CN109459730B - 一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法 - Google Patents

一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法 Download PDF

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Abstract

一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法，其特征在于，包括下列步骤，步骤一，像素点阵近似圆环划分，将均匀排列显示像素点阵(X,Y)归类成半径间隔为1个像素点的同心近似圆环
Figure DDA0001849867230000011
其中round()表示四舍五入近似计算；将同一距离圆环内的像素点按照像素位置对应的角度值由小到大排列形成像素点数组(X,Y)；最后统计由小到大不同距离环内所有的像素数，并形成显示半径‑像素总数的二维关系表；本发明方法简单、设计巧妙，在雷达发射脉冲与方位脉冲中加入随机变化量，模拟天线方位随机误差可以更快地覆盖雷达显示的死地址。

Description

一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法
技术领域
本发明是一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法，主要用于雷达显示器。
背景技术
平面位置显示(PPI,也称P显)是常见的一种雷达显示模式，能够呈现大范围的目标区域，形成有效的导航信息和态势信息，而雷达显示器多采用货架产品的电视显示器或电脑显示器，不论早期模拟技术还是现代数字技术，直角坐标系已经成为标准显示模式。直角坐标显示技术存在显示的不足，雷达平面位置显示会存在死地址问题。
雷达死地址问题是指显示像素中存在覆盖不到的空白像素，呈现黑色点。死地址出现在雷达的远区，此处雷达角度引起的空间分辨率降低，半径越大数据密度越低，造成显示像素存在显示信息不更新持续不变的空白点。
基于传统设计模式，雷达在扫描和信号处理两个维度上形成了极坐标平面内间隔均匀的采样方式：方位上雷达伺服光码盘均匀采样，距离上信号处理机决定了雷达回波上进行时间均匀采样。图1为雷达采样点与显示点关系示意图，其中方框为显示像素点，圆圈为雷达采样点。
可以看到，显示像素沿行向或列向均匀分布，雷达获取的实际采样点以雷达为中心，呈极坐标形式排列，沿距离向和角度向均匀分布，造成了近距采样点数密而远距采样点数疏的现象。显示像素与雷达采样点空间分布形式差别明显，不会形成空间位置的对应关系，这就引起远区的死地址问题。
一次扫描形成的采样点角度上均匀分布，造成远区内的像素显示点无法完全覆盖。为了简化无死地址地覆盖远距处所有的显示点，一类方法是进行多圈扫描并覆盖全部显示范围内的显示像素点。
这种方法存在使用局限性，要求雷达脉冲发射周期和雷达天线旋转周期有时间相关性。若雷达脉冲发射周期固定，旋转周期固定，且发射周期与旋转周期同步，则雷达采样点环扫周内均呈现相同的采样点阵，死地址将一直是死地址，无法显示回波信息。当发射周期与旋转周期不要求同步时，死地址不再维持不变，更新周期数不确定，有利于解决死地址问题；但是通过严格控制工作周期也造成了雷达脉冲设计约束，在雷达系统设计中会得不偿失。工作条件恶劣的雷达上述设计条件无法有效保证，尤其当天线受外部风向影响时发射脉冲相对角位置呈现非周期化，死地址不确知不稳定。事实上，脉冲发射误差之间是相关联的，不是完全独立分布，当前脉冲方位与对应显示像素的关系同邻域脉冲方位与其对应显示像素的关系是相关的，但问题解决代价较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法，以解决填充雷达死地址的问题。
一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法，其特征在于，包括下列步骤，
