本發(fā)明屬于雷達(dá)顯示領(lǐng)域，特別是一種根據(jù)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)完成三維運(yùn)動場景顯示的方法，可用于高分辨率機(jī)載雷達(dá)。

背景技術(shù)：

機(jī)載雷達(dá)三維運(yùn)動場景顯示方法，可以完成飛機(jī)前方雷達(dá)掃描范圍內(nèi)地形地貌的實時重構(gòu)和顯示，為飛行員提供直觀的障礙物信息，保障飛機(jī)飛行安全，同時能夠完成一定區(qū)域的地形測繪。

隨著計算機(jī)顯示技術(shù)的發(fā)展，基于計算機(jī)顯示技術(shù)的三維場景重構(gòu)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于游戲、虛擬現(xiàn)實等方面，但由于雷達(dá)技術(shù)的限制，傳統(tǒng)的機(jī)載雷達(dá)天線掃描速度和分辨率較低，無法對飛機(jī)前方地形地貌進(jìn)行有效的探測、掃描和顯示。隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載雷達(dá)掃描速度和分辨率也不斷提高，出現(xiàn)了一些具備高分辨率能力的機(jī)載雷達(dá)，如合成孔徑雷達(dá)等，該類型雷達(dá)能在短時間完成飛機(jī)前方一定范圍內(nèi)的障礙物的空間立體掃描，回波由接收天線接收經(jīng)數(shù)字信號處理算法處理，得到一組飛機(jī)前方障礙物空間立體分布數(shù)據(jù)，經(jīng)三維場景顯示重構(gòu)技術(shù)處理后形成一幀三維場景顯示畫面進(jìn)行顯示。該三維場景顯示畫面隨飛機(jī)運(yùn)動姿態(tài)不斷刷新變化，最終完成三維運(yùn)動場景的動態(tài)顯示。

現(xiàn)有的機(jī)載雷達(dá)顯示方法顯示畫面多為二維，無法直觀的反應(yīng)飛機(jī)前方地形地貌的高度信息，威脅飛機(jī)飛行安全，也無法完成地形地貌的測繪。部分機(jī)載雷達(dá)顯示方法雖具備三維顯示能力，但為減少顯示設(shè)備尺寸和重量，保障顯示畫面的實時性，普遍存在四方面的缺點(diǎn)：一是沒有圖形硬件，無法對三維顯示畫面進(jìn)行硬件加速；二是采用不同高程地形單調(diào)著色方式進(jìn)行渲染，渲染立體效果較弱；三是沒有三維天空模型或通過將顯示背景清除色設(shè)置為藍(lán)色來簡單模擬天空，該顯示方法無法模擬現(xiàn)實天氣變化，真實性較差；四是無法在三維運(yùn)動場景中有效區(qū)分地形數(shù)據(jù)和點(diǎn)目標(biāo)或線目標(biāo)等數(shù)據(jù)，也不能對點(diǎn)目標(biāo)和線目標(biāo)進(jìn)行模型重構(gòu)和防撞告警，如對鐵塔、電力線等均不能進(jìn)行模型重構(gòu)和防撞告警。

因此如何解決機(jī)載雷達(dá)顯示方法三維運(yùn)動場景顯示問題是高分辨率機(jī)載雷達(dá)設(shè)計過程中急需解決的一個重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種機(jī)載雷達(dá)三維運(yùn)動場景顯示方法，以通過對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的處理，生成逼真三維運(yùn)動場景，同時模擬現(xiàn)實天氣變化，對場景中的點(diǎn)目標(biāo)和線目標(biāo)進(jìn)行模型重構(gòu)和顯示告警。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

1)根據(jù)機(jī)載雷達(dá)天線的掃描角度步進(jìn)、掃描角度范圍和雷達(dá)最大探測距離構(gòu)建三維場景數(shù)字高程模型，初始化雷達(dá)回波數(shù)據(jù)并生成參考平面；

