绘制一个高为zp的三棱锥，完成该点目标模型的重建；
6.2)获取雷达回波数据中某一线目标数据(a0，a1，a2，a3，xstart，ystart，zstart，xend,yend,zend,Llength)，其中(a0，a1，a2，a3)为线目标4个不同的拟合系数，该系数是通过对雷达回波数据进行连通性判别、电力线识别算法处理后获得，随电力线在飞机前方空间位置的不同而改变，(xstart，ystart，zstart)为线目标起始端点的空间坐标，(xend，yend，zend)为线目标终止端点的空间坐标，Llength为线目标在X-Z平面投影线段的长度；
6.3)根据线目标在X-Z平面投影线段的长度Llength将该线目标分割为L个离散点：
若Llength＜2048，则L＝Llength，
若Llength＞2048，则L＝2048；
6.4)假设线目标L个离散点中第k个离散点的空间坐标为(xk，yk，zk)，则按如下公式计算xk、yk和zk的值：
6.5)在空间直角坐标系中将L个离散点按顺序连接，将线目标坐标为(xstart，ystart，zstart)的起始端点和坐标为(xstart，0，zstart)的点相连，将线目标坐标为(xend，yend，zend)的终止端点和坐标为(xend，0，zend)的点相连，完成线目标模型重建；
6.6)根据6.1)和6.5)重建的点目标模型和线目标模型，以字符形式指示点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，提示飞行员进行规避；
步骤7，绘制水平侧视图和垂直俯视图。
将三维地形画面上的点按照与飞机水平距离由近及远划分为9个区域并分别着色后，绘制在三维场景数字高程模型的水平侧视图和垂直俯视图中，以不同角度显示地形数据、点目标数据和线目标数据的空间分布状况。
步骤8，叠加二维数字仪表。
接收飞机状态数据，根据状态数据绘制二维数字仪表，并将该数字仪表与三维地形画面、点目标模型、线目标模型、水平侧视图和垂直俯视图进行叠加显示，直观的向飞行员显示飞机的飞行状态；
步骤9，重复步骤3～步骤8，完成三维运动场景的动态显示。
在重复步骤3～步骤8过程中，由于飞机的运动和姿态变化，造成飞机前方雷达扫描覆盖范围内地形地貌、雷达回波数据发生变化，需要通过重新获取雷达回波数据并对三维场景显示画面实时重绘来完成三维运动场景的动态显示。
以上描述是本发明的一个具体实例，不构成对发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种机载雷达三维运动场景显示方法，包括：
1)根据机载雷达天线的扫描角度步进、扫描角度范围和雷达最大探测距离构建三维场景数字高程模型，初始化雷达回波数据并生成参考平面；
2)根据雷达最大探测距离构建三维天空模型并覆盖参考平面，通过旋转模拟天空；
3)接收雷达回波数据,并通过连通性判别识别出其中的地形数据、点目标数据和线目标数据，对地形数据进行平滑处理，并分离出地形数据中的非参考平面点，再用这些非参考平面点对三维场景数字高程模型中对应点的高程数据进行填充；
4)计算三维场景数字高程模型中每个非参考平面点的坡度，并根据坡度设置该点的颜色材料属性值，利用该颜色材料属性值和地面纹理贴图完成三维场景数字高程模型的地面纹理映射，生成有明暗变化的三维地形画面；
5)根据点目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建点目标模型，根据线目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建线目标模型，分别以字符形式指示点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，提示飞行员进行规避；
6)将三维地形画面上的点按照与飞机水平距离由近及远划分为9个区域并分别着色后，绘制在三维场景数字高程模型的水平侧视图和垂直俯视图中，以不同角度显示地形数据、点目标数据和线目标数据的空间分布状况；
7)接收飞机状态数据，根据状态数据绘制二维数字仪表，并将该数字仪表与三维地形画面、点目标模型、线目标模型、水平侧视图和垂直俯视图进行叠加显示，直观的向飞行员显示飞机的飞行状态；
8)重复步骤3)～步骤7)，随飞机运动实时更新显示画面，完成三维运动场景显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)中构建三维场景数字高程模型，按照如下步骤进行：
1a)根据天线扫描角度范围[θ1，θ2]、天线扫描步进Δθ和雷达最大探测距离为S，按照极坐标方式将机载雷达天线扫描波束覆盖范围分为m行、n列个网格点数据，其中n为同一天线步进雷达回波数据采样量化个数，每一个网格点数据均包含空间坐标、纹理坐标和颜色材料属性；