步骤一，像素点阵近似圆环划分
将均匀排列显示像素点阵(X,Y)归类成半径间隔为1个像素点的同心近似圆环
Figure BDA0001849867210000021
其中round()表示四舍五入近似计算；
将同一距离圆环内的像素点按照像素位置对应的角度值由小到大排列形成像素点数组(X,Y)；
最后统计由小到大不同距离环内所有的像素数，并形成显示半径-像素总数的二维关系表；
步骤二，计算虚拟方位漂移误差
引入虚拟方位漂移误差随机量Δθ(n)，用于表示方位漂移量值。雷达原来真实指向方位为θ0，经过虚拟方位漂移后变为显示方位θ1(n)，数学表示式为θ1(n)＝mod(θ0+Δθ(n)，360)；这里mod()为取模运算，变化值n为方位更新周期数；
指向方位θ0为脉冲发射脉冲对应的位置参数，通过雷达上的光码盘读取获得；显示方位θ1为显示像素对应于显示终端的角位置；虚拟方位漂移误差按照指定概率分布模拟了天线旋转伺服的随机性，覆盖了显示区内的死点；这里方位变量θ0和θ1的取值范围为0°－360°；
a.设置工作参数
设置三项概率分布参数，包括分布类型、分布参数(标准差与均值等)、分布覆盖范围；分布类型可以定为正态分布、三角分布或均匀分布；
标准差σΔθ是以扫描线对应的角度间隔
Figure BDA0001849867210000031
作为归一化参数，/>
Figure BDA0001849867210000032
通过选取K1值设置标准差合适的取值大小；扫描线对应的角度间隔/>
Figure BDA0001849867210000033
这里RPM为每分钟天线转数，PRF为雷达脉冲重复频率；均值μΔθ取值为0，虚拟方位漂移不引入偏差；
b.建立映射表格
采用最大填充比表示没有死地址全部覆盖显示像素至少需要的扫描圈数；计算最大填充比Rfmax，并估计填充规模，最大填充比计算公式为
Rfmax＝πRmaxRPM/30PRF；
映射表格参照基本角度间隔dθ建立，映射表角度间隔与最大填充比，扫描线角度间隔
Figure BDA0001849867210000042
相关，满足公式dθ=φ/RfK2；
使用基本角度间隔dθ计算单位间隔的最大累积分布概率dCDF，即在均值附近计算dCDF，计算公式为
Figure BDA0001849867210000041
使用较大的累积分布概率增量减少了表格项数，同时节省了存贮空间；
进行逆累积分布映射处理：将分布函数分解成若干区间段，取值间隔为dCDF，计算各累积值对应的角度值，建立映射表格区间范围为0－1，角度范围边界与分布函数相关，这里高斯函数的取值范围为－5σ～5σ；做高斯分布的累积分布曲线与逆积累曲线，曲线在X轴方向上均匀分割形成等累积概率，Y轴为相应的角度漂移量。图3为逆积累分布曲线形成表格示意图，在所有角度间隔dθ中，图中的累积概率dCDF增加量最大；
方法中K1与K2两参数作为可调参数与，K1以扫描线角度间隔归一化角度方差，决定着角度漂移量的分布密集程度，K1取值越大则分布越稀疏，K2取值与形成的表格量化等级相关，K2取值越大则量化表格越大，则角度漂移量的计算精度更高；
c.线性插值计算角度偏移量
逆累积积分概率表格形成后不再考虑具体模拟的分布，直接由均匀分布产生随机数Gx即可；
直接由均匀分布随机产生一随机数Gx，分布范围为0-1，随机数Gx作为逆累积积分概率表中的累积积分值；
采用线性插值法实现角度偏差Δθ的简单插值，查找逆随机累积分布表格中的累积积分量CDFi和CDFi+1，满足CDFi≤Gx≤CDFi+1；
则根据算式
Figure BDA0001849867210000051
计算角度偏差Δθ，这里θi与θi+1分别为CDFi与CDFi+1对应的角度偏移量；
步骤三、计算显示点角位置
先形成整体角度值θ1＝mod(θ0+Δθ，360)，分布覆盖范围为0°－360°，然后根据
Figure BDA0001849867210000052
