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(洛陽電子裝備試驗(yàn)中心， 河南洛陽 471003)

0 引言

在電子對(duì)抗中，存在多種形式的輻射源，比如雷達(dá)、電臺(tái)、干擾機(jī)等，這些輻射源會(huì)向外輻射電磁波，起到偵察、通信、干擾等目的。如何能獲取并快速顯示這些電磁波在地面的覆蓋范圍，對(duì)采取合理高效的電子戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)有重要意義。但是由于地理信息系統(tǒng)在地形加載顯示上的特點(diǎn)，通常的電磁覆蓋顯示方法效率不高、用戶體驗(yàn)較差。本文針對(duì)此問題進(jìn)行了研究，提出了一種地面電磁覆蓋范圍快速可視化方法。

1 研究現(xiàn)狀

電磁數(shù)據(jù)的獲取通常有兩種途徑：一是利用電磁設(shè)備實(shí)地測(cè)量獲得；二是利用天線方程和電波傳播模型等進(jìn)行仿真計(jì)算。第一種方法數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但是數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散，需要用插值算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，會(huì)引入插值誤差。第二種方法可以按需生成數(shù)據(jù)，但是需要考慮地形、大氣、輻射源特性等因素影響，數(shù)學(xué)建模困難。當(dāng)前基于第二種方法進(jìn)行電磁環(huán)境建模的文獻(xiàn)較多，也進(jìn)行了可視化和并行加速方面的研究。

文獻(xiàn)[1-2]提出了利用GPU進(jìn)行加速的電磁環(huán)境計(jì)算方法，但是沒有考慮地形的影響。文獻(xiàn)[2]提出了一種電磁環(huán)境仿真方法，并基于并行計(jì)算進(jìn)行可視化顯示，但是也沒有考慮地形影響。文獻(xiàn)[3]考慮了大氣折射和地形影響的電磁環(huán)境生成模型，但是沒有對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行可視化顯示。文獻(xiàn)[4-5]研究了自由傳播條件下電磁場(chǎng)的空間可視化技術(shù)，但是沒有對(duì)電磁波在地面的分布情況進(jìn)行顯示，并且沒有對(duì)算法進(jìn)行并行加速。文獻(xiàn)[6]研究了復(fù)雜地形環(huán)境下的電磁覆蓋范圍并行算法，但是沒有對(duì)可視化顯示技術(shù)進(jìn)行研究。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，界定約束條件，提出了一個(gè)電磁覆蓋范圍快速可視化流程，并對(duì)流程中的技術(shù)進(jìn)行了討論，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)本文方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 方法假設(shè)條件

在復(fù)雜地形環(huán)境中，電磁信號(hào)到各個(gè)地形網(wǎng)格點(diǎn)的傳輸過程十分復(fù)雜[7-8]，比如電磁波在傳輸路徑上會(huì)發(fā)生反射、折射、散射、繞射和吸收等效應(yīng)，繞射又可分為光滑球面繞射、刃峰繞射、不規(guī)則地面繞射等，但這些不是接下來研究的電磁覆蓋范圍可視化方法的重點(diǎn)。如何考慮更多因素從而獲取地面點(diǎn)的電磁場(chǎng)強(qiáng)值可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。本文重點(diǎn)研究電磁數(shù)據(jù)的可視化問題，數(shù)據(jù)的來源和準(zhǔn)確性的問題與本文研究?jī)?nèi)容不密切，因此為了方便研究，本文基于第二種數(shù)據(jù)生成方法，利用簡(jiǎn)化的計(jì)算模型生成電磁數(shù)據(jù)。

為便于研究快速可視化問題，本文基于以下幾條假設(shè)：

1) 輻射源為點(diǎn)輻射源，空間各向同性傳播；

2) 輻射電磁波為高頻信號(hào)，按照光線直線傳播；

3) 地面點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值計(jì)算采用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，不考慮電磁波反射、折射、散射、繞射和吸收等影響，僅與輻射源的通視和距離有關(guān)。

