CN113267754B - 一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法，以三维网格表达结构为基础，通过计算编码集合的差集、基于网格计算通视等步骤，实现地形影响下雷达探测范围的计算。本发明基于三维网格将地形数据和雷达探测范围统一为离散化的网格存储，通过通视计算思想判断雷达探测网格内的某一网格是否被地形遮挡，可以实现雷达探测区域合理、正确的三维表达，避免出现雷达探测范围内障碍物后的遮挡区域依然可以探测到目标点的错误情况，解决三维网格数据量大，计算时间长的问题，并通过改进的加速迭代方法快速得到地形影响下的雷达探测区域表示，提高了计算遮挡区域算法的效率，有助于提高网格计算规模，为相关计算研究提供有力支撑。

Description

一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法

技术领域

本发明属于雷达仿真技术领域，具体涉及一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法。

背景技术

雷达仿真作为数字模拟技术和雷达科技发展相结合的产物，在过去的几十年中，发展极为迅速，现代雷达系统日益复杂，也对雷达仿真的标准提出了更高的要求。雷达波在空间中均速直线运动传播，遭遇目标后，将被发射回来，称之为回波，通过接受回波信号再进行处理，雷达可以得到关于目标的方位和速度信息。传统雷达仿真主要通过模拟雷达天线在某一方向的信号发射与接收，同时对接收到的信号进行处理以得到雷达的探测距离。由于雷达波在遇到地形后会被反射，在地形后方形成无法到达的探测盲区。

传统遮挡计算采用通视计算思想，通过计算单个测试点与视觉出发点的连线是否经过障碍物来判断该测试点是否可视，若该连线与障碍物不相交则该点可视；反之则被遮挡。传统雷达仿真由于雷达和地形使用两套不同的数据格式和处理方式，无法在仿真时灵活考虑地形变化对雷达探测区域变化的影响，无法模拟出雷达信号遭遇地形遮挡而导致的探测失效问题，因而目前急需解决复杂地形环境的雷达探测范围的有效建模问题。近年来，随着计算机性能的提升，雷达三维探测范围逐渐取代传统的雷达探测范围对水平方向和高度方向的二维模拟，针对雷达探测范围的三维建模有很多研究，但一般的雷达参数只给出雷达在各方向角的探测距离，或者用球形或半球形的包围盒简化表示其范围，很少考虑到地形对雷达探测的影响。针对地形影响的探测计算主要是将地形因素作为影响雷达覆盖范围的因子，通过处理计算该因子，再计算实际的探测范围。该过程需多个矢量方程联立，算法复杂度为O(N²)，当雷达基础参数动态变化时，很难实现快速的建模。

与此同时，现有计算机作战仿真系统中，通常需要把地理环境数据按一定分辨率处理成按网格存储的数据，然后在此基础上展开推演和评估。三维网格由于其对三维空间的描述能力，逐渐成为描述地理环境数据的新趋势，只是由于三维网格数据量较大，对计算和存储能力提出了更高要求。网格作为数据的统一存储格式，可以解决多数据交互影响的计算问题，目前已有研究基于三维网格将雷达区域建模，采用空间离散化的思路，按照地理编码的剖分流程，结合雷达探测方程将地形数据和雷达探测数据用网格组织，实现地形和雷达区域的统一计算，但尚未解决考虑地形遮挡的雷达探测范围计算和建模方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法，以解决现有三维网格条件下雷达探测区域建模无法考虑地形遮挡的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法，该计算方法包括如下步骤：

S1、计算无地形影响下原始雷达探测范围

在自由空间中，当不考虑任何环境影响时，根据公式(1)所示的雷达方程，计算雷达最大探测距离R_max：

其中，P_t为雷达天线的发射功率，τ为雷达波脉冲带宽，G_t为发射天线功率增益，G_r为接收天线功率增益，λ为脉冲波长，F_t为发射天线到目标的方向图传播因子，F_r为接收天线与目标的方向图传播因子，σ为雷达目标的截面积，k为波尔兹曼常数，T_s为雷达接收系统的噪声，D_o为检测因子，C_b为带宽校正系数，L为系统损耗因子；

通过计算雷达最大探测距离R_max，将原始雷达探测范围近似为以点P(x,y,z)为雷达中心坐标，R_max为半径的球形区域；

S2、将原始雷达探测范围和地形转换成GeoSOT-3D编码集合

通过地理坐标将雷达区域和地形高程数据表示统一到全球剖分网格GeoSOT-3D的框架下，以GeoSOT-3D编码作为空间网格信息表的主键，用于标识剖分空间，同时记录网格内的各类关联信息；

将原始雷达探测范围按照精度要求选择合适剖分层级，将探测范围转换成编码集合，即根据GeoSOT-3D网格的编码规则计算得到雷达球形区域包含的L级网格编码ID的集合N：

