基于排序加权法的雷达宽带视频显示控制方法

邢永昌，孟 凡

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

现代战争对雷达装备功能和性能提出了越来越高的要求。宽带视频显示(高分辨率一维显示、二维显示）是现代雷达中一个重要的研究方向，是解决多目标分辨、目标分类和目标跟踪等难题的重要途径。因此，宽带雷达技术已经日益广泛地应用在装备中［1］。所谓宽带视频是指宽带雷达的回波视频数据。由于宽带雷达的发射信号频率带宽比较宽，其距离分辨率比较高，可以获取更多目标细节。其典型特征是，宽带视频的距离单元往往小于1 m。

传统雷达视频由于带宽较窄难以提供更多的目标信息，宽带视频可以提供精细的雷达特征数据，同时其数据率是传统雷达视频的几十到几百倍。对宽带视频的显示的精度也要达到窄带视频的几十到几百倍，否则无法体现宽带视频的优势。随着数据量的增加对提高目标的人工辅助识别能力也提出较高要求［2］。目前，常用显控台大多采用嵌入式操作系统。该平台虽然具有实时性好、可靠性高、安全性强的优点，但是不具备高级绘图工具，没有可以直接实现宽带视频显示控制的工具，对目标的人工辅助识别能力更是无法实现。针对以上情况，本文采用基本绘图函数和排序加权法对宽带视频数据进行分段处理，不但实现了宽带视频显示控制的一般功能(放大缩小显示），而且达到突出显示目标的效果，提高了人工辅助识别目标的能力。

1 基本原理

雷达宽带视频数据是距离单元的幅度值，每个雷达脉冲对应一组视频数据。宽带视频显示类似于雷达视频的A 显［3］(雷达视频在A 型显示器上显示的画面，即雷达视频的目标距离-幅度显示方式），即显示一个主脉冲的视频数据，横坐标表示视频的距离，纵坐标表示能量的强度即幅度。通常雷达宽带视频的数据量较大，距离单元和显示单元无法一一对应，需要融合多个距离单元的数据通过一个显示单元显示。同时，由于宽带数据量大，不利于人工识别目标。针对这两个需求，本文引入排序加权法进行数据处理显示。

首先，该方法主要对需要在同一个显示单元显示的宽带视频数据段内的幅度进行排序，得到最大值和最小值的差;然后，以该差值作为权值系数，对显示单元对应的数据段内的幅度进行加权处理，以得到期望幅度。该方法的权值随幅度的增加呈匀加速变化，从而达到突显目标幅度的目的。另外，为实现任何距离和幅度范围内的视频数据放大、缩小等显示，本文采用基本绘图函数连接期望幅度所对应的显示坐标，从而准确和形象地反映一定距离段内的视频数据。

2 本文算法

默认情况下是全量程显示，最主要的操作是区域放大显示，其他功能均可以通过这两种显示方法组合。下面详细介绍全量程显示和区域放大显示的具体实现算法。

2.1 全量程显示

全量程显示要把当前脉冲中所有宽带视频信息全面显示出来，最理想的效果是在全量程显示区内使距离单元和显示单元一一对应显示。这样可以让操作员对整个主触发的宽带回波有整体而详细的了解。但是，由于宽带回波中每帧数据距离单元的个数远远超过屏幕所提供的坐标范围，所以要进行放大或缩小显示，必须要把整体问题局部化，一方面突显目标幅度，另一方面可以保证放大或缩小所需要的显示精度，最后以局部的处理效果达到整体的显示［4-5］。

2.1.1 对单个距离单元幅度的显示算法

要实现一系列距离单元幅度的显示，首先实现一个距离单元上幅度的显示。这里考虑实现在显示区中每个期望幅度所对应的显示坐标。通过公式(1）获取视频数据中每个幅度值在显示区中对应的显示坐标。

其中，η为某一个幅度值对应宽带显示单元的坐标值，即显示幅度;i为距离单元序号;M为宽带显示区可以显示的最大纵坐标值;x为当前距离单元的实际幅度值;Η为当前主脉冲的最大幅度值。另外，对整个主脉冲中的数据检测获取最大幅度值Η，通过上面公式计算获取每个距离单元对应的显示幅度信息。

2.1.2 多个距离单元数据的处理算法

距离单元与显示单元一一对应的显示是宽带显示中的最理想情况，通常一个显示单元对应多个连续的距离单元。如何准确地处理多个距离单元的幅度值与对应显示单元相匹配，从而实现宽带视频的放大与缩小显示，是本文着重考虑的问题。在这里采用排序加权法计算一段距离单元对应的显示单元坐标值，主要采用公式(1）和以下两个公式计算。

