袁 亮 張 兵

(空軍雷達學(xué)院研究生管理大隊1) 武漢 430019)(空軍雷達學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系2) 武漢 430019)

1 引言

箔條干擾是一種無源干擾,它制造簡單、使用方便、效果明顯,是一種廉價的干擾雷達的有效手段[1]。箔條壓制性干擾效果是干擾方和被干擾方都非常關(guān)心的問題。客觀、科學(xué)地模擬箔條云對雷達干擾的效果,對以復(fù)雜電磁環(huán)境為背景下的現(xiàn)代作戰(zhàn)及訓(xùn)練具有重要意義。

利用計算機技術(shù),可以客觀地把箔條干擾回波對雷達顯示的影響仿真出來。本文以箔條拋灑形成箔條走廊為背景,對實現(xiàn)箔條干擾回波在雷達平面位置顯示器(PPI)上的實時動態(tài)的模擬顯示過程中關(guān)鍵技術(shù)問題進行探討和研究。

2 雷達PPI箔條干擾顯示特性

平面位置顯示器(Plan position indicator,簡稱PPI),是雷達裝備常用的顯示器之一。它顯示目標(biāo)的斜距離和方位兩個坐標(biāo),是極坐標(biāo)形式的二度空間顯示。

箔條干擾回波在雷達PPI上的顯示主要是干擾方位距離、干擾強度、干擾移動擴散方面的顯示。箔條投拋后在立體空間中做無規(guī)律的隨機運動,箔條本身沒有動力,自身進行擴散并受環(huán)境的影響移動,雷達顯示也隨著干擾擴散其有效雷達截面的增大顯示干擾回波的出現(xiàn)擴散和消失。由于PPI顯示的二維特性,PPI顯示的干擾移動主要是干擾平行于水平面上的擴散運動?？梢院雎愿蓴_垂直水平面方向上的運動,認為在此方向上的速度和速率變化為零。

圖1所示為實際雷達PPI箔條干擾顯示截圖,從圖形中可以看出干擾方位距離以及干擾投拋路徑。在模擬顯示中要客觀動態(tài)的顯示箔條干擾回波圖形,主要工作就是如何建立箔條干擾擴散運動模型以及如何對箔條進行運動控制。

圖1 箔條干擾雷達PPI顯示

3 箔條粒子系統(tǒng)運動模型

箔條的運動是空間隨機運動,可用布朗運動或維納過程對其進行描述。為實現(xiàn)這種運動并反映到回波上,采用粒子系統(tǒng)來建立箔條運動模型。

采用粒子系統(tǒng)建立雷達箔條干擾仿真模型,用粒子系統(tǒng)表征箔條云的動態(tài)性和隨機性,在實際空間建立雷達箔條干擾的粒子模型,并采用計算可視化技術(shù),可以很好地在計算機上模擬顯示雷達箔條干擾。

3.1 粒子系統(tǒng)簡介

粒子系統(tǒng)最早是由 Reeves在 1983年提出的[2],其基本思想是利用一定數(shù)量的粒子組成的粒子群體模擬不規(guī)則、模糊的物體。粒子系統(tǒng)有以下兩大特點[3]:

1)每個粒子都包含相同的屬性。如位置、大小、初速度、生存期等。

2)粒子在隨時間的變化中,按照所賦予的軌跡函數(shù)或粒子運動學(xué)規(guī)律改變其狀態(tài)。

3.2 箔條粒子系統(tǒng)運動模型

由于箔條能很好地反映大氣流動的特性,將箔條在水平面的運動速度取大氣流動速度一致。設(shè)大氣流動速度為vh,流動方向相對正北方向為θ(x方向為正),則此時單根箔條的位置增量為:

其中vx,vy為粒子在t時刻受大氣流動影響產(chǎn)生的x方向和y方向的速度。將式(1)寫為其離散形式:

楊學(xué)斌[4]討論了箔條云團布朗運動擴散模型,他將反映大氣運動的箔條擴散運動看為是布朗運動。為了簡化模型,直接將箔條擴散運動視為是布朗運動即維納過程,假設(shè)箔條在水平面方向擴散都服從維納過程,則箔條的擴散運動可以描述為:

其中A是服從高斯分布的隨機變量。

綜合式(2)、(4),我們可以得到箔條運動模型:

4 雷達箔條干擾回波畫面生成技術(shù)

箔條在投拋時數(shù)量級比較大,仿真時對每根箔條粒子都進行繪制難以實現(xiàn)而且會大大降低仿真速度,采用紋理映射技術(shù)和混色技術(shù)能較好地解決此問題。結(jié)合粒子系統(tǒng)理論以實現(xiàn)三坐標(biāo)雷達箔條云干擾回波的動態(tài)畫面。

4.1 紋理映射技術(shù)

紋理映射(Texture Mapping)是通過將像素與幾何對象結(jié)合,為圖像營造出一種非常復(fù)雜的視覺效果,避免了建立大量幾何模型所需要的開銷[5]。紋理映射是把二維圖像上的像素值映射到三維實體模型對應(yīng)的多邊形頂點上,以增強實體模型的真實感。它本質(zhì)上是一個二維紋理平面到三維景物表面的一個映射[6]。采用紋理映射技術(shù)使用貼上紋理的小四邊形作為基本粒子,一個面片可以代替幾百上千粒子,使用稍微復(fù)雜的粒子可以減小粒子的數(shù)目而達到相同的效果以提高性能。

