葉明君

(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海工程學(xué)院，浙江舟山 316021)

0 引言

在對海員的培訓(xùn)、適任評估及科研中，航海雷達(dá)模擬器起著越來越重要的作用.國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)2010 年修正的《1978年海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》(也稱STCW公約馬尼拉修正案，于2012年1月1日起生效)也對雷達(dá)/ARPA模擬器提出一些明確的要求.隨著航海事業(yè)的蓬勃發(fā)展，用戶對雷達(dá)模擬器在逼真度上的要求也越來越高.

目前已有很多與真實感相關(guān)的雷達(dá)模擬器研制技術(shù).如任鴻翔等［1］通過建立三維場景庫模擬雷達(dá)圖像，取得較好的三維效果.張闖等［2］為解決當(dāng)前航海雷達(dá)仿真器中雷達(dá)回波圖像不真實問題，提出基于OpenGL建模的模擬航海雷達(dá)回波方法，利用HIS顏色模型模擬雷達(dá)回波強(qiáng)度，取得一定成效.文獻(xiàn)［3］從雷達(dá)圖像形成的原理出發(fā)生成圖像，模擬效果逼真但實時性較差.

通過對以往相關(guān)文獻(xiàn)及成果的閱讀及分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有模擬方法的信息源大多來自電子海圖，在建立數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)時，高程信息也來自電子海圖中的等高線信息.但是，電子海圖提供的高程信息相對不完備.所以本文嘗試用一種新的高程信息來源進(jìn)行遮擋判斷，進(jìn)而模擬雷達(dá)圖像.

1 GeoTIFF文件的獲取及高程信息解析

1.1 GeoTIFF文件的來源

航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)的數(shù)據(jù)是由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)以及德國與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作完成測量，通過美國“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)上搭載的SRTM系統(tǒng)完成的.SRTM的覆蓋范圍從北緯60°至南緯56°，約占全球面積的80%(1.195 6×108km2)，見圖1.

圖1 SRTM覆蓋范圍

SRTM系統(tǒng)獲取的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)量約9.8萬億字節(jié)，經(jīng)過兩年多的數(shù)據(jù)處理，制成DEM.這些雷達(dá)影像以GeoTIFF格式保存下來.

1.2 GeoTIFF圖像格式

GeoTIFF是由超過160家與遙感，GIS，制圖，測量相關(guān)的公司和組織一致努力的成果，旨在建立一種基于TIFF的地理參考柵格圖像交換格式.Geo－TIFF圖像文件實際上是一個TIFF 6.0文件，它繼承TIFF 6.0文件結(jié)構(gòu)，把信息編碼在一些TIFF未使用的保留標(biāo)簽中.這些信息包括許多地理編碼信息，如圖像上點的經(jīng)緯度、坐標(biāo)等，但純TIFF格式文件很難存儲、讀取這些地理信息.而GeoTIFF在TIFF的基礎(chǔ)上定義地理標(biāo)簽(Geo Tag)，用以定義和存儲坐標(biāo)系統(tǒng)、投影信息等.

GeoTIFF使用Geo Key把眾多的信息元素編碼到6個標(biāo)簽中，存放GeoTIFF信息的標(biāo)簽是Geo Key Directory Tag，Geo Double Params Tag，Geo Ascii Params，這些標(biāo)簽用一組無符號整型的陣列表示地球上的點［4－6］，對這個陣列進(jìn)行空間變換就可以把地球上各點的地理信息轉(zhuǎn)換為平面圖像上的信息.

1.3 從GeoTIFF圖像解析高程信息

模型空間是GeoTIFF特別引入的坐標(biāo)空間，用于描述數(shù)據(jù)所對應(yīng)的地理位置，即實際的經(jīng)緯度坐標(biāo)，遙感的數(shù)據(jù)信息就是用模型空間表示的.本文的雷達(dá)模擬圖像的生成基于帶有DEM的柵格空間(表示平面圖像的空間)，因此必須經(jīng)過空間變換才能被使用.

