基于场景绘制方法的航海雷达图像仿真

发布时间：2020-03-19 00:44

【摘要】：在航海教育培训实践中,雷达模拟器较之真雷达设备更具灵活性且成本更低,因而被广泛应用于雷达操作使用训练。目前国内的雷达模拟器主要采用以二维岸线(或等高线)数据为基础的扫描线求交算法生成雷达图像,导致生成的回波图像目标遮挡关系不明确,真实感不高,训练效果受影响。为解决上述问题,本文开展了以三维场景数据为数据源的雷达图像生成方法研究,论文的主要研究工作如下:1.通过对比雷达工作过程和三维场景绘制过程,发现两者有诸多相似之处,也存在一些明显的差异,在此基础上提出了利用场景绘制技术生成仿真雷达图像的方法。该方法采用透视投影绘制三维场景,实际上是利用了图形处理器内置的z-Buffer算法解决目标遮挡判断问题,绘制过程中利用可编程图形处理器在着色器程序中计算雷达探测距离和回波强度,计算结果保存在帧缓存内,再从帧缓存读取距离和回波强度并转换为雷达径向扫描线进而生成仿真雷达图像。针对透视投影foreshortening现象造成的远距离低平目标回波图像断裂现象进行了分析,提出了一些针对性的缓解措施,同时也分析了一次绘制生成多条扫描线带来的方位映射误差。2.分析了径向扫描线从极坐标到直角坐标扫描变换过程中出现的死点和盲点现象,提出了利用纹理映射实现扫描变换的方法,该方法不再将径向扫描线直接映射到屏幕上,而是存储于矩形纹理图像中,将圆形雷达显示区域划分为若干小扇形,再将纹理图像映射到小扇形上形成雷达图像。纹理映射方法将扫描变换过程与图形绘制过程结合在一起,实际上由GPU来完成扫描变换过程,简单高效,且很好地克服了扫描变换过程中的死点和盲点现象。3.为寻求合理的仿真雷达图像回波强度算法,分析了孤立目标和扩展目标的雷达方程,确定了适用于雷达图像仿真的雷达方程,提出了基于雷达方程的回波强度算法。采用sinx/x天线方向图函数分析雷达天线的方向性,提出了雷达波垂直方向衰减算法,提出通过操作纹理图像像素来实现回波的横向扩展和径向扩展以及旁瓣回波。根据ITU的建议标准计算雷达波的大气吸收损耗、降雨损耗和云雾损耗,并提出了基于GPU的雷达波传播衰减实现方法。采用Y常数模型和经验模型计算目标的后向散射系数。仿真实验表明,扩展后的回波真实感进一步提升,回波强度符合雷达波基本特性,能够较好地模拟增益调节效果。4.阐述了创建地形、港口设施和助航标志和船舶等三维雷达数据的基本方法,利用创建的模型进行仿真实验,仿真结果表明场景绘制方法能够在3 s左右生成360°圆周扫描雷达图像,满足实时性要求,图像能够反映不同尺寸、不同航向船舶回波的变化。利用场景绘制方法生成的仿真雷达图像遮挡判断明确,回波强度合理,真实感更高,为雷达使用训练提供了更好的基础条件。
【图文】：

模拟器主要有航海模拟器、ＧＭＤＳＳ模拟器、机舱模拟器、货物操作模逡逑拟器等。Ｔｒａｎｓａｓ邋航海模拟器最新型号为邋Ｎａｖｉ－Ｔｒａｉｎｅｒ邋Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ邋５０００邋（ＮＴＰＲＯ逡逑５０００），仿真雷达图像见图１．２。逡逑ｎｎ逡逑ａ．大增益逦ｂ．小增益逡逑图１．２船商ＮＴＰＲ０５０００模拟器的仿真雷达图像逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｒａｄａｒ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋Ｔｒａｎｓａｓ邋ＮＴＰＲＯ邋５０００邋ｓｉｍｕｌａｔｏｒ逡逑Ｔｒａｎｓａｓ邋ＮＴＰＲＯ－５０００的雷达图像生成算法实现了以下功能：逡逑？几何体和他们的相互位置；逡逑？材质反射特性；逡逑？邋３Ｄ波浪；逡逑？天线三维运动；逡逑？地球曲率；逡逑－７邋－逡逑

另一家德国军工企业Ｒｈｅｉｎｍｅｔａｌｌ邋Ｄｅｆｅｎｓｅ于２００３年收购了该公司并开始生产航海逡逑模拟器，，最新的模拟器型号为Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｎａｕｔｉｃａｌ邋Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ邋６０００邋（ＡＮＳ６０００），仿真逡逑雷达图像见图１．３，图１．３ａ是叠加了电子海图的仿真雷达图像，从与电子海图的逡逑对比可看出雷达图像具有较好的遮挡判断效果。逡逑＾逦ＮＵｒ逦挪丨丨丨邋ＨＭＩＧｔ邋（ＳＮＭ逡逑ｉｒ逦ｍ邋％邋：三邋ｉ广逦＾逡逑＿邋＿逡逑ｋｉ邋－？１邋“洲逦．： 一0ａ邋＜＊＊邋？逦■＇＊逦Ｌ－，邋ｕ邋Ｕ．邋０？．邋ｉｖｕ＿ｖｉｅ＿逡逑ａ．叠加电子海图逦ｂ．偏心显示逡逑图１．３莱茵金属ＡＮＳ６０００模拟器的仿真雷达图像逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｒａｄａｒ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋Ｒｈｅｉｎｍｅｔａｌｌ邋ＡＮＳ６０００邋ｓｉｍｕｌａｔｏｒ逡逑２０世纪９０年代以前，国内的航海模拟器市场主要由国外模拟器产品所占据，逡逑—套模拟器动则几百万美元甚至上千万美元，９０年代起我国的航海院校开始自主逡逑研制雷达模拟器和航海模拟器，打破了国外产品的垄断地位，使得国内航海院校逡逑能以低廉的价格大量装备模拟器用于教学，如今国产模拟器的市场份额已经占据逡逑绝对领导地位。目前
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.52

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本文编号：2589427