2)根據(jù)雷達(dá)最大探測距離構(gòu)建三維天空模型并覆蓋參考平面，通過旋轉(zhuǎn)模擬天空；

3)接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù),并通過連通性判別識別出其中的地形數(shù)據(jù)、點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)和線目標(biāo)數(shù)據(jù)，對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，并分離出地形數(shù)據(jù)中的非參考平面點(diǎn)，再用這些非參考平面點(diǎn)對三維場景數(shù)字高程模型中對應(yīng)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行填充；

4)計算三維場景數(shù)字高程模型中每個非參考平面點(diǎn)的坡度，并根據(jù)坡度設(shè)置該點(diǎn)的顏色材料屬性值，利用該顏色材料屬性值和地面紋理貼圖完成三維場景數(shù)字高程模型的地面紋理映射，生成有明暗變化的三維地形畫面；

5)根據(jù)點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)在三維場景數(shù)字高程模型中的對應(yīng)點(diǎn)重建點(diǎn)目標(biāo)模型，根據(jù)線目標(biāo)數(shù)據(jù)在三維場景數(shù)字高程模型中的對應(yīng)點(diǎn)重建線目標(biāo)模型，分別以字符形式指示點(diǎn)目標(biāo)模型和線目標(biāo)模型的方位角度和距離信息并進(jìn)行告警，提示飛行員進(jìn)行規(guī)避；

6)將三維地形畫面上的點(diǎn)按照與飛機(jī)水平距離由近及遠(yuǎn)劃分為9個區(qū)域并分別著色后，繪制在三維場景數(shù)字高程模型的水平側(cè)視圖和垂直俯視圖中，以不同角度顯示地形數(shù)據(jù)、點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)和線目標(biāo)數(shù)據(jù)的空間分布狀況；

7)接收飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)繪制二維數(shù)字儀表，并將該數(shù)字儀表與三維地形畫面、點(diǎn)目標(biāo)模型、線目標(biāo)模型、水平側(cè)視圖和垂直俯視圖進(jìn)行疊加顯示，直觀的向飛行員顯示飛機(jī)的飛行狀態(tài)；

8)重復(fù)步驟3)～步驟7)，隨飛機(jī)運(yùn)動實時更新顯示畫面，完成三維運(yùn)動場景顯示。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明通過利用三維場景數(shù)字高程模型中點(diǎn)的顏色材料屬性值和地面紋理貼圖完成地面紋理映射，能夠在三維場景中不添加光照的情況下，生成具有明暗變化的三維地形畫面，達(dá)到增強(qiáng)場景顯示效果的目的；

2.本發(fā)明由于在三維場景中構(gòu)建了三維天空模型，相對于沒有三維天空模型的三維運(yùn)動場景顯示方法，能夠通過加載不同的天空紋理映射來模擬現(xiàn)實天氣變化，顯著增強(qiáng)場景真實感；

3.本發(fā)明由于具有點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)和線目標(biāo)數(shù)據(jù)重構(gòu)功能，能夠接收經(jīng)連通性判別后識別的點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)和線目標(biāo)數(shù)據(jù)，故可在三維運(yùn)動場景中疊加顯示對應(yīng)點(diǎn)目標(biāo)模型和線目標(biāo)模型的方位角度和距離信息并進(jìn)行告警，保障飛機(jī)飛行安全。

試驗表明，本發(fā)明具有良好的三維運(yùn)動場景顯示效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的使用場景圖；

圖2為本發(fā)明的三維天空模型示意圖；

圖3為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖。

具體實施方式

參照圖3，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，構(gòu)建數(shù)字高程模型并初始化。

如圖1所示，飛機(jī)在飛行過程中，機(jī)載雷達(dá)通過天線對飛機(jī)前方一定范圍進(jìn)行空間立體掃描，同時機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)生的電磁脈沖經(jīng)天線輻射出去，當(dāng)遇到山體、電力線或鐵塔等障礙物后反射回去并被天線接收，經(jīng)過機(jī)載雷達(dá)前端采樣量化后得到雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，再通過連通性判別等處理后得到地形數(shù)據(jù)、點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)和線目標(biāo)數(shù)據(jù)。

