趙金紅,王璀璨,李 博

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京 100094)

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一種戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境可視化表征方法

趙金紅,王璀璨,李 博

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京 100094)

為了系統(tǒng)描述戰(zhàn)場電磁環(huán)境，提出了一種適用于戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場可視化的理論表征方法。該方法針對(duì)能-空域表征在一定作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、通信等電子設(shè)備整體輻射能量分布情況,能夠反映當(dāng)前時(shí)刻、指定頻率下不同地理位置、不同地面高度的電磁能量全空域分布特性。

戰(zhàn)場電磁環(huán)境;表征方法;能-空域;能量分布計(jì)算;可視化

隨著信息化武器裝備的廣泛使用,基于“電磁、網(wǎng)絡(luò)”無形空間的斗爭日益激烈,誰獲得“電磁、網(wǎng)絡(luò)”空間的控制權(quán),誰將獲得戰(zhàn)場的主動(dòng)權(quán),戰(zhàn)場的信號(hào)密度十分密集,信號(hào)形式也很復(fù)雜。戰(zhàn)場電磁環(huán)境就是作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等設(shè)備所形成的環(huán)境。如何系統(tǒng)而直觀地描述戰(zhàn)場電磁環(huán)境一直是電磁頻譜監(jiān)測的難題,也是制約指揮員正確把握電磁頻譜信息進(jìn)行準(zhǔn)確、高效指揮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境表征是對(duì)作戰(zhàn)空間內(nèi)電磁信號(hào)的時(shí)域、頻域、空域、能域等電磁環(huán)境要素的理解和可視化,即將戰(zhàn)場空間的各種電磁信號(hào)的時(shí)、頻、空、能域的信息組合起來以顯示空間內(nèi)電磁能量的狀態(tài)。考慮到多維電磁頻譜信息表征的復(fù)雜性,分別對(duì)能-空域、能-頻域以及頻-空域信息相結(jié)合進(jìn)行表征是個(gè)不錯(cuò)的選擇。本文提出的戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境可視化表征方法,就是針對(duì)能-空域表征在一定作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、通信等電子設(shè)備整體輻射能量分布情況,反映當(dāng)前時(shí)刻、指定頻率下不同地理位置、不同地面高度的電磁能量全空域分布特性。

1 表征方法

在連續(xù)空間中定量表征電磁場效應(yīng)在理論上是可行的,但受計(jì)算開銷和存儲(chǔ)開銷的制約,實(shí)現(xiàn)起來難度很大,離散化分區(qū)可以解決這一問題。以網(wǎng)格的方式劃分作戰(zhàn)區(qū)域,將對(duì)戰(zhàn)場電磁環(huán)境的表征轉(zhuǎn)化為對(duì)離散點(diǎn)電磁效應(yīng)集合的表征。網(wǎng)格劃分的粒度越細(xì),電磁環(huán)境模擬的精度越高,但會(huì)增加計(jì)算開銷和存儲(chǔ)開銷,因此有必要針對(duì)不同的應(yīng)用場景制定合適的網(wǎng)格劃分粒度,以達(dá)到開銷和精度的平衡。戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境可視化表征方法如下。

首先,網(wǎng)格化處理表征區(qū)域。對(duì)戰(zhàn)場作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行離散化分區(qū),將作戰(zhàn)區(qū)域劃分為m個(gè)網(wǎng)格,記為W={Wk},其中k=1,…,m。每個(gè)網(wǎng)格可以近似估計(jì)為一個(gè)點(diǎn),可以用每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的經(jīng)緯度信息表示該網(wǎng)格的位置信息,則每個(gè)網(wǎng)格位置可以記為Wk(long,lati),其中l(wèi)ong表示該網(wǎng)格中心點(diǎn)的經(jīng)度,lati表示該網(wǎng)格中心點(diǎn)的緯度。

最后,進(jìn)行區(qū)域電磁頻譜數(shù)據(jù)可視化。其中，包括電磁頻譜數(shù)據(jù)二維可視化和三維可視化。

2 電子設(shè)備輻射能量分布計(jì)算

計(jì)算每個(gè)電子設(shè)備在各個(gè)網(wǎng)格處的能量值是進(jìn)行區(qū)域輻射能量分布計(jì)算的基礎(chǔ)。圖1為電子設(shè)備在各網(wǎng)格處的能量分布的計(jì)算方法。

圖1 電子設(shè)備輻射能量分布計(jì)算方法

Step 1 進(jìn)行距離解算。根據(jù)電子設(shè)備和每個(gè)網(wǎng)格的位置信息(經(jīng)緯度),計(jì)算電子設(shè)備到表征區(qū)域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格的實(shí)際距離D。為了能夠精確求解距離解算問題,計(jì)算公式采用經(jīng)典的Bowring公式[1]。