以雷达中心坐标P(x,y,z)为基准，载入探测范围R_max内对应的数字地形高程模型数据，数字地形高程模型数据包含若干组经度、纬度及高度对应的三维数据，根据经纬高数值将地形数据转换成和雷达编码集合同层级的GeoSOT-3D编码集合M：

S3、计算雷达探测范围内被地形遮挡的网格

雷达区域集合和地形区域集合求差集，得到刨除地形后雷达区域的集合，此时雷达区域不包含地形，但其中仍存在由于雷达电磁波探测特性而应被地形遮挡的部分区域：

S4、计算每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线

运用通视计算原理，计算剩余网格中每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线，该连线为一组网格的集合；若该连线与地形的网格集合有交集，则说明连线被地形遮挡，连线对应的网格为被地形遮挡的不可达区域；经过迭代雷达区域中的所有网格，得到不受地形遮挡的真实探测区域。

进一步地，步骤S4中，在刨除地形后雷达区域的集合中从i＝1开始，进行迭代：

S4.1、初始化

S4.2、判断Code_i是否在可视集合

中：若在集合中则跳出迭代；若不在集合中则执行后续操作；

S4.3、计算Code_i到雷达中心坐标Code₀所在网格的连线集合

S4.4、若连线集合与地形集合无交集，即满足：

则将该连线集合中所有网格加入可视集合，

若连线集合与地形集合有交集则不做任何处理，进行下一次迭代；

S4.5、得到的最终集合

为不受地形遮挡的雷达探测区域。

进一步地，步骤S4中，对剩余的网格通过3D-Bresenham算法计算每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线。

(三)有益效果

本发明提出一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法，以三维网格表达结构为基础，通过计算编码集合的差集、基于网格计算通视等步骤，实现地形影响下雷达探测范围的计算。本发明基于三维网格将地形数据和雷达探测范围统一为离散化的网格存储，通过通视计算思想判断雷达探测网格内的某一网格是否被地形遮挡，可以实现雷达探测区域合理、正确的三维表达，避免出现雷达探测范围内障碍物后的遮挡区域依然可以探测到目标点的错误情况，解决三维网格数据量大，计算时间长的问题，并通过改进的加速迭代方法快速得到地形影响下的雷达探测区域表示，提高了计算遮挡区域算法的效率，有助于提高网格计算规模，为相关计算研究提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明实施例的地形遮挡雷达探测范围计算方法流程图；

图2为本发明实施例中空间网格信息组织结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法，利用GeoSOT-3D编码方式将空间剖分成三维网格进行编码，并通过无序哈希表的数据方式存储雷达和地形的离散网格集合，令其可以快速进行集合的交集和差集运算；随后对刨除基础地形的雷达区域进行基于通视的遮挡计算，应用加速计算方法快速将迭代次数减少，以达到快速计算的效果。主要流程如图1所示，具体包括如下步骤：

S1、计算无地形影响下原始雷达探测范围

在自由空间中，当不考虑任何环境影响时，根据如公式(1)所示的雷达方程，计算雷达最大探测距离R_max：

其中，P_t为雷达天线的发射功率，τ为雷达波脉冲带宽，G_t为发射天线功率增益，G_r为接收天线功率增益，λ为脉冲波长，F_t为发射天线到目标的方向图传播因子，F_r为接收天线与目标的方向图传播因子，σ为雷达目标的截面积，k为波尔兹曼常数，T_s为雷达接收系统的噪声，D_o为检测因子，C_b为带宽校正系数，L为系统损耗因子。

通过计算雷达最大探测距离R_max，将原始雷达探测范围近似为以点P(x,y,z)为雷达中心坐标，R_max为半径的球形区域。

S2、将原始雷达探测范围和地形转换成GeoSOT-3D编码集合

通过地理坐标将雷达区域和地形高程数据表示统一到全球剖分网格(GeoSOT-3D)的框架下，以GeoSOT-3D编码作为空间网格信息表的主键，用于标识剖分空间，同时记录网格内的各类关联信息，其组织结构如图2所示。

将原始雷达探测范围按照精度要求选择合适剖分层级，将探测范围转换成编码集合，即根据GeoSOT-3D网格的编码规则计算得到雷达球形区域包含的L级网格编码ID的集合N：

以雷达中心坐标P(x,y,z)为基准，载入探测范围R_max内对应的DEM(DigitalElevationModel，数字地形高程模型)数据。DEM数据包含若干组经度、纬度及高度对应的三维数据，根据经纬高数值将地形数据转换成和雷达编码集合同层级(L级)的GeoSOT-3D编码集合M：

S3、计算雷达探测范围内被地形遮挡的网格

由于网格ID具有唯一性，通过差集运算，将雷达探测范围对应的GeoSOT-3D编码集合中属于地形的网格去除。雷达区域集合和地形区域集合求差集，得到刨除地形后雷达区域的集合：