计算映射到相同位置的像素点；这里，Nc表示距离环上的像素数，不同半径上对应的像素数构成了数据表，θ1为模拟形成的角度值；
每个像素点有起始对应点，其起始点的点标号和角度分别为M和ψ，则最终像素点为
Figure BDA0001849867210000053
本发明方法简单、设计巧妙，在雷达发射脉冲与方位脉冲中加入随机变化量，模拟天线方位随机误差可以更快地覆盖雷达显示的死地址，本文具体实现了数字方法产生周期性加随机相位模拟雷达扫描线的方位漂移。
附图说明
图1、本发明采样空间分布图，其中方框为显示像素点，圆圈为雷达采样点；
图2-1、本发明采样点高斯函数累积分布；
图2-2、本发明高斯函数逆累积分布曲线
图3、本发明高斯函数逆累积分布曲线形成表格示意图；
图4、本发明基于虚拟方位漂移法的显示死地址填充的流程图；
图5-1、本发明雷达显示器显示一帧累积结果；其中，圆环内的亮点为显示像素，暗点为死地址；
图5-2、本发明雷达显示器显示三帧累积结果；其中，圆环内的亮点为显示像素，暗点为死地址；
图5-3、本发明雷达显示器显示五帧累积结果；其中，圆环内的亮点为显示像素，暗点为死地址。
具体实施方式
一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法，其特征在于，包括下列步骤，
步骤一，像素点阵近似圆环划分
将均匀排列显示像素点阵(X,Y)归类成半径间隔为1个像素点的同心近似圆环
Figure BDA0001849867210000071
其中round()表示四舍五入近似计算；
将同一距离圆环内的像素点按照像素位置对应的角度值由小到大排列形成像素点数组(X,Y)；
最后统计由小到大不同距离环内所有的像素数，并形成显示半径-像素总数的二维关系表；
步骤二，计算虚拟方位漂移误差
引入虚拟方位漂移误差随机量Δθ(n)，用于表示方位漂移量值。雷达原来真实指向方位为θ0，经过虚拟方位漂移后变为显示方位θ1(n)，数学表示式为θ1(n)＝mod(θ0+Δθ(n)，360)；这里mod()为取模运算，变化值n为方位更新周期数；
指向方位θ0为脉冲发射脉冲对应的位置参数，通过雷达上的光码盘读取获得；显示方位θ1为显示像素对应于显示终端的角位置；虚拟方位漂移误差按照指定概率分布模拟了天线旋转伺服的随机性，覆盖了显示区内的死点；这里方位变量θ0和θ1的取值范围为0°－360°；
a.设置工作参数
设置三项概率分布参数，包括分布类型、分布参数(标准差与均值等)、分布覆盖范围；分布类型可以定为正态分布、三角分布或均匀分布；
标准差σΔθ是以扫描线对应的角度间隔
Figure BDA0001849867210000072
作为归一化参数，/>
Figure BDA0001849867210000073
通过选取K1值设置标准差合适的取值大小；扫描线对应的角度间隔/>
Figure BDA0001849867210000081
这里RPM为每分钟天线转数，PRF为雷达脉冲重复频率；均值μΔθ取值为0，虚拟方位漂移不引入偏差；
b.建立映射表格
采用最大填充比表示没有死地址全部覆盖显示像素至少需要的扫描圈数；计算最大填充比Rfmax，并估计填充规模，最大填充比计算公式为
Rfmax＝πRmaxRPM/30PRF；
映射表格参照基本角度间隔dθ建立，映射表角度间隔与最大填充比，扫描线角度间隔
Figure BDA0001849867210000083
相关，满足公式dθ＝φ/RfK2；
使用基本角度间隔dθ计算单位间隔的最大累积分布概率dCDF，即在均值附近计算dCDF，计算公式为
Figure BDA0001849867210000082
使用较大的累积分布概率增量减少了表格项数，同时节省了存贮空间；
进行逆累积分布映射处理：将分布函数分解成若干区间段，取值间隔为dCDF，计算各累积值对应的角度值，建立映射表格区间范围为0－1，角度范围边界与分布函数相关，这里高斯函数的取值范围为－5σ～5σ；做高斯分布的累积分布曲线与逆积累曲线，曲线在X轴方向上均匀分割形成等累积概率，Y轴为相应的角度漂移量。图3为逆积累分布曲线形成表格示意图，在所有角度间隔dθ中，图中的累积概率dCDF增加量最大；