Step 2 計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的場強(qiáng)值。根據(jù)電子設(shè)備的工作頻率f、天線高度H、時(shí)間占空比d、該電子設(shè)備到各個(gè)網(wǎng)格的距離D四個(gè)頻譜特征參數(shù),依據(jù)ITU-R P.1546-4電波傳播模型[2-6],計(jì)算出該電子設(shè)備進(jìn)行1kW有效輻射功率(e.r.p)場強(qiáng)值下各網(wǎng)格處的場強(qiáng)值Ek。

Step 3 根據(jù)路徑損耗公式,計(jì)算該電子設(shè)備的場強(qiáng)值到各個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的路徑損耗Lb,計(jì)算公式如下:

Lb=139.3-Ek+20logf

(1)

Step 4 根據(jù)該電子設(shè)備的發(fā)射功率Pt、天線增益Gt等參數(shù),計(jì)算該電子設(shè)備到每個(gè)網(wǎng)格的剩余能量值,即該電子設(shè)備到各個(gè)網(wǎng)格的能量值P,計(jì)算公式如下:

P=Pt+Gt-Lb

(2)

以上方法針對(duì)的是全向天線工作的設(shè)備,若設(shè)備存在方向性,則計(jì)算方法上有一些不同。首先有三個(gè)角度是已知的,設(shè)備的俯仰角、方位角以及波束角。俯仰角和方位角主要是用來確定此時(shí)設(shè)備發(fā)射中心軸所指向的方位,當(dāng)電子設(shè)備位置和發(fā)射方向已知,我們就可以確定以電子設(shè)備位置為起點(diǎn)的向量。然后求得由電子設(shè)備所在位置指向各網(wǎng)格的所有向量,進(jìn)而通過向量夾角公式計(jì)算得到上述所有向量與設(shè)備發(fā)射中心軸向量的夾角,與波束角大小進(jìn)行比較,如果小于波束角,那么證明此網(wǎng)格能夠被設(shè)備發(fā)射信號(hào)覆蓋,因此需要通過此網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的向量夾角根據(jù)方向圖得到發(fā)射功率,進(jìn)而通過之前計(jì)算過的路損值按照公式(1)得到此網(wǎng)格處的能量大小,采用以上辦法遍歷表征區(qū)域中的所有網(wǎng)格之后就可以得到由于設(shè)備方向性影響之下的空間能量值大小。

3 區(qū)域電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場可視化

3.1 二維可視化

將二維平面網(wǎng)格化,通過二維坐標(biāo)表征地理位置,用以模擬當(dāng)前狀態(tài)下電子設(shè)備在海面的分布情況。接收到輸入的電子設(shè)備位置(經(jīng)緯度)后,首先應(yīng)該確定網(wǎng)格化的二維平面參考點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度,然后根據(jù)電子設(shè)備位置信息換算出艦船在網(wǎng)格化的二維平面中所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即可將電子設(shè)備分布在二維平面中。能量強(qiáng)度的表征可以參考等高線不同顏色標(biāo)記不同高度的方法利用顏色來表征信號(hào)能量強(qiáng)度的大小,相當(dāng)于將第三維坐標(biāo)用顏色的不同展現(xiàn)出來。如圖2所示。

圖2 海戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場表征圖(二維)

3.2 三維可視化[7]

由于電磁環(huán)境計(jì)算出的電磁強(qiáng)度只是一個(gè)標(biāo)量值,需要對(duì)標(biāo)量值賦予一定的顏色、透明度以及幾何形體之后,才可以形象地表達(dá)出三維標(biāo)量數(shù)據(jù)場的特征。

顏色的格式有RGBA四個(gè)分量,R代表紅色,G代表綠色,B代表藍(lán)色,A代表透明度,取值范圍在0～1.0之間,映射成無符號(hào)后范圍為0～255。根據(jù)三位數(shù)據(jù)場的標(biāo)量值,不同顏色應(yīng)該有不同的映射方式。通過電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場的計(jì)算,可以很容易得出數(shù)據(jù)場中最大電磁強(qiáng)度fremax和最小電磁強(qiáng)度fremin,可以定義紅色代表該區(qū)域中電磁強(qiáng)度值很強(qiáng),藍(lán)色代表中等電磁強(qiáng)度,綠色代表電磁強(qiáng)度弱,透明度alpha由輸入來控制,設(shè)置一個(gè)閾值threshold,當(dāng)alpha值大于這個(gè)閾值時(shí),顯示這部分顏色,當(dāng)小于這個(gè)閾值時(shí),則不進(jìn)行顯示。對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)如下所示。

紅色分量對(duì)應(yīng)的映射函數(shù):

藍(lán)色對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)：

綠色對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)：

透明度對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)：

以上主要將空間能量信息轉(zhuǎn)化成為圖形顏色信息,實(shí)現(xiàn)區(qū)域電磁環(huán)境的可視化,而若想更加直觀地通過計(jì)算機(jī)展示區(qū)域電磁環(huán)境則需要基于圖形處理工具例如OpenGL對(duì)圖形界面展示進(jìn)行更好的渲染,才能夠更加方便指揮者觀察。目前針對(duì)電磁環(huán)境圖形渲染主要有以下三種圖形繪制技術(shù)。