其中，i、j分别为屏幕坐标单元序号和每个屏幕坐标对应距离段中的单元序号，yi为每个屏幕做标点的幅度显示值，n为一个显示单元对应的距离单元个数。每个屏幕坐标i的幅度值yi表示n个原始幅度值，xij为屏幕坐标i 代表n个距离单元中从小到大排序后所对应的第j个距离单元，△为n个点中幅度最大值与最小值差的绝对值。

2.1.3 全量程显示的实现

通过排序加权法根据具体显示区的宽度和高度计算得到每个显示单元对应的绘图值，把相邻显示单元对应的坐标通过直线相连，即可实现全量程显示的实现。

2.2 区域放大显示

区域放大显示相当于AR 显示中的R 显，但是比R 显的功能更强大，这里可以实现距离和幅度的同时放大显示，并且操作灵活。

当一个显示单元对应多个(大于一个）距离单元时采用公式(1）、(2）、(3）实现，而当一个距离单元对应一个显示单元或一个距离单元对应多个显示单元时采用公式(1）实现。

3 实现步骤与操作方法

通过以下6 步描述其实现步骤及其显示效果:

(1）根据以上公式，针对雷达宽带视频数据，由公式(1）、(2）、(3）得到排序加权法所凝聚出每个显示单元的坐标值，由基本绘图函数实现全量程显示。设全量程距离为d，最大幅度为h，某主脉冲对应的一帧数据，显示效果如图1所示。

图1 全量程回波显示图

图2 放大显示操作图

(3）根据步骤(2）所得到的各项参数，通过公式(1）、(2）、(3）或只通过公式(1），采用排序加权法计算出每个显示单元对应的坐标。

图3 放大效果图

(4）根据得到的显示单元坐标值，采用基本绘图函数，通过逐点连线，即可绘制出放大后的宽带视频，显示效果如图3所示。

(5）当放大倍数扩大到多个显示单元对应一个距离单元时其显示效果如图4所示。

图4 连线绘制图

(6）针对缩小操作，直接恢复到原始显示状态，如图1所示。

操作方法为:采用即见即所得方法实现放大与缩小操作。按着鼠标左键拖动光标形成一个矩形虚线区域，松开光标即可以在整个宽带显示窗口中放大显示矩形区域内部选中数据段的宽带视频，如图2和图3所示。可以在图3的基础上再进行放大显示。在宽带显示区双击操纵球右键即可以恢复显示该主触发数据的全量程模式。通过光标点击前“一个主触发”或“下一个主触发”按钮切换显示前一个或后一个主触发数据。最多可以缓存50个主触发数据。

4 试验结果与分析

试验环境:Intel®CoretmDuo 1.66Hz中央处理器，2 GB 内存，VxWorks5.5 操作系统。雷达天线转速为15 r/min，每个天线周期选择宽带波门内50个主触发数据处理。波门的距离长度为15000 m，宽带为200 M。

试验结果:基于排序加权法的雷达宽带视频显示控制模块是嵌入显控分机软件中实现的。显示刷新率为10 Hz，在进行宽带视频显示控制与整个显控软件正常运行的情况下，CPU 占用率≤30%，内存使用率≤40%。

算法分析:在VxWorks5.5 操作系统平台上显示雷达宽带视频，传统方法往往采用多个距离单元的均值作为中间值计算对应显示单元的位置;如果目标在某显示单元中占的距离单元比例不占绝对优势，均值结果接近非目标幅度无法显示出目标，不利于发现和识别目标。本文的排序加权算法通过突出显示大幅度雷达视频单元(即目标回波），可以突出显示目标回波，提高人工辅助识别目标的能力，并且运算量可以满足实时性的要求。

5 结束语

通过试验验证，本文的基于排序加权法的雷达宽带视频显示控制方法通过灵活操作，可以直观、形象地实现宽带视频的实时显示，能够在保证可靠性的前提下显著提高人工辅助识别的能力。该方法不仅可以用于雷达宽带视频的显示控制，而且也适用于窄带视频AR 显或其他类示波器显示领域。

［1］李海英，杨汝良.超宽带雷达的发展、现状及应用［J］.遥感技术与应用，2001，16(3）.

［2］吴令宇.宽带信号分析的DSP算法研究与实现［D］.西安电子科技大学硕士学位论文，2008.

［3］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2002.3.

［4］White F.A model for data fusion//SPIE Conference on Sensor Fusion.Orlando:FL，1988:187-191.

［5］王婷杰，施惠昌.一种基于模糊理论的一致性数据融合方法［J］.传感器技术，1999，18(6）:50-53.

［6］Goodman I R，Mahler R P S，Nguyen H T.Mathematics of Data Fusion［M］.Dordecht:Kluwer Academic Publishers，1997.