CN111398918A - 一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法 - Google Patents

一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，读取雷达固有参数，根据地形分辨率，对雷达方位角、俯仰角进行混合采样，形成方位角和俯仰角采样数据集；采用LOS通视分析算法，获取每个方位剖面的不可视点集；对相邻剖面不可视点集进行两两聚合，形成空间多边形点集合；在三维地理信息系统中进行空间多边形绘制，得到单雷达空间探测范围。本发明综合考虑雷达探测精度与计算效率，通过混合采样方法确定雷达采样数据集，在计算机执行效率和雷达探测精度两方面寻求平衡。

Description

一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，涉及一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法。
背景技术
雷达作为一种利用电磁波探测目标的电子设备，在现实生活中应用广泛，在国防和军事领域的重要性更是与日俱增。雷达探测目标时，电磁波在传播过程中，若遇到诸如山峰、高地等障碍物阻挡时，会产生探测盲区，直接影响雷达探测目标的质量[3]。因此复杂山地环境对雷达探测性能的影响是不可忽略的，了解雷达在实际地形环境中的探测范围，对民航机场雷达、无线通讯站等的选址有着重要的现实意义。
目前针对复杂山地环境对雷达探测范围影响的研究相对较少，理论体系不够完善。一些文献(地形遮蔽条件下雷达网探测威力计算[J].刘香岚,彭世蕤,南昊,王晓燕.空军预警学院学报.2017(04)；一种基于DEM的雷达地形遮蔽盲区确定方法[J].周宗伟,熊家军,江晶,黄源源.空军预警学院学报.2013(05))中雷达探测范围计算考虑地表起伏地形遮蔽和地球曲率地形遮蔽两方面，但涉及雷达坐标与大地坐标的转换、高程数值的插值计算，计算量较大。还有一些文献中(复杂地形影响下雷达探测范围表现算法研究[J].白玉兵,余小游,陈寿辙,殷玲,陈铁军.计算机科学.2013(S1)；A Subdivision Method to Unify theExisting Latitude and Longitude Grids.CHENG Chengqi,TONG Xiaochong,CHEN Bo,etal.ISPRS International Journal ofGeoInformation.2016)]基于几何光学原理，提出单峰和多峰地形影响下雷达探测范围的计算方法，该算法对复杂地形适应性较强，但算法复杂度高。以上方法为复杂山地环境下的雷达探测范围分析研究提供了重要的方法和依据，但存在计算量大、算法复杂度高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，包括如下步骤：
步骤1，获取参与计算雷达方位角、俯仰角和理论探测距离的范围；；
步骤2，根据地形分辨率，对雷达方位角、俯仰角进行混合采样，形成方位角和俯仰角采样数据集；
步骤3，针对某一方位角剖面，采用LOS通视分析算法，获取该剖面不可视点集；
步骤4，针对所有方位角剖面进行并行分析计算，得到雷达不可视点集；
步骤5，对相邻剖面不可视点集进行两两聚合，形成空间多边形点集合；
步骤6，在三维地理信息系统中进行空间多边形绘制，得到单雷达空间探测范围。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)综合考虑雷达探测精度与计算效率，通过混合采样方法确定雷达采样数据集，在计算机执行效率和雷达探测精度两方面寻求平衡；2)采用并行计算方式，提高了LOS通视分析算法的执行效率，节约了雷达探测范围在线计算的时间，便于雷达探测范围的实时计算。
附图说明
图1是本发明复杂山地下雷达探测能力分析方法的流程图。
图2是本发明雷达方位角混合采样示意图。
图3是本发明雷达俯仰角混合采样示意图。
图4是本发明改进LOS通视分析计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，主要包括以下步骤：
步骤1，获取参与计算雷达方位角、俯仰角和理论探测距离的范围，本发明假设方位角[0，360]、俯仰角[-90，90]和理论探测距离的范围R；
步骤2，根据地形分辨率，对雷达方位角、俯仰角进行混合采样，形成方位角和俯仰角采样数据集；
雷达电磁波是以球面波的形式传播，其覆盖范围是以雷达部署位置为中心的一个球体。假设雷达模型在方位角方向是全向的，由于地平面无法向下探测，此时方位角探测范围在0°～360°，为一圆周，在俯仰角方向存在确定的初始仰角，可以在0°～+90°进行扫描。雷达参数混合采样主要是围绕方位角和俯仰角展开。
以雷达部署点P为圆心，雷达理论探测距离R为半径组成圆，计算圆与地形分辨率为β的网格的交集，得到完整包含该圆的最小正方形地形网格区域ABCD，连接雷达部署点P与上述正方形边界地形网格交点，计算相邻连接线夹角Δθn即为方位角采样步长，计算公式如下：
Figure BDA0002407509420000031
图2是雷达方位角混合采样示意图。以雷达部署位置为坐标中心点P，雷达最大辐射方向探测距离R为半径，构成一个圆。可得到完整包含该圆的最小正方形地形网格区域ABCD，其中包含n×n个分辨率为β的网格。连接雷达中心点P与正方形边界上的地形网格交点，计算相邻连线间第n个夹角Δθn为方位角采样步长。由于正方形地形网格区域对称，因此只需要计算其中1/8部分的采样步长。
以雷达部署点P为圆心，雷达理论探测距离R为半径组成圆，获取圆周与步长β组成的正方形网格在Z方向交点，连接雷达中心点P与圆周正方形网格交点，计算相邻连线间第n个夹角
Figure BDA0002407509420000032
即为俯仰角采样步长，计算公式如下：
Figure BDA0002407509420000033
图3是雷达俯仰角混合采样示意图。截取某一剖面，以雷达中心点P为圆心，雷达最大辐射方向探测距离R为半径，构成圆。获取圆周与步长β组成的正方形网格在Z方向第i个交点Ti，连接雷达中心点P与圆周正方形网格交点Ti，计算相邻连线间第n个夹角
