基于粒子系统的电磁场强分布计算方法

马 飞，鹿 川，张庆伟

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.石家庄市第十一中学，河北 石家庄 050000)

基于粒子系统的电磁场强分布计算方法

马 飞1，鹿 川1，张庆伟2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.石家庄市第十一中学，河北 石家庄 050000)

针对电磁对抗领域中电磁态势显示的需求及传统电磁传播模型计算速度慢的现状，提出了一种基于粒子系统的电磁场强计算及显示方法。将基于电磁波传播模型的辐射源空间电磁场强计算简化为基于粒子系统的图形计算及显示方法，针对辐射源工作参数及天线方向图数据生成OSG粒子模型，利用OSG引擎的高速计算及渲染能力，直接将计算结果渲染至二维/三维态势图中，实现了在复杂电磁环境下电磁态势的实时显示。

OSG粒子系统；电磁态势；电磁场强分布；电磁传播

0 引言

随着技术的快速发展，复杂电磁环境下电磁场强分布计算及直观显示已经成为电子对抗系统的必备能力。

目前已有系统多采用复杂的电磁波传播模型对辐射源进行建模[1]，经过大量复杂的电磁波传播计算后再对计算结果进行可视化处理显示为电磁态势[2]。在这种计算流程下计算结果需要首先在内存中生成，经过CPU计算再发送至渲染系统进行显示渲染，数据需要频繁由渲染系统之外发送至渲染系统内部[3]，从而导致效率低下。

基于粒子系统的电磁场强分布计算方法，针对传统计算方法提出了一种新的计算的流程：首先，将传统计算方法中计算结果输出及可视化2项工作合并为粒子运动一项，直接在运动计算时更新显示引擎的图形，精简了数据交互的流程；其次，直接交由图形引擎进行渲染，利用GPU高速并行计算能力提高了计算结果显示的实时性。

1 “OSG”及粒子系统

OSG(OpenSceneGraph)是一个开源的三维图形开发引擎，基于OpenGL(ES)技术，采用C++接口编写，具有高性能、可扩展性和接口化等特点，被广泛应用于各类视景仿真、增强现实和游戏等领域[4]。

粒子系统是构造具有模糊形状物体(如火焰、云等)的计算模型的方法，OSG粒子系统是在OSG引擎的基础上实现的一套高通用性、高效率的粒子计算及渲染系统[5]。

2 计算理论

基于粒子系统的电磁场强分布计算方法所计算的粒子是在渲染系统中提出的概念模型，将电磁波传播的宏观效果抽象为粒子运动，其运动速度是基于视觉效果确定的速度，但粒子的功率仍满足传统计算的流程：发射机功率加上天线增益减去电磁传播衰减再加上接收天线增益，粒子系统所进行的计算相当于在当前粒子运动的位置上计算接收功率。每次计算结果的粒子位置及功率都由粒子直接更新至渲染图形，不再保存输出。粒子的功率计算公式如下：

Pc=P0+I0-L。

(1)

式中，Pc为计算功率(dBm)；P0为粒子初始功率(dBm)；I0为发射天线增益(dBi)，需要时可将接收天线增益合并计算；L为电磁传播衰减，选用的电磁传播模型种类不限但约定只考虑纵向路径。

粒子运动的速度根据分析参考范围、刷新率进行修正，速度的基础原则为使单个粒子在1s时间范围内运动到基本的参考范围边缘。由于地球曲面造成的通视因素影响，在不考虑大气波导、天波等效应的前提下，电磁场强的参考范围基本可视为辐射源的通视范围，通视范围的计算公式如下[6]：

(2)

式中，H1为起点高度(m)；H2为终点高度(m)；R为通视距离(km)。取不同的起点终点高度计算的通视距离如表1所示。

表1 通视距离表

根据表1中计算结果取结果的中间值作为计算参考范围，针对地面辐射源的参考范围取30 km(速度0.5 km/帧)，针对空中辐射源的参考范围取600 km(速度10 km/帧)。

在显示渲染的过程中预先在渲染系统中创建渲染图形，粒子根据运动距离计算传播衰减，衰减计算时默认采用双线传播模型计算[7]，也可根据应用需求采用其他电磁传播模型(如文献[8-9]中论述的ITU-R P.1546等)。双线传播模型的计算公式如下：

L=120+40logd-20logH1-20logH2。

(3)

式中，d为运动距离(km)；H1为发射天线中心点高度(m)；H2为接收天线粒子当前位置高度(m)。

粒子初始功率减去衰减值更新为粒子当前功率，当粒子当前功率低于计算阈值(如-120dBm)后则不再计算位置及功率参数，根据粒子的当前功率转换为粒子颜色，颜色转换方式如下，建立由0～-150dBm的彩虹色带，0dBm采用红色，-150dBm采用蓝色，将粒子功率(-150～0dBm)作为数组索引获取对应的颜色。