在程序設(shè)計中,通過獲得粒子在PPI顯示上的位置,以此為正方形的中點繪制小正方形來進行紋理映射,同時可以通過放大正方形來達到干擾擴散現(xiàn)實的目的。

4.2 單個紋理的生成

箔條在空間做布朗運動,它們形成箔條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圖片作為紋理映射圖。

可以通過繪制符合高斯分布的球體來完成圖形的繪制,由于球狀粒子的厚度從中心向邊緣遞減,可以認為代表它的紋理的灰度滿足這個規(guī)律[6],根據(jù)高斯分布的密度公式調(diào)節(jié)粒子的灰度值。另外可以使用 Photoshop濾鏡直接進行繪制。圖2為生成的32×32粒子紋理圖。

圖2 粒子紋理圖

4.3 混色技術(shù)

混色可以實現(xiàn)透明以及著色,混色就是將某個像素的顏色和已繪制在屏幕上與其對應(yīng)的像素顏色相互結(jié)合。為了消去粒子紋理圖片中黑色的像素并且為白色紋理著色就需要用到混色功能。混色的基本原理是將要分色的圖像各像素的顏色以及背景顏色均按照RGB規(guī)則各自分離之后,根據(jù):

圖像的 RGB顏色分量×alpha值+背景的RGB顏色分量×(1-alpha值)

這樣一個公式來混合之后,最后將混合得到的RGB分量重新合并。由于PPI背景為黑色而且PPI顯示回波一般為綠色,所以可以通過混色來實現(xiàn)粒子的顯示。

由上面的公式可以得出當(dāng)alpha=1時,圖像完全顯示,背景不顯示,即圖像在背景上顯示;而當(dāng)alpha=0時,圖像沒有顯示而背景完全顯示,即圖像消失。當(dāng)alpha為中間值時,就是背景與圖像的混色。通過上面分析,可以動態(tài)地設(shè)置alpha值模擬干擾的出現(xiàn),減弱和消失。

4.4 粒子的出現(xiàn)與消亡

箔條投拋后雷達不能直接觀測到,箔條有一個擴散過程,當(dāng)達到雷達觀測最小截面時才能產(chǎn)生回波并在數(shù)據(jù)終端上顯示出來。

箔條的質(zhì)量較輕,在空中投放時會緩慢的擴散并下降,施放箔條干擾一般都在高空進行,在其落地之前箔條將進行長時間的擴散運動,可以認為降落到一定高度就已經(jīng)充分?jǐn)U散雷達照射波束中的粒子雷達截面已經(jīng)達不到最小雷達觀測截面,對粒子消亡只從粒子擴散方面進行判斷而忽略垂直下降帶來的影響。

由于PPI顯示的二維特性,只能顯示粒子在波束方向上的粒子水平位置信息,所以可以通過求取劃分區(qū)間的粒子密度來判斷。劃分區(qū)間判斷粒子密度在工程上難以實現(xiàn),而且會降低仿真速度。粒子做布朗運動而且在空間呈高斯分布,我們就對高斯粒子擴散運動進行單向數(shù)值統(tǒng)計,即對模型中的式(4)的值進行疊加,當(dāng)擴散距離絕對值超過某個高數(shù)值時,就認為粒子密度較低達不到雷達探測散射最小截面而刪除粒子。同樣,當(dāng)粒子擴散絕對值達到某個低數(shù)值時,就認為粒子密度達到雷達探測最小截面,從而加入粒子。另外,出現(xiàn)時間長的粒子在概率上應(yīng)該擴散越充分,其回波信號越微弱,設(shè)定粒子固定周期的衰減量。

5 雷達箔條干擾回波模擬顯示

本文使用VC++軟件和OpenGL圖形庫來開發(fā)模擬顯示程序,這種方法靈活性好、效率高、可移植性好、圖形處理能力強。

為了檢驗其顯示效果,直接設(shè)置箔條為等距橫向投拋。設(shè)置干擾出現(xiàn)的擴散距離偏移量為0.5km,為了觀測其擴散特性,設(shè)置大的干擾消亡偏移量為10km。

圖3 干擾過程顯示圖

圖3模擬箔條云干擾從出現(xiàn)、擴散、成熟到消失的過程,圖形說明此方法的有效性和可行性。

根據(jù)上述方法對箔條云干擾擴散添加粒子紋理圖擴展分量來模擬粒子擴散,并對實際雷達觀測的雷達箔條云干擾圖形進行仿真。所成截圖如圖4所示。

圖4 雷達箔條干擾顯示圖形

圖4是根據(jù)雷達實際觀測的干擾顯示模擬的顯示圖形,結(jié)果與真實圖形比較接近,其顯示能較好的反映箔條在空間的隨機運動,體現(xiàn)出箔條運動擴散特征。

6 結(jié)語

本文通過模擬箔條干擾回波的雷達PPI顯示,對實現(xiàn)箔條干擾實時動態(tài)顯示的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,模擬顯示結(jié)果表明此方法能較好的模擬箔條干擾對雷達顯示的影響,體現(xiàn)出干擾畫面的實時性和客觀性。

[1]沈志群.箔條干擾及其實驗研究[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]王潤杰,田景全等.基于粒子系統(tǒng)的實時雨雪模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2003,15(4):495～496

[4]楊學(xué)斌,呂善偉.箔條云團的布朗運動擴散模型[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,26(6):650～652

[5][美]Edward Angle.OpenGL編程基礎(chǔ)[M].段菲,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2008

[6]肖源源,王子牛.基于VC++的OpenGL紋理映射技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J].貴州大學(xué)學(xué)報,2008,25(2):158～160