1b)假设该网格点数据中第i行、第j列点的空间坐标为(xij，yij，zij)，纹理坐标为(uij，vij)，颜色材料属性为(rij，gij，bij)，其中rij为红色分量值，gij为绿色分量值，bij为红色分量值，对yij、rij、gij和bij均初始化赋值为0，且xij、zij、uij和vij满足以下公式：
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1
其中i满足0≤i≤m，j满足0≤j≤n。
1c)在三维运动场景中，以水平向右方向为X轴正方向，垂直向上方向为Y轴正方向建立标准空间直角坐标系，将每个网格点数据按照该点的空间坐标映射到坐标系中，并将每个网格用四边形进行覆盖，形成三维场景数字高程模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)中生成参考平面，是在空间直角坐标系中，以坐标系原点为中心点在X-Z平面位置添加边长为S的正方形面，并对正方形面进行草地纹理贴图映射，生成机载雷达天线扫描波束覆盖范围内的水平面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中构建三维天空模型，按照如下步骤进行：
2a)将X-Z平面边长为S的正方形均匀分为N行、N列个网格点数据，其中N为奇数；
2b)假设该网格点数据中第c行、第d列点的空间坐标为(xcd，ycd，zcd)，其中c满足0≤c≤N，d满足0≤d≤N，xcd和zcd满足以下公式：
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根据该点的X轴坐标xcd和Z轴坐标zcd对该点的Y轴坐标ycd进行赋值，使ycd满足以下公式：
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2c)将该网格点数据中的每一个点按照其空间坐标映射到空间直角坐标系中，将每个网格用四边形覆盖，并加载天空纹理贴图映射，形成三维天空模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)中对地形数据进行平滑处理，是通过对雷达回波数据中的地形数据在X轴和Z轴方向上分别进行窗口滑动线性滤波实现，以有效减缓由于地形分割和地形数据中的坏点造成的地形起伏。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)计算三维场景数字高程模型中每个非参考平面点的坡度，按如下步骤进行：
4a)假设三维场景数字高程模型中第i行、第j列的点为非参考平面点，其空间坐标为(xij，yij，zij)，坡度为gij；
4b)假设三维场景数字高程模型中第i行、第j-1列点的空间坐标为(xij-1，yij-1，zij-1)，第i行、第j+1列点的空间坐标为(xij+1，yij+1，zij+1)；
4c)根据4a)和4b)的假设，计算第i行、第j列的点的坡度gij：
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其中zij满足zij≠zij-1，zij≠zij+1。
7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5)重建点目标模型,是通过获取雷达回波数据中的某一点目标数据的空间坐标(xp，yp，zp)，然后在空间直角坐标系中的(xp，0，zp)坐标位置处绘制一个高为zp的三棱锥，完成该点目标模型的重建。
8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5)中重建线目标模型，按如下步骤进行：
5a)获取雷达回波数据中某一线目标数据(a0，a1，a2，a3，xstart，ystart，zstart，xend,yend,zend,Llength)，其中(a0，a1，a2，a3)为线目标4个不同的拟合系数，(xstart，ystart，zstart)为线目标起始端点的空间坐标，(xend，yend，zend)为线目标终止端点的空间坐标，Llength为线目标在X-Z平面投影线段的长度；
5b)根据线目标在X-Z平面投影线段的长度Llength将该线目标分割为L个离散点：
若Llength＜2048，则L＝Llength，
若Llength＞2048，则L＝2048；
5c)假设线目标L个离散点中第k个离散点的空间坐标为(xk，yk，zk)，则按如下公式计算xk、yk和zk的值：
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5d)在空间直角坐标系中将L个离散点按顺序连接，将线目标坐标为(xstart，ystart，zstart)的起始端点和坐标为(xstart，0，zstart)的点相连，将线目标坐标为(xend，yend，zend)的终止端点和坐标为(xend，0，zend)的点相连，完成线目标模型重建。
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