Figure BDA0002407509420000034
为俯仰角采样步长。由于正方形网格和圆形的对称性，因此只需要计算其中1/2部分的采样步长。
步骤3，针对某一方位角剖面，采用LOS通视分析算法，获取该剖面不可视点与可视点边界点集；
最大视线斜率(LOS)通视分析方法是从观测点最近的点开始，依次计算各个目标点，并记录该点之前的最大仰角斜率，如果该目标点的视线仰角斜率大于最大仰角斜率，则不可见，并依此仰角斜率来更新当前最大仰角斜率。
(1)记录初始俯仰角步长为
Figure BDA0002407509420000035
则计算初始俯仰角斜率K1，并将K1记为通视分析初始最大斜率Kmax，K1计算公式如下。
Figure BDA0002407509420000036
(2)在X方向，以β为采样步长，依次计算观察点P与通过采样步长获取的目标qi(xi,yi,zi)坐标点连线的斜率ki，ki计算公式如下：
Figure BDA0002407509420000037
如果ki>Kmax，则该点不可视，将其录入不可视点集合Q；
(3)更新最大斜率
Figure BDA0002407509420000041
在X方向，以β为采样步长，依次计算观察点P与通过采样步长获取的目标qi(xi,yi,zi)坐标点连线的斜率ki，如果ki>Kmax，则该点不可视，将其录入不可视点集合Q；
重复步骤3，直至检测完
Figure BDA0002407509420000042
图4是LOS通视分析计算示意图。获取某一剖面，从雷达部署中心点P出发，按照Z方向俯仰角采样步长和X方向地形分辨率采样步长，计算每一采样点的斜率与最大斜率比较，得到该剖面雷达不可视点集合Q{q1，q2，…，qi，…}。
步骤4，针对所有方位角剖面进行并行分析计算，得到雷达不可视点集；
并行处理方法节约计算时间主要是从并行任务和并行数据两方面展开，本方法针对方位角和俯仰角两个维度进行采样，采用剖面切分方式，可满足并行计算中并行任务和并行数据特征。
(1)任务并行特征。根据方位角采样步长，确定某一剖面如图3，在剖面中采用改进LOS算法计算该剖面的不可视点，由于各剖面计算输入值和输出值不存在依赖关系，因此不同剖面可以采用不同计算节点进行计算，符合任务并行特征。
(2)数据并行特征。由于网格数据采用分布式瓦片存储，采用四叉树索引方法进行数据读取，解决任务并行过程中数据获取瓶颈，符合数据并行特征。
(3)分布式节点计算。根据方位角采样步长获取的n个不同剖面提交至N个分布式计算节点，如果分布式计算节点个数M小于n，则每个计算节点分配Δn个剖面，Δn计算如下式。
Figure BDA0002407509420000043
如果分布式计算节点M大于等于n，则单个节点分配计算剖面个数为1。
步骤5，对相邻剖面不可视点集进行两两聚合，形成空间多边形点集合；
步骤6，在三维地理信息系统中进行空间多边形绘制，得到单雷达空间探测范围。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法具体实现步骤如下所述。
输入：雷达部署位置P(x，y，z)、方位角θ、俯仰角
Figure BDA0002407509420000051
理论探测距离R，分辨率为β地形数据(DEM),本仿真实验中方位角θ[0，360]、俯仰角
Figure BDA0002407509420000052
和理论探测距离的范围R。
Step1：对雷达方位角、俯仰角、理论探测距离进行混合采样，具体步骤如下：
Step1.1：根据输入雷达部署位置P(x，y，z)、方位角θ[0，360]，依据公式(1)计算雷达的方位角采样步长Δθn；
Step1.2：根据雷达输入部署位置P(x，y，z)、俯仰角
Figure BDA0002407509420000053
依据公式(2)计算雷达的俯仰角采样步长
Figure BDA0002407509420000054
Step2：根据步骤1得到雷达参数混合采样，得到雷达在方位角Δθn和俯仰角
Figure BDA0002407509420000055
方向的射线，根据该射线的通视分析，计算雷达在该方向的实际探测距离。
Step2.1：根据方位角采样步长，截取某一剖面，在该剖面得到俯仰角采样值为
Figure BDA0002407509420000056
Step2.2：计算俯仰角
Figure BDA0002407509420000057
斜率为K0，记录为当前剖面最大斜率Kmax，在X方向，以地形分辨率β为采样步长，依次计算第i个采样点的高程与观察点P连线的斜率ki，i≥1，与Kmax比较，当ki大于Kmax时，则第i个点不可视，将该点计入不可视点集Q；
Step2.3：计算俯仰角
Figure BDA0002407509420000058
斜率为K1，记录为当前剖面最大斜率Kmax，在X方向，以地形分辨率β为采样步长，依次计算第i个采样点的高程与观察点P连线的斜率ki，i≥1，与Kmax比较，当ki大于Kmax时，则第i个点不可视，将该点计入不可视点集Q；
步骤2.4：以此类推，计算俯仰角
Figure BDA0002407509420000059
斜率为Kn-1，记录为当前剖面最大斜率Kmax，在X方向，以地形分辨率β为采样步长，依次计算第i个采样点的高程与观察点P连线的斜率ki，i≥1，与Kmax比较，当ki大于Kmax时，则第i个点不可视，将该点计入不可视点集Q。
步骤2.5：得到该剖面不可视点及边界点序列集合Q{q1，q2，…，qi，…}。
Step3：采用数据并行处理方式，将以Δθn切分的剖面分别在不同计算节点进行计算，得到雷达不可视点集合{Q1，Q2，…，Qi，…}。
Step4：根据雷达不可视点集合{Q1，Q2，…，Qi，…}，计算雷达探测范围的封闭空间多边形，以相邻Qi和Qi+1集合数据首位相连，得到空间多边形Gi。
Step5：在三维地理可视化系统中，按照空间多边形Gi进行绘制，所有空间多边形组合构成雷达的探测范围。
输出：雷达探测方位三维显示。