2.2 方法流程

基于上節(jié)的假設(shè)條件，采用開源的osgEarth可視化地球渲染引擎，本文提出了一種地面電磁覆蓋范圍可視化方法流程，如圖1所示。

1) 預(yù)估覆蓋區(qū)域

根據(jù)電磁波傳輸衰減原理，小于一定閾值的場(chǎng)強(qiáng)將不再具有參考意義，因此也沒必要進(jìn)行可視化顯示。根據(jù)此閾值可以預(yù)估一個(gè)電磁覆蓋范圍，根據(jù)2.1節(jié)假設(shè)，此覆蓋范圍在水平面上的投影應(yīng)當(dāng)是圓形，但是為了便于幾何裁剪操作，這里使用正方形，使圓形內(nèi)切于正方形。采用左上角和右下角兩個(gè)大地直角坐標(biāo)系坐標(biāo)點(diǎn)來約束覆蓋區(qū)域在地形空間的位置和大小。

圖1 電磁覆蓋范圍可視化流程

2) 提取局部高程網(wǎng)格

地理信息高程網(wǎng)格通常采用瓦片技術(shù)進(jìn)行層次存放，每個(gè)瓦片是均勻間隔的規(guī)則柵格數(shù)據(jù)。提取高程網(wǎng)格操作就是把覆蓋區(qū)域中包含的某一層次的所有瓦片匯集起來，形成新的柵格數(shù)據(jù)。為了減少頻繁的高程網(wǎng)格提取和提高覆蓋區(qū)域顯示的精確度，這里瓦片的層次為高程數(shù)據(jù)所能支持的最大層數(shù)。

這里僅以原始高程網(wǎng)格作為覆蓋范圍分析的依據(jù)，并未對(duì)網(wǎng)格作插值計(jì)算，因?yàn)椴逯涤謺?huì)引入新的誤差，沒有提高計(jì)算結(jié)果的精確程度。

在地理信息系統(tǒng)中，瓦片層次隨著視角和地面的距離而變化，如果要獲取最高層次的瓦片數(shù)據(jù)，就需要直接讀取高程數(shù)據(jù)文件或者訪問地理信息服務(wù)器來獲取。

3) 計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值

輻射場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化而變化，一般地，距離越遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)值越小，反之越大。這里設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果作為可視化表示的依據(jù)：

e=1-dis/radius

(1)

式中，e為網(wǎng)格點(diǎn)輻射場(chǎng)強(qiáng)，dis為輻射源到網(wǎng)格點(diǎn)的距離，radius為輻射半徑。

一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值不依賴于其他網(wǎng)格點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值，因此可以進(jìn)行并行計(jì)算。這里給出一個(gè)基于openMP的并行計(jì)算偽代碼：

#pragma omp parallel for num_threads(15)//利用openMP開啟15個(gè)線程并行計(jì)算輻射場(chǎng)強(qiáng)

for(int i=0;i

v=vert[i];//獲取當(dāng)前頂點(diǎn)

bool b=calcIntersect(p,v);//計(jì)算輻射源和當(dāng)前頂點(diǎn)是否通視

if(b){//如果通視

通過式(1)計(jì)算該點(diǎn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)；

}else{

設(shè)置該點(diǎn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)為0；

}

}

4) 網(wǎng)格著色

為了將輻射場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行可視化表示，需要將場(chǎng)強(qiáng)值映射為可視化的顏色。因此定義一個(gè)顏色表，表中每一項(xiàng)都是(R，G，B，A)四元組(分別表示紅、綠、藍(lán)和透明度)，通過場(chǎng)強(qiáng)值生成顏色索引，依此索引從顏色表中提取相應(yīng)顏色并賦給網(wǎng)格點(diǎn)的顏色數(shù)組。場(chǎng)強(qiáng)值生成顏色索引的公式如下：

id=floor(e×256)

(2)

式中，id為顏色索引，e為網(wǎng)格點(diǎn)輻射場(chǎng)強(qiáng)，256為顏色表中顏色數(shù)目，floor為下取整函數(shù)。