图1 彩虹色带示意

关于二三维应用场景中粒子功率与颜色的对应关系将在下节中具体讨论。

3 粒子运动及渲染

基于粒子系统的电磁场强分布计算方法，在进行计算前需要提前准备以下的参数数据：根据待计算的辐射源信息获取辐射源相关频率、功率和天线等参数；根据应用场景选择二维、三维天线方向图并确定计算角度[10]；根据应用系统对计算结果准确度的要求，确定计算使用的电磁传播模型。

针对电磁态势应用场景可以分为二维应用场景和三维应用场景两类。二维应用场景只考虑地表电磁场强分布，粒子在水平面上运动，针对运动路线上的地形起伏进行运算；三维应用场景则需要考虑粒子在空间球坐标下的运动。

3.1 二维应用场景

二维应用场景下只在水平面范围内创建粒子。

3.1.1 建立坐标系

以海拔0m为基础，在当前位置点的地球表面的切面上，以当前位置点为0点，正东方向为正建立X轴，正北方向为正建立Y轴。

3.1.2 生成渲染图形

为防止在显示过程中因缩放造成粒子间空隙，最终效果采用一个闭合的多边型图形进行展示(多层)，多边形顶点采用与粒子运动方向一致的多层网格结构，多边形图形顶点位置由粒子位置确定[11]，根据粒子运行的距离决定更新至第几层，多边形顶点颜色由粒子功率确定。例如在1°计算角度及60帧刷新的显示系统中(假设每帧渲染一圈)，渲染图形顶点数组为60行360列的矩阵，每行代表不同计算时间(距离)的一圈360个角度上的位置。

3.1.3 生成粒子

根据计算前确定的计算角度，在XY平面上360°范围内计算粒子数量[12]。例如1°计算角度下一次生成360个粒子，每个粒子关联渲染多边形中的一列顶点。使用辐射源参数(包括经度、纬度、高度、天线指向、功率和频率等)、粒子初始运动角度、二维天线方向图、图形顶点索引和图形颜色索引等参数初始化粒子[13]，计算粒子初始功率。计算粒子功率之前需要根据粒子运动方向获取天线方向图增益，天线方向图获取增益步骤如下：

① 根据辐射源天线指向及粒子运动方向计算粒子运动方向在方向图坐标系的方位;

② 根据方向图方位，取天线方向图中对应的方位增益值，如果没有完全相同的方位则取距离当前方位最近的一个点的增益。

图2 天线方向图增益获取示意

粒子初始功率计算公式如下：

P=30+10logPw+I。

(4)

式中，P为计算功率(dBm)；Pw为辐射源功率(W)；I为天线增益(dBi)。

3.1.4 粒子运动

粒子由渲染系统生成后，将沿预设的方向采用预设速度进行直线运动，根据粒子运动距离(若传播模型需求还需考虑地形)采用式(3)计算传播衰减，采用式(1)计算更新粒子当前功率并更新至渲染图形进行效果渲染。

二维应用场景下电磁场强的显示效果为由空中向地面俯视的角度形成的覆盖辐射源周边的网状结构，每个粒子需要在运动的不同时间更新渲染图形的不同列顶点位置，粒子功率低于-120dBm后不再向前运动。单个粒子更新顶点的逻辑示意如图3所示。

图3 二维粒子位置更新示意

在实时性要求较低的系统中可直接采用复杂的电磁传播模型[14](如电磁波绕射、反射传播模型)计算粒子功率。

3.1.5 效果渲染

渲染引擎在实时刷新的过程中根据粒子更新的图形顶点及颜色渲染图形，由于辐射源中心位置多采用地理坐标的方式输入，在渲染之前需要将位置数组中粒子位置的经纬高转换为渲染场景中的坐标值，根据所使用的渲染引擎及态势场景坐标定义不同转换的方式也不相同，这里不再统一说明。

二维场景中，渲染图形顶点中每行都相当于在不同方向上粒子的位置及颜色，每列则代表了不同计算距离(次数)的结果值。在第一行顶点中，相邻两点与粒子产生的原点按三角形进行渲染。从第二组数据开始，由上一组数据的相邻两点及本组数据的相邻两点组成四边形进行渲染。

二维应用中建议的粒子功率与颜色配置如表2所示，使用粒子在当前位置的功率对应粒子颜色，其中RGB值分别采用0～255表示，0代表无颜色，255代表颜色最深。

表2 颜色参数表

二维渲染方式示意如图4所示。

3.2 三维应用场景

三维应用场景下除了在水平面范围内还需要在垂直地面范围内创建粒子。

3.2.1 建立坐标系

以辐射源当前位置(经纬高)为0点建立北天东球坐标系[15]，方位及俯仰的定义如图5所示。

图5 三维球坐标示意

3.2.2 生成渲染图形

三维场景中渲染图形在不同时间形成不同的闭合图形，但闭合图形间会由于互相遮挡造成内部图形不可见，因此只需要渲染最外层图形即可。创建图形时只创建最外层图形，粒子只需要不断更新最外层图形的顶点及颜色即可。三维多层图形示意如图6所示。