Claims (5)

1.一种复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取参与计算雷达方位角、俯仰角和理论探测距离的范围；
步骤2，根据地形分辨率，对雷达方位角、俯仰角进行混合采样，形成方位角和俯仰角采样数据集；
步骤3，采用LOS通视分析算法和并行计算方法，获取每个方位剖面的不可视点集；
步骤4，对相邻剖面不可视点集进行两两聚合，形成空间多边形点集合；
步骤5，在三维地理信息系统中进行空间多边形绘制，得到单雷达空间探测范围。
2.根据权利要求1所述的复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，其特征在于，步骤1中，方位角范围为[0，360]，俯仰角范围为[-90，90]。
3.根据权利要求1所述的复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，其特征在于，步骤2中，计算雷达方位角、俯仰角的采样步长具体为：
以雷达部署点P为圆心，雷达理论探测距离R为半径组成圆，计算圆与地形分辨率为β的网格的交集，得到完整包含该圆的最小正方形地形网格区域ABCD，连接雷达部署点P与上述正方形边界地形网格交点，计算相邻连接线夹角Δθn即为方位角采样步长，计算公式如下：
Figure FDA0002407509410000011
以雷达部署点P为圆心，雷达理论探测距离R为半径组成圆，获取圆周与步长β组成的正方形网格在Z方向交点，连接雷达中心点P与圆周正方形网格交点，计算相邻连线间第n个夹角
Figure FDA0002407509410000014
即为俯仰角采样步长，计算公式如下：
Figure FDA0002407509410000012
4.根据权利要求1所述的复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，其特征在于，步骤3中，获取剖面不可视点集的具体方法为：
(1)记录初始俯仰角步长为
Figure FDA0002407509410000015
则计算初始俯仰角斜率K1，并将K1记为通视分析初始最大斜率Kmax，K1计算公式如下。
Figure FDA0002407509410000013
(2)在X方向，以β为采样步长，依次计算观察点P与通过采样步长获取的目标qi(xi,yi,zi)坐标点连线的斜率ki，ki计算公式如下：
Figure FDA0002407509410000021
如果ki>Kmax，则该点不可视，将其录入不可视点集合Q；
(3)更新最大斜率
Figure FDA0002407509410000023
在X方向，以β为采样步长，依次计算观察点P与通过采样步长获取的目标qi(xi,yi,zi)坐标点连线的斜率ki，如果ki>Kmax，则该点不可视，将其录入不可视点集合Q；
重复(3)，直至检测完所有的俯仰角采样值
Figure FDA0002407509410000024
5.根据权利要求1所述的复杂山地环境下的雷达探测能力分析方法，其特征在于，步骤3中，针对所有方位角剖面进行并行分析计算，即根据方位角采样步长获取的n个不同剖面提交至N个分布式计算节点，如果分布式计算节点个数M小于n，则每个计算节点分配Δn个剖面，Δn计算如下式：
Figure FDA0002407509410000022
如果分布式计算节点M大于等于n，则单个节点分配计算剖面个数为1。
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