要從模型空間解析出柵格空間，必須知道這兩種空間之間的變換關(guān)系.若柵格空間與模型空間之間的對應(yīng)關(guān)系只存在縮放和平移關(guān)系，設(shè)(x，y，z)為模型空間點坐標(biāo)，(I，J，K)為柵格空間點坐標(biāo)，那么這兩個空間之間的變換公式［7－8］可表示為

由式(1)可以看出，只需已知3個線性無關(guān)的點就能解出變換陣列M，兩個空間之間的對應(yīng)關(guān)系也就能被確定.

根據(jù)式(1)，若知道柵格中一點 ( I0，J0，K0)對應(yīng)于模型空間點 ( x0，y0，z0)的縮放比例是 Sx，Sy，Sz，則式(1)可改寫為

式中:

由式(1)和(2)就可以將地理信息轉(zhuǎn)換為下一步判斷所需的帶DEM的柵格信息.

1.4 將高程的判斷轉(zhuǎn)換為像素的判斷

經(jīng)過解析得到帶DEM的柵格信息后，由于各個像元點的高程值已知，提出一種新的通過像素值代替高程值的遮擋判斷方式.本文模擬所用的Geo－TIFF數(shù)據(jù)是一張6 000×6 000的圖像(見圖2).通過上述解析，已知各個像元點的高程，可利用高程值代替像素值生成一幅新的圖像(見圖3).

2 掃描線上的遮擋判斷

2.1 遮擋判斷原理

所謂遮擋判斷就是根據(jù)電磁波的直線傳播原理，由近及遠(yuǎn)把目標(biāo)點排序，然后遍歷這些交點，根據(jù)目標(biāo)的高度及雷達(dá)發(fā)射脈沖的寬度判斷哪些點可以顯示、哪些點被遮擋.遮擋判斷示意圖見圖4.

由圖4可直觀地看出:A，B，D，E處未被遮擋，可以生成回波;C處被遮擋，不能產(chǎn)生屏幕回波.

圖4 遮擋判斷示意圖

2.2 遮擋判斷的兩種情況

雷達(dá)回波的形成，除考慮遮擋以外，還要考慮雷達(dá)天線的高度，因此對遮擋的判斷就分成兩種情況:(1)掃描線上的初始點高于雷達(dá)天線;(2)掃描線上的初始點低于雷達(dá)天線.第2種情況又可細(xì)分成兩種類型:(a)當(dāng)前點高于前一可見點;(b)當(dāng)前點低于前一可見點.

由于是判斷遮擋關(guān)系，本文把目標(biāo)點與雷達(dá)天線之間的連線與水平線構(gòu)成的銳角稱為遮擋角.

2.3 加入雷達(dá)分辨力的遮擋判斷

在真實的雷達(dá)掃描過程中，還要考慮雷達(dá)分辨力.雷達(dá)分辨力是指相鄰的兩個物標(biāo)能夠在雷達(dá)熒光屏上被分辨的指數(shù)［9］，當(dāng)河道的船舶比較密集時，高分辨力的雷達(dá)可以將這些船舶區(qū)分出來.對于雷達(dá)在任一方向上的掃描線來說，只需考慮它的距離分辨力.距離分辨力是指在同一個方向

上的兩個相鄰的物標(biāo)，在熒光屏上能夠被分辨出來的最小間距［10］，示意圖見圖5.

圖5 距離分辨力示意圖

為了簡化計算，在不考慮接收機(jī)通頻帶影響的情況下，距離分辨力的計算公式可表示為

式中:C為電磁波的傳播速度;τ為發(fā)射脈沖寬度;d為光點直徑;D為屏幕直徑;RD為所用量程.

2.4 綜合算法流程

總體的算法思路如下:

