任 菲,王家潤,李小娟,尹 輝

(華北計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100083)

0 引 言

隨著軍事信息技術(shù)的不斷提高，戰(zhàn)爭形態(tài)不斷發(fā)生改變，電子對抗已經(jīng)成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的序幕與先導(dǎo)，并貫穿于戰(zhàn)爭的全過程[1]。雷達(dá)對抗是電子對抗的重要組成部分，對抗過程中使用雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)定位、目標(biāo)速度測量、目標(biāo)識別、精確制導(dǎo)等。在三維戰(zhàn)場的構(gòu)建中，繪制三維雷達(dá)探測范圍，展現(xiàn)三維作戰(zhàn)態(tài)勢，能夠科學(xué)直觀地展現(xiàn)雷達(dá)探測范圍，有助于指揮員準(zhǔn)確判斷態(tài)勢，合理部署調(diào)配電子對抗力量[2]。本文使用OpenSceneGraph(OSG)進(jìn)行三維開發(fā)。OSG是基于OpenGL的三維渲染引擎，具有高性能、跨平臺、開發(fā)便捷等特點(diǎn)，是虛擬仿真行業(yè)軟件開發(fā)的首選之一[3]。

三維戰(zhàn)場中的雷達(dá)種類繁多，包括預(yù)警雷達(dá)、警戒雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、氣象雷達(dá)、敵我識別雷達(dá)等，因此在三維作戰(zhàn)態(tài)勢的構(gòu)建過程中，部署的雷達(dá)數(shù)量大、種類多，且需要根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動實(shí)時(shí)更新位置、狀態(tài)。三維雷達(dá)探測范圍的繪制必須具有通用、高性能的特性，才能滿足應(yīng)用的需求。采用多線程技術(shù)使程序分為多個(gè)單元并行處理，可以充分地利用CPU的空閑時(shí)間片，提高進(jìn)程的整體運(yùn)行效率[4]。

本文基于OSG的坐標(biāo)系，參照文獻(xiàn)[5]中提出的雷達(dá)三維探測范圍的簡化生成方法，進(jìn)行改造擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測范圍的通用計(jì)算方法，雷達(dá)探測二維包絡(luò)線支持用戶輸入任意形狀，垂直方向圖函數(shù)支持用戶輸入和函數(shù)類型選擇2種方式。對三維雷達(dá)探測范圍的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，降低算法復(fù)雜度?；贠SG的多線程技術(shù)對雷達(dá)探測范圍的繪制并行處理，實(shí)現(xiàn)三維雷達(dá)探測范圍的高性能展現(xiàn)。

1 雷達(dá)探測范圍的通用計(jì)算

雷達(dá)探測范圍定義為對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀察的三維空域的區(qū)域邊界[6]。在三維空間中對雷達(dá)探測范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，在俯仰角、方位角2個(gè)方向進(jìn)行采樣，得到由離散點(diǎn)組成的雷達(dá)三維區(qū)域邊界。在三維場景中生成三維網(wǎng)格，來表示三維探測范圍的區(qū)域邊界。

1.1 基于OSG坐標(biāo)系構(gòu)建

參照OSG的坐標(biāo)系，X正方向向右，Y正方向朝里，Z正方向向上。O為坐標(biāo)原點(diǎn)，假設(shè)雷達(dá)裝備放在O點(diǎn)，得到雷達(dá)探測范圍三維空間的構(gòu)造如圖1所示。雷達(dá)的探測區(qū)域上的某一點(diǎn)P，在XY平面內(nèi)，與X軸正方向的夾角為β，與Z軸正方向夾角為θ。

圖1 OSG坐標(biāo)系下的探測范圍

Pm,P為同一垂直面上的2點(diǎn)，其中Pm點(diǎn)為該垂直面上探測距離最大的位置。參照文獻(xiàn)[7]，雷達(dá)探測范圍的簡化計(jì)算方法為：

R=Rm×f(θ)

(1)

其中,R是P點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，Rm是Pm到原點(diǎn)的距離，f(θ)是雷達(dá)的方向圖函數(shù)。在OSG的坐標(biāo)系中，雷達(dá)探測區(qū)域上各點(diǎn)x,y,z分量的計(jì)算如式(2)所示：

(2)

將公式(1)代入公式(2)，得到雷達(dá)探測范圍的點(diǎn)：

(3)

1.2 通用數(shù)據(jù)支持

雷達(dá)數(shù)據(jù)RadarData的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。RadarData存儲雷達(dá)裝備的ID，位置(Lon,Lat,Hgt)，二維包絡(luò)線pRecoArea，垂直方向圖函數(shù)采樣pFVertical。

圖2 雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

RecoArea的結(jié)構(gòu)如圖3所示。RecoArea存儲區(qū)域幾何類型；RegionType：0-扇形，1-圓形，2-多邊形；方位角集vAzimuths；距離集vDistances；是否閉合bClosed。