5) 生成紋理圖片

局部高程網(wǎng)格是由許多三角面片組成，在可視化環(huán)境中需要對(duì)每個(gè)三角面片反復(fù)進(jìn)行更新、裁剪、繪制等操作，會(huì)消耗較大的CPU/GPU資源，降低幀速率和實(shí)時(shí)可視化效果。如果能將局部高程網(wǎng)格生成紋理圖片，再將圖片疊加到相應(yīng)的地形區(qū)域，那么將有效解決這個(gè)問題。由于高程網(wǎng)格數(shù)據(jù)本質(zhì)上也是柵格圖片[9]，每個(gè)頂點(diǎn)都是(X，Y，Z)表示的位置信息，如果將這些位置信息替換為(R，G，B，A)的顏色信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)高程網(wǎng)格生成紋理圖片。

6) 紋理圖片疊加

在預(yù)估覆蓋區(qū)域時(shí)，已經(jīng)獲取到了區(qū)域左上角和右下角的坐標(biāo)值，紋理圖片的左上角和右下角的坐標(biāo)是與該區(qū)域相對(duì)應(yīng)的，采用基于GPU的著色語言，利用紋理采樣算法可以將紋理圖片快速疊加到該地形區(qū)域上。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

基于第2節(jié)設(shè)計(jì)的方法流程，本文采用24核Intel Xeon E5-2620 2.4 GHz處理器，利用開源的地理信息引擎osgEarth構(gòu)建了50 km×50 km的大規(guī)模虛擬地形，并采用基于CPU的openMP并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行加速，對(duì)點(diǎn)輻射源的電磁覆蓋范圍進(jìn)行了可視化表現(xiàn)，效果圖如圖2所示。為了使計(jì)算結(jié)果更有代表性，構(gòu)建了圖2(a)所示的高低起伏明顯的地形區(qū)域，最高點(diǎn)的海拔為800 m，最低點(diǎn)的海拔為0 m，輻射源位于地形中心，海拔高為700 m，有效輻射半徑為20 km；根據(jù)輻射半徑，預(yù)估正方形覆蓋區(qū)域，如圖2(b)中的白色網(wǎng)格所示；提取預(yù)估覆蓋區(qū)域下方的地形局部高程網(wǎng)格區(qū)域，如圖2(c)中的白色網(wǎng)格所示；計(jì)算輻射源到局部高程網(wǎng)格所有網(wǎng)格點(diǎn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)值，然后對(duì)場(chǎng)強(qiáng)值作顏色映射，并生成與預(yù)估覆蓋范圍同樣大小的紋理圖片，疊加顯示在地形上，如圖2(d)所示，也即輻射源在地形上電磁覆蓋范圍的可視化表示。

(a) 原始地形

(b) 預(yù)估覆蓋區(qū)域

(c) 提取局部高程網(wǎng)格

(d) 生成紋理圖片并疊加圖2 地面電磁覆蓋范圍可視化過程

利用不同數(shù)量的線程進(jìn)行并加速，能取得不同的加速效果，具體如圖3所示。由圖3可以看出，剛開始，隨著線程數(shù)的增加，并行計(jì)算時(shí)間快速減少，當(dāng)線程數(shù)為CPU數(shù)量的一半左右時(shí)，加速性能基本達(dá)到最高，再增加線程數(shù)對(duì)加速性能影響不大，甚至還會(huì)出現(xiàn)時(shí)間成本升高。最優(yōu)的加速比為5左右。這是由于系統(tǒng)進(jìn)程會(huì)占用一部分CPU資源，并且隨著并行線程數(shù)量的增加，線程在CPU上同步、通信、切換等開銷也會(huì)變大，造成時(shí)間成本上升。

圖3 并行計(jì)算加速曲線

4 結(jié)束語

本文基于點(diǎn)輻射源，研究了其輻射電磁波在地面上覆蓋范圍的快速可視化方法，通過實(shí)驗(yàn)分析，繪制時(shí)間基本在可接受的范圍內(nèi)，因此該方法是正確和有效的。由于本文假設(shè)條件的約束，并不能說明繪制電磁覆蓋范圍與實(shí)際相一致，精確覆蓋范圍的確定還需要對(duì)輻射源的輻射特性進(jìn)行精確建模才能獲得。