(1)讀入第一個點Ao，它必可見.判斷Ao是否高于雷達(dá)天線，是則轉(zhuǎn)向(2)，否則轉(zhuǎn)向(3).(2)讀入第i個點Ai，若Ai的遮擋角αi大于前一可見點Ai－1的遮擋角 αi－1，且 Ai的遮擋角大于 Ao點的遮擋角α0，則當(dāng)前點Ai可見，否則不可見.(3)讀入第i個點Ai，若當(dāng)前點 Ai高于前一可見點 Ai－1，則轉(zhuǎn)向(4)，若當(dāng)前點 Ai低于前一可見點 Ai－1，則轉(zhuǎn)向(5).(4)若當(dāng)前點同時低于雷達(dá)天線，則當(dāng)前點可見.(5)若當(dāng)前點同時高于雷達(dá)天線，前一可見點低于雷達(dá)天線則當(dāng)前點可見，前一可見點高于雷達(dá)天線，則判斷方法同(2).(6)對于每個判斷可見的當(dāng)前點，還要計算其是否在前一可見點的距離分辨力之內(nèi).若在，則兩點的回波相連;若不在，則兩點的回波不相連.(7)讀完全部交點后，判斷結(jié)束.

算法流程見圖6.

3 實驗結(jié)果及分析

本文的實驗仿真是基于自主開發(fā)的航海雷達(dá)模擬器的顯示軟件，軟件基于VS2008 C++開發(fā)環(huán)境，采用QT4.5和OpenGL混合編程，具有良好的可移植性.

圖6 算法流程

3.1 采用電子海圖作為數(shù)據(jù)源的仿真

圖7是以往關(guān)于雷達(dá)模擬圖像的一篇論文中使用 Bresenham算法(直線掃描轉(zhuǎn)換方法)處理的仿真圖，用該方法每個交點向陸地方向畫線的長度隨機(jī).由圖7可見，為了使回波顯得自然，在岸線往里延伸的回波上加一個指數(shù)衰減，但是岸線內(nèi)部的細(xì)節(jié)不能得到反映，這使各個方向的回波看起來比較相似.

圖7 采用常規(guī)數(shù)據(jù)源的仿真圖

3.2 采用內(nèi)部完全填充的仿真

這種方式是檢測到地形的輪廓以后，輪廓內(nèi)部采用完全填充的方式，見圖8.采用這種顯示方式，岸線的邊緣能夠得到體現(xiàn)，但是不能體現(xiàn)內(nèi)部細(xì)節(jié)，與真實的雷達(dá)圖像差別較大.

3.3 采用本文數(shù)據(jù)源和Bresenham算法的仿真

圖8 采用內(nèi)部完全填充的仿真圖

這種方式是使用本文解析GeoTIFF文件得到的數(shù)據(jù)源，然后采用Bresenham算法畫線，每條掃描線的長度隨機(jī).采用這種方式所得到的仿真圖，岸線邊緣能夠得到真實體現(xiàn)，但是也不能體現(xiàn)內(nèi)部的細(xì)節(jié)，而且掃描線的后沿直線化效果比較明顯.仿真結(jié)果見圖9.

圖9 采用本文數(shù)據(jù)源和Bresenham算法的仿真圖

3.4 采用本文方法及數(shù)據(jù)源的仿真

圖10 采用本文方法及數(shù)據(jù)源的仿真圖

采用本文方法進(jìn)行仿真時設(shè)雷達(dá)高度為30 m.由圖10可看出，采用本文方法所生成的圖像岸線邊緣比較自然，岸線上的一些地形信息也能夠得到一定的體現(xiàn).同時，為了更加接近真實的雷達(dá)圖像顯示，還加入通過粒子模型所模擬的噪聲.

通過對上述4種仿真方式的比較可以看出，采用本文的數(shù)據(jù)源及處理方式仿真的逼真度較高，岸線邊緣也比較自然，說明本文采用GeoTIFF文件作為高程源是可行的.

4 結(jié)束語

采用新的高程信息源，根據(jù)帶有DEM的柵格信息生成一幅新的圖像，在遮擋判斷中把對高程的判斷轉(zhuǎn)換成對像素的判斷.同時，為了更加真實地體現(xiàn)雷達(dá)掃描效果，把雷達(dá)的距離分辨力加入遮擋判斷中.

但是，由于目前國內(nèi)外將GeoTIFF文件用于高程源模擬雷達(dá)圖像的研究還很少，沒有相關(guān)算法及成熟方法可以借鑒.本文只是驗證利用GeoTIFF文件作為高程源的可行性，今后將進(jìn)一步利用SRTM所提供的數(shù)據(jù)源，構(gòu)建動態(tài)的仿真系統(tǒng).

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