方法中K1与K2两参数作为可调参数与，K1以扫描线角度间隔归一化角度方差，决定着角度漂移量的分布密集程度，K1取值越大则分布越稀疏，K2取值与形成的表格量化等级相关，K2取值越大则量化表格越大，则角度漂移量的计算精度更高；
c.线性插值计算角度偏移量
逆累积积分概率表格形成后不再考虑具体模拟的分布，直接由均匀分布产生随机数Gx即可；
直接由均匀分布随机产生一随机数Gx，分布范围为0-1，随机数Gx作为逆累积积分概率表中的累积积分值；
采用线性插值法实现角度偏差Δθ的简单插值，查找逆随机累积分布表格中的累积积分量CDFi和CDFi+1，满足CDFi≤Gx≤CDFi+1；
则根据算式
Figure BDA0001849867210000091
计算角度偏差Δθ，这里θi与θi+1分别为CDFi与CDFi+1对应的角度偏移量；
步骤三、计算显示点角位置
先形成整体角度值θ1＝mod(θ0+Δθ，360)，分布覆盖范围为0°－360°，然后根据
Figure BDA0001849867210000092
计算映射到相同位置的像素点；这里，Nc表示距离环上的像素数，不同半径上对应的像素数构成了数据表，θ1为模拟形成的角度值；
每个像素点有起始对应点，其起始点的点标号和角度分别为M和ψ，则最终像素点为
Figure BDA0001849867210000101
实施例：
(一)虚拟方位漂移处理技术
1、近似圆环划分
将均匀排列显示像素点阵(X,Y)归类成半径间隔为1个像素点的同心近似圆环
Figure BDA0001849867210000102
其中round()表示四舍五入近似计算；
将同一距离圆环内的像素点按照像素位置对应的角度值由小到大排列形成像素点数组(X,Y)；
最后统计由小到大不同距离环内所有的像素数，并形成显示半径-像素总数的二维关系表。
2、虚拟方位漂移误差
引入虚拟方位漂移误差随机量Δθ，用于表示方位漂移量值。雷达原来真实指向方位为θ0，经过虚拟方位漂移后变为显示方位θ1，数学表示式为θ1＝mod(θ0+Δθ，360)；，这里mod()为取模运算。
指向方位θ0为脉冲发射脉冲对应的位置参数，通过雷达上的光码盘读取获得；显示方位θ1为显示像素对应于显示终端的角位置。虚拟方位漂移误差按照指定概率分布模拟了天线旋转伺服的随机性，覆盖了显示区内的死点。这里方位变量θ0和θ1的取值范围为0°－360°。
2.1、设置工作参数
设置三项概率分布参数，包括分布类型、分布参数(标准差与均值等)、分布覆盖范围。分布类型可以定为正态分布、三角分布或均匀分布。
标准差σΔθ是以扫描线对应的角度间隔
Figure BDA0001849867210000111
作为归一化参数，/>
Figure BDA0001849867210000112
通过选取K1值设置标准差合适的取值大小。扫描线对应的角度间隔/>
Figure BDA0001849867210000113
这里RPM为每分钟天线转数，PRF为雷达脉冲重复频率。均值μΔθ取值为0，虚拟方位漂移不引入偏差。
2.2、建立映射表格
计算最大填充比Rfmax，并估计填充规模，最大填充比计算公式为Rfmax＝πRmaxRPM/30PRF。最大填充比表示没有死地址全部覆盖显示像素至少需要的扫描圈数。
映射表格参照基本角度间隔dθ建立，映射表角度间隔与最大填充比，扫描线角度间隔
Figure BDA0001849867210000115
相关，满足公式dθ＝φ/RfK2。
使用基本角度间隔dθ计算单位间隔的最大累积分布概率dCDF，即在均值附近计算dCDF，计算公式为
Figure BDA0001849867210000114
使用较大的累积分布概率增量减少了表格项数，同时节省了存贮空间。