圖3 二維包絡(luò)線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

FVertical的結(jié)構(gòu)如圖4所示。起始俯仰角為dPitchStart,dPitchEnd；雷達(dá)天線垂直方向圖采樣點(diǎn)集vFs。如果輸入的vFs為空，則使用垂直方向圖函數(shù)計(jì)算得到起始俯仰角和采樣點(diǎn)集。

圖4 垂直方向圖函數(shù)采樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對于圓形和扇形，vDistances中只有一個(gè)值，即半徑。因此對于β取任何值，都有Rm=vDistances[0]。

對于圓形，方位角為[0,2π]。扇形在vAzimuths中存儲起始方位角：vAzimuths[0],vAzimuths[1]。β在起始方位角之間采樣，θ在起始俯仰角dPitchStart,dPitchEnd之間采樣，構(gòu)建雷達(dá)探測范圍。

對于多邊形,給定了一組方位角對應(yīng)的一組距離值。當(dāng)β=vAzimuths[i]時(shí)，Rm=vDistances[i]。

1.3 計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)

本文使用垂直方向圖函數(shù)計(jì)算得到起始俯仰角和采樣點(diǎn)集。雷達(dá)按照方向圖類型分類為全向雷達(dá)、高斯型雷達(dá)、sin(X)/X型雷達(dá)、平方余割包線型雷達(dá)等。不同的雷達(dá)，它們的方向圖函數(shù)各不相同[8]。本文使用sin(X)/X型雷達(dá)進(jìn)行計(jì)算，其方向圖函數(shù)如式(4)：

(4)

{for(10-6<|θ-Aelev|Amax)

{

P.x=Rm×f(θ)×sin (β)×cos (θ)

P.y=Rm×f(θ)×cos (β)×cos (θ)

P.z=Rm×f(θ)×sin (θ)

}

}

其中，Rm=vDistances[0],繪制效果如圖5所示。

圖5 圓形雷達(dá)

圖6 扇形雷達(dá)

二維包絡(luò)線使用多邊形數(shù)據(jù)，支持任意多邊形數(shù)據(jù)。使用sin(X)/X型雷達(dá)的垂直方向圖函數(shù)進(jìn)行繪制，繪制效果如圖7所示。

圖7 多邊形雷達(dá)

2 計(jì)算方法優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)

2.1 方法優(yōu)化

正弦余弦等三角函數(shù)計(jì)算復(fù)雜，消耗CPU時(shí)間較多，通過減少三角函數(shù)計(jì)算，可極大減少計(jì)算時(shí)間。俯仰角、方位角2個(gè)方向上分別采樣計(jì)算，從而降低for循環(huán)的次數(shù)，提高計(jì)算性能。將公式(3)中與俯仰角θ相關(guān)的部分進(jìn)行整理，公式變形為：

(5)

將與θ相關(guān)的部分提取出來，作為垂直方向函數(shù)在x,y,z方向的分量，記為FV.x，F(xiàn)V.y，F(xiàn)V.z，則有：

FV.x=FV.y=f(θ)×cos (θ)

FV.z=f(θ)×sin (θ)

則公式(5)變形為：

(6)

然后將公式(6)中與β相關(guān)的部分進(jìn)行整理，得到雷達(dá)探測值在x,y,z方向的分量，記為FH.x,FH.y,FH.z，則有：

FH.x=Rm×sin (β)

FH.y=Rm×cos (β)

FH.z=Rm

則公式(5)變形為：

(7)

2.2 優(yōu)化后方法實(shí)現(xiàn)

通過優(yōu)化，將俯仰角與方位角相關(guān)的計(jì)算分開處理，雷達(dá)探測范圍的計(jì)算分成3個(gè)階段：

1)俯仰角方向采樣計(jì)算。由于FV.x=FV.y，因此在俯仰角方向采樣時(shí)，只需計(jì)算得到FV.x，F(xiàn)V.z的值：

for(10-6<|θ-Aelev|Amax)

{

FV.x=f(θ)×cos (θ)

FV.z=f(θ)×sin (θ)

}

2)方位角方向采樣計(jì)算。圓形雷達(dá)的Rm值不隨方位角變化，為固定值，F(xiàn)H.z不需進(jìn)行計(jì)算。因此在方位角方向采樣，只需計(jì)算得到FH.x，F(xiàn)H.y的值：

{

FH.x=Rm×sin (β)

FV.y=Rm×cos (β)

}

3)使用2個(gè)方向采樣計(jì)算的結(jié)果結(jié)合計(jì)算最終值。在俯仰角、方位角2個(gè)方向上采樣，將FH,FV分量代入，計(jì)算得到三維雷達(dá)探測范圍各點(diǎn)的值：