此时雷达区域不包含地形，但其中仍存在由于雷达电磁波探测特性而应被地形遮挡的部分区域。

S4、计算每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线

运用通视计算思想，对剩余的网格通过3D-Bresenham算法计算每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线，该连线为一组网格的集合。若该连线与地形的网格集合有交集，则说明连线被地形遮挡，连线对应的网格为被地形遮挡的不可达区域。经过迭代雷达区域中的所有网格，得到不受地形遮挡的真实探测区域。

在刨除地形后雷达区域的集合中从i＝1开始，进行如下迭代：

S4.1、初始化

S4.2、判断Code_i是否在可视集合

中：若在集合中则跳出迭代；若不在集合中则执行后续操作；

S4.3、计算Code_i到雷达中心坐标Code₀所在网格的连线集合

S4.4、若连线集合与地形集合无交集，即满足：

则将该连线集合中所有网格加入可视集合，

若连线集合与地形集合有交集则不做任何处理，进行下一次迭代；

S4.5、得到的最终集合

为不受地形遮挡的雷达探测区域。

在计算出连线没有被遮挡时，将连线所包含的全部网格加入到不受遮挡的“可视”集合，每此迭代测试网格时优先判断该网格是否在“可视”集合中。若在“可视”集合中，则说明该网格已可视，可不再重复计算连线进而计算是否可视。

改进的迭代方法能够大大加速遍历雷达区域网格的数量，提高计算效率，解决海量三维网格带来的计算耗时严重的问题。

本发明的计算方法无须将地形转换为雷达影响因子，能够省去复杂矢量方程联立的步骤，且当雷达基础参数动态变化时，仅需更改第一步的R_max即可。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于三维网格的地形遮挡雷达探测范围计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：

S1、计算无地形影响下原始雷达探测范围

在自由空间中，当不考虑任何环境影响时，根据公式(1)所示的雷达方程，计算雷达最大探测距离R_max：

其中，P_t为雷达天线的发射功率，τ为雷达波脉冲带宽，G_t为发射天线功率增益，G_r为接收天线功率增益，λ为脉冲波长，F_t为发射天线到目标的方向图传播因子，F_r为接收天线与目标的方向图传播因子，σ为雷达目标的截面积，k为波尔兹曼常数，T_s为雷达接收系统的噪声，D_o为检测因子，C_b为带宽校正系数，L为系统损耗因子；

通过计算雷达最大探测距离R_max，将原始雷达探测范围近似为以点P(x,y,z)为雷达中心坐标，R_max为半径的球形区域；

S2、将原始雷达探测范围和地形转换成GeoSOT-3D编码集合

通过地理坐标将雷达区域和地形高程数据表示统一到全球剖分网格GeoSOT-3D的框架下，以GeoSOT-3D编码作为空间网格信息表的主键，用于标识剖分空间，同时记录网格内的各类关联信息；

将原始雷达探测范围按照精度要求选择合适剖分层级，将探测范围转换成编码集合，即根据GeoSOT-3D网格的编码规则计算得到雷达球形区域包含的Level级网格编码ID的集合A：

以雷达中心坐标P(x,y,z)为基准，载入探测范围R_max内对应的数字地形高程模型数据，数字地形高程模型数据包含若干组经度、纬度及高度对应的三维数据，根据经纬高数值将地形数据转换成和雷达编码集合同层级的GeoSOT-3D编码集合B：

S3、计算刨除地形后雷达区域的集合

雷达区域集合和地形区域集合求差集，得到刨除地形后雷达区域的集合：

此时雷达区域不包含地形，但其中仍存在由于雷达电磁波探测特性而应被地形遮挡的部分区域；

S4、计算不受地形遮挡的真实探测区域

运用通视计算原理，计算剩余网格中每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线，该连线为一组网格的集合；若该连线与地形的网格集合有交集，则说明连线被地形遮挡，连线对应的网格为被地形遮挡的不可达区域；经过迭代雷达区域中的所有网格，得到不受地形遮挡的真实探测区域；其中，

在刨除地形后雷达区域的集合中从i＝1开始，进行迭代：

S4.1、初始化

S4.2、判断Code_i是否在可视集合

中：若在集合中则跳出迭代；若不在集合中则执行后续操作；

S4.3、计算Code_i到雷达中心坐标Code₀所在网格的连线集合

S4.4、若连线集合与地形集合无交集，即满足：

则将该连线集合中所有网格加入可视集合，

若连线集合与地形集合有交集则不做任何处理，进行下一次迭代；

S4.5、得到的最终集合

为不受地形遮挡的雷达探测区域。

2.如权利要求1所述的雷达探测范围计算方法，其特征在于，步骤S4中，对剩余的网格通过3D-Bresenham算法计算每个网格与雷达中心坐标所在网格的连线。

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