1)直接體繪制

體繪制的基本過程是:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,給不同類的數(shù)據(jù)賦予不同的色彩和非透明度;根據(jù)體繪制的光學(xué)模型,對(duì)數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制。在繪制過程中,涉及到數(shù)據(jù)點(diǎn)的投影變換、數(shù)據(jù)的插值計(jì)算、排序和色彩合成等操作。直接體繪制算法的實(shí)質(zhì)就是將離散分布的三維數(shù)據(jù)場按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為圖形設(shè)備的二維離散信號(hào),即生成每個(gè)像素點(diǎn)顏色的RGB值。簡而言之,體繪制技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)三維離散數(shù)據(jù)場的重新采樣和圖像合成的過程。

2)面繪制

面繪制方法首先由3D數(shù)據(jù)場構(gòu)造中間幾何元素,即構(gòu)造表示場分布的曲線、曲面等,用3D幾何形狀反映場的信息,并將面上的數(shù)據(jù)屬性映射為可視元素,然后用傳統(tǒng)的圖形學(xué)方法實(shí)現(xiàn)可視化圖像的輸出。這種方法構(gòu)造出的可視化圖形雖然不能反映整個(gè)原始數(shù)據(jù)場的全貌及細(xì)節(jié),但是可以對(duì)感興趣的某層曲面產(chǎn)生清晰的圖像,而且可以利用現(xiàn)有的圖形硬件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的繪制功能,速度較快。

3)切片繪制

考慮到面繪制和體繪制的優(yōu)缺點(diǎn),還可以采用切片技術(shù)(slice)實(shí)現(xiàn)規(guī)則體數(shù)據(jù)的可視化。即用一個(gè)或多個(gè)平面沿不同方向去切開模擬空間某個(gè)(或幾個(gè))感興趣的部位,根據(jù)切面上各網(wǎng)格點(diǎn)上的電磁場量的值,按一定的規(guī)則設(shè)置相應(yīng)的顏色和透明度,從而在切面上生成形象直觀的電磁場量分布圖像。利用切片技術(shù)不僅能表達(dá)原始數(shù)據(jù)場的細(xì)節(jié)信息,達(dá)到很好的視覺效果,而且不需要大量的計(jì)算開銷,給觀察和分析規(guī)則體數(shù)據(jù)提供了一個(gè)有效而簡單的手段。切片法體繪制的基本原理是用切片切割的方式將用戶感興趣的空間實(shí)體展現(xiàn)出來,觀察并分析其內(nèi)部的變化規(guī)律。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)體數(shù)據(jù)空間全方位、多角度的展現(xiàn),提供多種切片切割的方向和方式。

以海戰(zhàn)場為例,本文提出的戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境表征方法采用切片繪制的方式進(jìn)行渲染,三維可視化效果如圖3所示。

圖3 戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境數(shù)據(jù)場表征圖(三維)

4 結(jié)束語

本文提出的戰(zhàn)場區(qū)域電磁環(huán)境可視化表征方法可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場上電子設(shè)備在當(dāng)前時(shí)刻、指定頻率下對(duì)于

整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域能量分布情況的可視化。該方法對(duì)表征區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理,這種離散化分區(qū)在保證表征精度的同時(shí)節(jié)省了計(jì)算開銷和存儲(chǔ)開銷,該方法也很好地運(yùn)用了經(jīng)典公式和ITU標(biāo)準(zhǔn),提高了其可行性和準(zhǔn)確性。但是,本文提出的區(qū)域輻射能量分布計(jì)算方法是理論化的,并未考慮實(shí)際戰(zhàn)場中可能存在的自然、人為、民用等非戰(zhàn)場電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射因素。在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過電磁頻譜感知設(shè)備獲取的電磁頻譜監(jiān)視信息進(jìn)行修正,彌補(bǔ)該方法的不足。

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A Representation Method of Electromagnetic Environment Visualization in Battlefield

ZHAO Jin-hong, WANG Cui-can, LI Bo

(Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China)

This paper presents a representation method of electromagnetic environment visualization in battlefield, specifically it characterizes the overall radiation energy distribution of radar, electronic warfare, navigation, communications and other electronic equipment. It can respond to the current time,the specified frequency of different geographical locaitons, different levels of electromagnetic energy of the whole airspace.

battlefield electromagnetic environment; representation method; energy-space domain; energy distribution calculation; visualization

2017-02-10

趙金紅(1984-),女,黑龍江訥河人,碩士,工程師,研究方向?yàn)轭l譜管理、艦船電子對(duì)抗建模與仿真。 王璀璨(1987-),女，博士，工程師。 李 博(1985-)，男，碩士，工程師。

1673-3819(2017)03-0098-04

TN011；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.021

修回日期： 2017-03-29