雷达箔条干扰模拟显示技术研究*

袁 亮 张 兵

(空军雷达学院研究生管理大队1) 武汉 430019)(空军雷达学院陆基预警监视装备系2) 武汉 430019)

1 引言

箔条干扰是一种无源干扰,它制造简单、使用方便、效果明显,是一种廉价的干扰雷达的有效手段[1]。箔条压制性干扰效果是干扰方和被干扰方都非常关心的问题。客观、科学地模拟箔条云对雷达干扰的效果,对以复杂电磁环境为背景下的现代作战及训练具有重要意义。

利用计算机技术,可以客观地把箔条干扰回波对雷达显示的影响仿真出来。本文以箔条抛洒形成箔条走廊为背景,对实现箔条干扰回波在雷达平面位置显示器(PPI)上的实时动态的模拟显示过程中关键技术问题进行探讨和研究。

2 雷达PPI箔条干扰显示特性

平面位置显示器(Plan position indicator,简称PPI),是雷达装备常用的显示器之一。它显示目标的斜距离和方位两个坐标,是极坐标形式的二度空间显示。

箔条干扰回波在雷达PPI上的显示主要是干扰方位距离、干扰强度、干扰移动扩散方面的显示。箔条投抛后在立体空间中做无规律的随机运动,箔条本身没有动力,自身进行扩散并受环境的影响移动,雷达显示也随着干扰扩散其有效雷达截面的增大显示干扰回波的出现扩散和消失。由于PPI显示的二维特性,PPI显示的干扰移动主要是干扰平行于水平面上的扩散运动。可以忽略干扰垂直水平面方向上的运动,认为在此方向上的速度和速率变化为零。

图1所示为实际雷达PPI箔条干扰显示截图,从图形中可以看出干扰方位距离以及干扰投抛路径。在模拟显示中要客观动态的显示箔条干扰回波图形,主要工作就是如何建立箔条干扰扩散运动模型以及如何对箔条进行运动控制。

图1 箔条干扰雷达PPI显示

3 箔条粒子系统运动模型

箔条的运动是空间随机运动,可用布朗运动或维纳过程对其进行描述。为实现这种运动并反映到回波上,采用粒子系统来建立箔条运动模型。

采用粒子系统建立雷达箔条干扰仿真模型,用粒子系统表征箔条云的动态性和随机性,在实际空间建立雷达箔条干扰的粒子模型,并采用计算可视化技术,可以很好地在计算机上模拟显示雷达箔条干扰。

3.1 粒子系统简介

粒子系统最早是由 Reeves在 1983年提出的[2],其基本思想是利用一定数量的粒子组成的粒子群体模拟不规则、模糊的物体。粒子系统有以下两大特点[3]:

1)每个粒子都包含相同的属性。如位置、大小、初速度、生存期等。

2)粒子在随时间的变化中,按照所赋予的轨迹函数或粒子运动学规律改变其状态。

3.2 箔条粒子系统运动模型

由于箔条能很好地反映大气流动的特性,将箔条在水平面的运动速度取大气流动速度一致。设大气流动速度为vh,流动方向相对正北方向为θ(x方向为正),则此时单根箔条的位置增量为:

其中vx,vy为粒子在t时刻受大气流动影响产生的x方向和y方向的速度。将式(1)写为其离散形式:

杨学斌[4]讨论了箔条云团布朗运动扩散模型,他将反映大气运动的箔条扩散运动看为是布朗运动。为了简化模型,直接将箔条扩散运动视为是布朗运动即维纳过程,假设箔条在水平面方向扩散都服从维纳过程,则箔条的扩散运动可以描述为:

其中A是服从高斯分布的随机变量。

综合式(2)、(4),我们可以得到箔条运动模型:

4 雷达箔条干扰回波画面生成技术

箔条在投抛时数量级比较大,仿真时对每根箔条粒子都进行绘制难以实现而且会大大降低仿真速度,采用纹理映射技术和混色技术能较好地解决此问题。结合粒子系统理论以实现三坐标雷达箔条云干扰回波的动态画面。

4.1 纹理映射技术

纹理映射(Texture Mapping)是通过将像素与几何对象结合,为图像营造出一种非常复杂的视觉效果,避免了建立大量几何模型所需要的开销[5]。纹理映射是把二维图像上的像素值映射到三维实体模型对应的多边形顶点上,以增强实体模型的真实感。它本质上是一个二维纹理平面到三维景物表面的一个映射[6]。采用纹理映射技术使用贴上纹理的小四边形作为基本粒子,一个面片可以代替几百上千粒子,使用稍微复杂的粒子可以减小粒子的数目而达到相同的效果以提高性能。