进行逆累积分布映射处理：将分布函数分解成若干区间段，取值间隔为dCDF，计算各累积值对应的角度值，建立映射表格区间范围为0－1，角度范围边界与分布函数相关，这里高斯函数的取值范围为－5σ～5σ。图2为高斯分布的累积分布曲线与逆积累曲线，曲线在X轴方向上均匀分割形成等累积概率，Y轴为相应的角度漂移量。图3为逆积累分布曲线形成表格示意图，在所有角度间隔dθ中，图中的累积概率dCDF增加量最大。
方法中K1与K2两参数作为可调参数与，K1以扫描线角度间隔归一化角度方差，决定着角度漂移量的分布密集程度，K1取值越大则分布越稀疏，K2取值与形成的表格量化等级相关，K2取值越大则量化表格越大，则角度漂移量的计算精度更高。
2.3、线性插值计算角度偏移量
逆累积积分概率表格形成后不再考虑具体模拟的分布，直接由均匀分布产生随机数Gx即可。
直接由均匀分布随机产生一随机数Gx，分布范围为0-1，随机数Gx作为逆累积积分概率表中的累积积分值。
采用线性插值法实现角度偏差Δθ的简单插值，查找逆随机累积分布表格中的累积积分量CDFi和CDFi+1，满足CDFi≤Gx≤CDFi+1。
则根据算式
Figure BDA0001849867210000121
计算角度偏差Δθ，这里θi与θi+1分别为CDFi与CDFi+1对应的角度偏移量。
3、计算显示点角位置
先形成整体角度值θ1＝mod(θ0+Δθ，360)，分布覆盖范围为0°－360°，然后根据
Figure BDA0001849867210000131
计算映射到相同位置的像素点。这里，Nc表示距离环上的像素数，不同半径上对应的像素数构成了数据表，θ1为模拟形成的角度值。
通常，每个像素点有起始对应点，其起始点的点标号和角度分别为M和ψ，则最终像素点为
Figure BDA0001849867210000132
/>
虚拟方位漂移法计算实施例
某典型船用的导航雷达主要工作参数如下：
脉冲重复频率：1kHz；
天线转速：25RPM；
雷达显示屏幕区：1025×1025。
经计算，雷达扫描一圈的扫描时间为2.4s，脉冲发射个数为2400，则扫描扇区中两条扫描线对应的角度间隔
Figure BDA0001849867210000133
为0.15°；若显示半径为256，则填充比为0.67，说明雷达采样点数充分不需要填充死地址；显示半径为382时，填充比为1，当半径大于382时需要填充处理；雷达最大显示半径为512，则最大填充比等为1.34，半径从382－512的圆环内需要死地址填充处理。
Δθ的标准差σΔθ取为K1·0.15°，通过选取K1值表示标准差的取值大小；根据公式2πR＝2400，则R＝381.97，表明显示半径小于382的圆形显示范围内不需要死地址覆盖处理，显示半径大于382后需要死地址覆盖处理。仿真中K1取值为0.3，K2取值为3。
图5为为仿真结果图，图中显示区域为半径从256到512，共显示了三帧处理结果，分别为扫描累积第一帧、扫描累积第三帧、扫描累积第五帧。仿真结果显示随着扫描累积帧数不断增加显示的像素数逐渐增多，可以看到五帧积累后死地址明显减少。
本文提出的基于虚拟方位漂移法的显示死地址填充技术具有如下特点：
1、本方法采用软件处理方法处理死地址填充问题，有效提高了雷达回波显示的灵活性，降低了死地址数量；
2、本方法降低了脉冲重复频率周期、天线旋转周期等硬件约束条件，雷达的软件可配置能力提高。
本发明主要内容
1、点阵形式划分技术，将均匀排列显示像素点阵分割成不同半径的同心圆环；
2、角度漂移标准差是以扫描线对应的角度间隔作为归一化参数，通过参数设置确定角度分布的参考范围；
3、采用概念填充比和最大填充比，用于衡量并设置死地址逆累积分布表格参数；
4、采用均匀分布利用逆累积分布线性插值计算角度偏差量。

Claims (1)

1.一种基于虚拟方位漂移的显示死地址填充方法，其特征在于，包括下列步骤，
步骤一，像素点阵近似圆环划分
将均匀排列显示像素点阵(X,Y)归类成半径间隔为1个像素点的同心近似圆环
Figure FDA0003947022990000011
其中round()表示四舍五入近似计算；