{

for(10-6<|θ-Aelev|Amax)

{

P.x=FH.x×FV.x

P.y=FH.y×FV.y

P.z=FH.z×FV.z

}

}

3 多線程優(yōu)化

多線程開發(fā)是指從軟件或者硬件上實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。每個(gè)正在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序都可以視為一個(gè)進(jìn)程(Proccess)，每個(gè)進(jìn)程包含一個(gè)或多個(gè)線程(Thread)。使用多個(gè)線程與主進(jìn)程并行工作，可在程序中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)[3]。

線程的執(zhí)行開銷小，但是不利于數(shù)據(jù)的管理和保護(hù)。幾個(gè)線程之間往往存在數(shù)據(jù)競爭，即它們同時(shí)讀寫一處內(nèi)存數(shù)據(jù)。此時(shí)通常使用互斥體(Mutex)來完成線程之間的協(xié)調(diào)操作，當(dāng)一個(gè)線程操作數(shù)據(jù)時(shí)，對該處數(shù)據(jù)加鎖以阻止其他線程侵入。

3.1 多線程的繪制過程

雷達(dá)的多線程繪制如圖8所示，有一個(gè)軟件的主進(jìn)程用于放入數(shù)據(jù)，針對每個(gè)雷達(dá)創(chuàng)建一個(gè)線程用于處理數(shù)據(jù)。主進(jìn)程在接收到外部發(fā)來的數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)為本文定義的雷達(dá)數(shù)據(jù)類型RadarData。根據(jù)RadarData中的ID判斷該數(shù)據(jù)應(yīng)該由哪個(gè)雷達(dá)線程來處理。如果當(dāng)前雷達(dá)還沒有創(chuàng)建線程，則會創(chuàng)建該雷達(dá)線程，并啟動它。對雷達(dá)線程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，刪除之前的舊數(shù)據(jù)，放入當(dāng)前數(shù)據(jù)，該操作會在雷達(dá)線程處理滯后的時(shí)候起到跳幀的效果，使得雷達(dá)線程一直處理最新的數(shù)據(jù)。雷達(dá)線程中有一個(gè)循環(huán)，不停地判斷是否有需要處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)，如果有，則對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完畢后清除雷達(dá)數(shù)據(jù)。

圖8 雷達(dá)的多線程處理流程

3.2 基于OSG的實(shí)現(xiàn)

OSG封裝了跨平臺的開源線程庫OpenThreads，支持多線程的創(chuàng)建及管理。在這里主要使用3個(gè)類進(jìn)行處理：Thread類、Mutex類和ScopedLock模板類。

Tread類即線程實(shí)現(xiàn)類，每派生一個(gè)Thread類就生成一個(gè)可獨(dú)立調(diào)度的線程。Thread類結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 Thread類結(jié)構(gòu)圖

Thread類主要函數(shù)的定義如下：

1)YieldCurrentThread：要求當(dāng)前線程出讓CPU控制權(quán)，交給其他正在等待的線程。

2)start：啟動線程。此時(shí)將自動開始執(zhí)行線程的run函數(shù)。

3)cancel:虛函數(shù)，用于終止線程的執(zhí)行。

4)isRunning：判斷線程是否處于執(zhí)行狀態(tài)。

5)run：線程執(zhí)行的主程序，在這個(gè)函數(shù)中可以循環(huán)執(zhí)行一段線程功能代碼。

使用Mutex類即互斥體接口類處理數(shù)據(jù)的加解鎖。當(dāng)線程使用某一資源時(shí)，先使用互斥量加鎖。ScopedLock模板類與Mutex配合出現(xiàn)，在其作用域內(nèi)對共享資源進(jìn)行加鎖，作用域外則解鎖。

基于OpenThreads創(chuàng)建線程類RadarTread，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 RadarTread類結(jié)構(gòu)圖

m_listRadarData用于存儲待處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)，m_mutexRadarData對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，m_bDone用于存儲是否完成了處理。通過重寫run和cancel這2個(gè)成員函數(shù)，實(shí)現(xiàn)線程運(yùn)行時(shí)和取消時(shí)的操作；通過調(diào)用start和cancel函數(shù)，可以啟動或終止已經(jīng)定義的線程對象。單個(gè)雷達(dá)線程的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖11所示。

圖11 單個(gè)雷達(dá)線程的處理流程

單個(gè)雷達(dá)線程在主程序中被啟動(start)，隨即RadarTread自動調(diào)用啟動run函數(shù)，開啟雷達(dá)線程的運(yùn)行。run函數(shù)中是一個(gè)dowhile循環(huán)，循環(huán)處理雷達(dá)數(shù)據(jù)m_listRadarData。如果m_listRadarData不為空，就把m_listRadarData進(jìn)行加鎖，然后取出數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，然后將m_listRadarData清空。是否結(jié)束循環(huán)使用m_bDone來標(biāo)識，當(dāng)m_bDone為true時(shí)，退出循環(huán)。直到主線程調(diào)用cancel函數(shù)，將該線程關(guān)停，m_bDone置為true，才會結(jié)束循環(huán)。在每次循環(huán)結(jié)束時(shí)，都會調(diào)用microsleep函數(shù)，給其他線程分配時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 計(jì)算方法優(yōu)化測試