在程序设计中,通过获得粒子在PPI显示上的位置,以此为正方形的中点绘制小正方形来进行纹理映射,同时可以通过放大正方形来达到干扰扩散现实的目的。

4.2 单个纹理的生成

箔条在空间做布朗运动,它们形成箔条云在位置上是符合高斯分布的,可以采用符合高斯分布的粒子图片作为纹理映射图。

可以通过绘制符合高斯分布的球体来完成图形的绘制,由于球状粒子的厚度从中心向边缘递减,可以认为代表它的纹理的灰度满足这个规律[6],根据高斯分布的密度公式调节粒子的灰度值。另外可以使用 Photoshop滤镜直接进行绘制。图2为生成的32×32粒子纹理图。

图2 粒子纹理图

4.3 混色技术

混色可以实现透明以及着色,混色就是将某个像素的颜色和已绘制在屏幕上与其对应的像素颜色相互结合。为了消去粒子纹理图片中黑色的像素并且为白色纹理着色就需要用到混色功能。混色的基本原理是将要分色的图像各像素的颜色以及背景颜色均按照RGB规则各自分离之后,根据:

图像的 RGB颜色分量×alpha值+背景的RGB颜色分量×(1-alpha值)

这样一个公式来混合之后,最后将混合得到的RGB分量重新合并。由于PPI背景为黑色而且PPI显示回波一般为绿色,所以可以通过混色来实现粒子的显示。

由上面的公式可以得出当alpha=1时,图像完全显示,背景不显示,即图像在背景上显示;而当alpha=0时,图像没有显示而背景完全显示,即图像消失。当alpha为中间值时,就是背景与图像的混色。通过上面分析,可以动态地设置alpha值模拟干扰的出现,减弱和消失。

4.4 粒子的出现与消亡

箔条投抛后雷达不能直接观测到,箔条有一个扩散过程,当达到雷达观测最小截面时才能产生回波并在数据终端上显示出来。

箔条的质量较轻,在空中投放时会缓慢的扩散并下降,施放箔条干扰一般都在高空进行,在其落地之前箔条将进行长时间的扩散运动,可以认为降落到一定高度就已经充分扩散雷达照射波束中的粒子雷达截面已经达不到最小雷达观测截面,对粒子消亡只从粒子扩散方面进行判断而忽略垂直下降带来的影响。

由于PPI显示的二维特性,只能显示粒子在波束方向上的粒子水平位置信息,所以可以通过求取划分区间的粒子密度来判断。划分区间判断粒子密度在工程上难以实现,而且会降低仿真速度。粒子做布朗运动而且在空间呈高斯分布,我们就对高斯粒子扩散运动进行单向数值统计,即对模型中的式(4)的值进行叠加,当扩散距离绝对值超过某个高数值时,就认为粒子密度较低达不到雷达探测散射最小截面而删除粒子。同样,当粒子扩散绝对值达到某个低数值时,就认为粒子密度达到雷达探测最小截面,从而加入粒子。另外,出现时间长的粒子在概率上应该扩散越充分,其回波信号越微弱,设定粒子固定周期的衰减量。

5 雷达箔条干扰回波模拟显示

本文使用VC++软件和OpenGL图形库来开发模拟显示程序,这种方法灵活性好、效率高、可移植性好、图形处理能力强。

为了检验其显示效果,直接设置箔条为等距横向投抛。设置干扰出现的扩散距离偏移量为0.5km,为了观测其扩散特性,设置大的干扰消亡偏移量为10km。

图3 干扰过程显示图

图3模拟箔条云干扰从出现、扩散、成熟到消失的过程,图形说明此方法的有效性和可行性。

根据上述方法对箔条云干扰扩散添加粒子纹理图扩展分量来模拟粒子扩散,并对实际雷达观测的雷达箔条云干扰图形进行仿真。所成截图如图4所示。

图4 雷达箔条干扰显示图形

图4是根据雷达实际观测的干扰显示模拟的显示图形,结果与真实图形比较接近,其显示能较好的反映箔条在空间的随机运动,体现出箔条运动扩散特征。

6 结语

本文通过模拟箔条干扰回波的雷达PPI显示,对实现箔条干扰实时动态显示的关键技术进行了研究,模拟显示结果表明此方法能较好的模拟箔条干扰对雷达显示的影响,体现出干扰画面的实时性和客观性。

[1]沈志群.箔条干扰及其实验研究[J].上海航天,1992(6):2～4

[2]Reeves W T.Particle Systems a Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects[C]∥13th IEEE Visualization 2002 Conference,2002:227～234

[3]王润杰,田景全等.基于粒子系统的实时雨雪模型[J].系统仿真学报,2003,15(4):495～496

[4]杨学斌,吕善伟.箔条云团的布朗运动扩散模型[J].北京航空航天大学学报,26(6):650～652

[5][美]Edward Angle.OpenGL编程基础[M].段菲,译.北京:清华大学出版社,2008

[6]肖源源,王子牛.基于VC++的OpenGL纹理映射技术的研究与实现[J].贵州大学学报,2008,25(2):158～160