将同一距离圆环内的像素点按照像素位置对应的角度值由小到大排列形成像素点数组(X,Y)；
最后统计由小到大不同距离环内所有的像素数，并形成显示半径-像素总数的二维关系表；
步骤二，计算虚拟方位漂移误差
引入虚拟方位漂移误差随机量Δθ(n)，用于表示方位漂移量值；雷达原来真实指向方位为θ0，经过虚拟方位漂移后变为显示方位θ1(n)，数学表示式为θ1(n)＝mod(θ0+Δθ(n),360)；这里mod()为取模运算，变化值n为方位更新周期数；
指向方位θ0为脉冲发射脉冲对应的位置参数，通过雷达上的光码盘读取获得；显示方位θ1为显示像素对应于显示终端的角位置；虚拟方位漂移误差按照指定概率分布模拟了天线旋转伺服的随机性，覆盖了显示区内的死点；这里方位变量θ0和θ1的取值范围为0°－360°；
a.设置工作参数
设置三项概率分布参数，包括分布类型、分布参数、分布覆盖范围；分布类型可以定为正态分布、三角分布或均匀分布；
标准差σΔθ是以扫描线对应的角度间隔
Figure FDA0003947022990000012
作为归一化参数，/>
Figure FDA0003947022990000013
通过选取K1值设置标准差合适的取值大小；扫描线对应的角度间隔/>
Figure FDA0003947022990000014
Figure FDA0003947022990000021
这里RPM为每分钟天线转数，PRF为雷达脉冲重复频率；均值μΔθ取值为0，虚拟方位漂移不引入偏差；
b.建立映射表格
采用最大填充比表示没有死地址全部覆盖显示像素至少需要的扫描圈数；计算最大填充比Rfmax，并估计填充规模，最大填充比计算公式为Rfmax＝πRmaxRPM/30PRF；
映射表格参照基本角度间隔dθ建立，映射表角度间隔与最大填充比，扫描线角度间隔
Figure FDA0003947022990000022
相关，满足公式dθ＝φ/RfK2；
使用基本角度间隔dθ计算单位间隔的最大累积分布概率dCDF，即在均值附近计算dCDF，计算公式为
Figure FDA0003947022990000023
使用较大的累积分布概率增量减少了表格项数，同时节省了存贮空间；
进行逆累积分布映射处理：将分布函数分解成若干区间段，取值间隔为dCDF，计算各累积值对应的角度值，建立映射表格区间范围为0－1，角度范围边界与分布函数相关，这里高斯函数的取值范围为－5σ～5σ；做高斯分布的累积分布曲线与逆积累曲线，曲线在X轴方向上均匀分割形成等累积概率，Y轴为相应的角度漂移量；
方法中K1与K2两参数作为可调参数，K1以扫描线角度间隔归一化角度方差，决定着角度漂移量的分布密集程度，K1取值越大则分布越稀疏，K2取值与形成的表格量化等级相关，K2取值越大则量化表格越大，则角度漂移量的计算精度更高；
c.线性插值计算角度偏移量
逆累积积分概率表格形成后不再考虑具体模拟的分布，直接由均匀分布产生随机数Gx即可；
直接由均匀分布随机产生一随机数Gx，分布范围为0-1，随机数Gx作为逆累积积分概率表中的累积积分值；
采用线性插值法实现角度偏差Δθ的简单插值，查找逆随机累积分布表格中的累积积分量CDFi和CDFi+1，满足CDFi≤Gx≤CDFi+1；
则根据算式
Figure FDA0003947022990000031
计算角度偏差Δθ，这里θi与θi+1分别为CDFi与CDFi+1对应的角度偏移量；
步骤三、计算显示点角位置
先形成整体角度值θ1＝mod(θ0+Δθ,360)，分布覆盖范围为0°－360°，然后根据
Figure FDA0003947022990000032
计算映射到相同位置的像素点；这里，Nc表示距离环上的像素数，不同半径上对应的像素数构成了数据表，θ1为模拟形成的角度值；
每个像素点有起始对应点，其起始点的点标号和角度分别为M和ψ，则最终像素点为
Figure FDA0003947022990000033
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