图6 三维多层图形示意

3.2.3 生成粒子

根据计算前确定的计算角度，确定水平面计算方向数量，并在每个方向上在垂直于水平面的垂直面上根据计算角度生成粒子[16]。采用与二维场景中类似的方法初始化粒子并计算粒子的初始功率。

3.2.4 粒子运动

采用与二维场景中类似的方法进行粒子运动计算，并更新图形顶点位置及颜色。三维场景中由于只渲染最外层顶点，每个粒子与渲染图形的位置及颜色顶点为一对一的关系，每个粒子在运动过程中更新自己对应的顶点即可。

3.2.5 效果渲染

三维场景中效果渲染顶点的定义方式与二维场景类似，但图形顶点顺序与二维场景不同。每行代表了俯仰值相同的不同方向的粒子，每列则表示不同的俯仰值。维粒子分布示意如图7所示。

图7 三维粒子分布示意

第1行相邻两点与计算原点按三角形进行渲染，从第2行数据开始到倒数第2行数据，相邻两点与下一行数据按四边形型进行渲染，最后一行自身按多边形进行渲染形成封口。

与二维场景不同三维图形由于不渲染内层的图形，为了防止高功率的颜色被副瓣等凹凸不平的部分挡住，在颜色设置上使用粒子的初始功率而不是当前功率计算颜色，颜色参数与二维相同。最终效果为距离中心点越远粒子越接近红色，距中心点越近粒子越接近紫色。三维渲染方式示意如图8所示。

图8 三维渲染方式示意

4 效果对比

在计算相同网格的前提下，传统计算方法需要首先在内存中计算结果，再将计算结果传输至渲染系统中形成图形数据并进行渲染。

基于粒子系统的电磁场强分布计算方法将计算结果直接更新到渲染系统的图形数据中，从而降低了处理时间，提高了处理速度。此外，OSG粒子系统也对粒子运动的计算有内部优化处理，进一步提高了处理速度。

下面列出了在二维场景中使用传统计算方法及使用本方法的计算渲染时间。取1°计算角度按地面辐射源30 km范围60帧刷新每帧计算为前提进行计算。计算渲染时间对比如表3所示。

通过数据对比可以看到基于粒子系统的计算方法比传统方法单次计算速度提高了16倍，在多次计算时由于OSG引擎内部的优化还有进一步的提升空间。

传统计算方法由于计算速度无法满足实时渲染的要求在工程应用中缺少三维计算及显示的实例。在三维应用场景中，同样采用1°计算角度，粒子数量为360*180个为二维应用场景的180倍，但由于三维场景只需要渲染最外一层图形，实际向渲染图形更新的次数并不高，在60帧刷新的前提下二维场景需要更新360*60个顶点，三维场景更新360*180个顶点，图形更新量仅为二维应用的3倍。三维计算渲染时间如表3所示。

表3 计算渲染时间对比

通过表3和表4中数据对比可以发现，三维应用场景计算速度可以满足实时渲染的要求，可以应用在实时渲染的工程中。

5 结束语

基于粒子系统的电磁场强分布计算方法针对工程应用中电磁场空间分布的实际需求，利用粒子系统在二维场景中形成平面分布网格，在三维场景中形成空间立体包络，直观地展示了辐射源的电磁态势效果。在不损失计算精度的前提下通过优化业务实现流程提高了处理速度，为复杂电磁环境下的大范围电磁态势计算及显示提供了一种简便快捷的实现方法。

在未来的发展过程中，可以考虑针对渲染系统显示时的具体视角及可视范围动态调整粒子的数量及粒子运动计算次数，距离视点位置远的辐射源在计算时可降低粒子数量及计算次数从而实现计算方法的进一步优化。

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马 飞 男，(1979—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：通信对抗技术。

鹿 川 男，(1982—)，工程师。主要研究方向：通信对抗技术。

Calculation Method of Electromagnetic Field Intensity Distribution Based on Particle System

MA Fei1，LU Chuan1，ZHANG Qing-wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China; 2.No.11MiddleSchoolofShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050000,China)

To satisfy the requirement for electromagnetic situation display and improve the calculation speed of electromagnetic field intensity distribution in the field of electromagnetic countermeasure,the paper discuses a new calculation method,which replaces the traditional electromagnetic propagation calculation with OSG particle system modelling.By modelling OSG particle with parameters of radiation source and antenna pattern data,and through the high calculation capability of GPU,this method directly turn the results into electromagnetic situation,which guarantees the real-time display of electromagnetic situation in complex electromagnetic environment.

OSG particle system；electromagnetic situation；electromagnetic field intensity distribution；electromagnetic propagation

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.13

马 飞，鹿 川，张庆伟.基于粒子系统的电磁场强分布计算方法[J].无线电工程,2017,47(4):53-57.

2017-01-07

河北省科技基金资助项目(14040322Z)。

TN975

A

1003-3106(2017)04-0053-05