針對第2章提出的雷達(dá)探測范圍優(yōu)化計(jì)算方法進(jìn)行測試。假設(shè)β采樣m次，θ采樣n次，則優(yōu)化前后的結(jié)果比較見表1所示。

表1 優(yōu)化前后計(jì)算次數(shù)比較

計(jì)算內(nèi)容計(jì)算次數(shù)(優(yōu)化前)計(jì)算次數(shù)(優(yōu)化后)f(θ)m×nnsin(β)m×nmcos(β)m×nmsin(θ)m×nncos(θ)m×nn

通過比較可以看出，算法改進(jìn)后能夠大幅度降低計(jì)算量，適用于實(shí)時(shí)性要求比較高、數(shù)據(jù)量比較大的情況。

使用VS2010編程，對算法改進(jìn)前后的性能進(jìn)行測試。對β,θ取不同采樣次數(shù)，對優(yōu)化前后，雷達(dá)探測范圍計(jì)算所需的時(shí)間進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后的時(shí)間比較

β采樣次數(shù)×θ采樣次數(shù)優(yōu)化前時(shí)間/ns優(yōu)化后時(shí)間/ns90×30468.75312.50180×30937.50625.00180×601875.001093.75360×603593.752031.25

可見優(yōu)化后速度得到了較大的提高。隨著β采樣次數(shù)×θ采樣次數(shù)的增大，優(yōu)化后的算法優(yōu)勢就更加明顯，當(dāng)計(jì)算雷達(dá)探測范圍時(shí)，面對大量數(shù)據(jù)，該優(yōu)化的方法更能滿足實(shí)時(shí)性的要求。

4.2 多線程優(yōu)化測試

在三維地球場景中，基于優(yōu)化后的雷達(dá)探測范圍計(jì)算方法，分別使用多線程、單線程2種方式繪制雷達(dá)探測范圍，對本文提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性能。三維場景渲染性能采用幀率統(tǒng)計(jì)。視覺流暢的一般標(biāo)準(zhǔn)：幀率≥30。本文實(shí)驗(yàn)中開啟垂直同步，最高幀率為60。

圖12 三維場景中的性能測試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選用VS2010的VC++編程，三維圖形引擎OSG使用3.0的版本。配置為i7-3770 CPU，4 GB內(nèi)存。以圓形雷達(dá)的繪制為例進(jìn)行驗(yàn)證，使用β采樣90次，θ采樣30次。每1秒更新一次雷達(dá)數(shù)據(jù)，對雷達(dá)探測范圍進(jìn)行重新繪制。在三維場景中繪制雷達(dá)探測范圍的效果如圖12所示。

通過設(shè)置每秒雷達(dá)更新的數(shù)量，比較單線程、多線程對雷達(dá)更新的性能支撐能力，具體結(jié)果見表3。

表3 單線程、多線程版本性能比較

每秒更新雷達(dá)數(shù)單線程版本/幀率多線程版本/幀率5405910305815235820857250.956300.7555

通過比較可看出，對于三維雷達(dá)探測范圍，這種數(shù)據(jù)量比較大的三維網(wǎng)格構(gòu)建算法，多線程具有明顯的性能優(yōu)勢。在雷達(dá)數(shù)量達(dá)到20個(gè)以后，三維場景幀率急劇下降，尤其是雷達(dá)數(shù)量達(dá)到25個(gè)以后，三維場景渲染幀率很低，用戶感覺較卡，實(shí)際工程中基本不可用。而此時(shí)，多線程版本性能的下降并不明顯，仍然維持在55幀以上，用戶體驗(yàn)非常好。

5 結(jié)束語

本文基于OSG坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了三維雷達(dá)探測范圍的計(jì)算方法。通過減少循環(huán)次數(shù)，減少對三角函數(shù)的計(jì)算，對計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化。為了滿足多部雷達(dá)實(shí)時(shí)更新的需求，基于OSG的多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)對象之間的并行處理方法。通過對計(jì)算方法優(yōu)化前后計(jì)算時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，可以看出計(jì)算時(shí)間大幅度降低，優(yōu)化后的效果非常明顯。通過多線程優(yōu)化前后的性能測試，驗(yàn)證了多線程的版本比單線程的版本渲染幀率較高，能夠保障用戶體驗(yàn)的流暢。本文研究的成果已在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，效果良好。

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