為了能夠直觀、真實的反應(yīng)地形數(shù)據(jù)在三維場景中的空間分布狀況，需要在空間直角坐標(biāo)系中構(gòu)建數(shù)字高程模型并初始化；為了簡化數(shù)字高程模型的渲染，有效區(qū)分機(jī)載雷達(dá)天線掃描波束覆蓋范圍內(nèi)的水平面和山體，需同時在空間直角坐標(biāo)系中生成參考平面來模擬水平面，其實現(xiàn)步驟如下：

1.1)根據(jù)天線掃描角度范圍[θ1，θ2]、天線掃描步進(jìn)δθ和雷達(dá)最大探測距離為s，按照極坐標(biāo)方式將機(jī)載雷達(dá)天線掃描波束覆蓋范圍分為m行、n列個網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中n為同一天線步進(jìn)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)采樣量化個數(shù)，每一個網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)均包含空間坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)和顏色材料屬性；

1.2)假設(shè)該網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)中第i行、第j列點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xij，yij，zij)，紋理坐標(biāo)為(uij，vij)，顏色材料屬性值為(rij，gij，bij)，其中rij為紅色分量值，gij為綠色分量值，bij為紅色分量值，對yij、rij、gij和bij均初始化賦值為0，且xij、zij、uij和vij滿足以下公式：

其中i滿足0≤i≤m，j滿足0≤j≤n；

1.3)在三維運(yùn)動場景中，以水平向右方向為x軸正方向，垂直向上方向為y軸正方向建立標(biāo)準(zhǔn)空間直角坐標(biāo)系，將每個網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)按照該點(diǎn)的空間坐標(biāo)映射到坐標(biāo)系中，并將每個網(wǎng)格用四邊形進(jìn)行覆蓋，形成三維場景數(shù)字高程模型；

1.4)在空間直角坐標(biāo)系中，以坐標(biāo)系原點(diǎn)為中心點(diǎn)在x-z平面位置添加邊長為s的正方形面，并對正方形面進(jìn)行草地紋理貼圖映射，生成機(jī)載雷達(dá)天線掃描波束覆蓋范圍內(nèi)的水平面。

步驟2，構(gòu)建天空模型并旋轉(zhuǎn)。

為了能夠在三維場景中模擬現(xiàn)實天氣和云層流動，同時不過度增加三維場景復(fù)雜度，需要在空間直角坐標(biāo)系中構(gòu)建合適的天空模型并覆蓋在數(shù)字高程模型上方。通過對天空模型加載不同天空紋理貼圖來模擬現(xiàn)實天氣，通過天空模型旋轉(zhuǎn)來模擬云層流動，其實現(xiàn)步驟如下：

2.1)參照圖2，將與參考平面大小相同的正方形均勻分為n行、n列個網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中n為奇數(shù)；

2.2)假設(shè)該網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)中第c行、第d列點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xcd，ycd，zcd)，其中c滿足0≤c≤n，d滿足0≤d≤n，xcd和zcd滿足以下公式：

根據(jù)該點(diǎn)的x軸坐標(biāo)xcd和z軸坐標(biāo)zcd對該點(diǎn)的y軸坐標(biāo)ycd進(jìn)行賦值，使ycd滿足以下公式：

2.3)將該網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)中的每一個點(diǎn)按照其空間坐標(biāo)映射到空間直角坐標(biāo)系中，將每個網(wǎng)格用四邊形覆蓋，并加載天空紋理貼圖映射，形成三維天空模型；

2.4)對構(gòu)建的天空模型以y軸為中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，模擬天空中云層流動。

步驟3，接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)并濾波。

由于地形數(shù)據(jù)在接收時進(jìn)行了采樣量化，對應(yīng)的數(shù)字高程模型也按照地形數(shù)據(jù)對地形進(jìn)行了分割，同時由于機(jī)載雷達(dá)不可消除的系統(tǒng)噪聲使地形數(shù)據(jù)中存在壞點(diǎn)，直接按照地形數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場景會造成地形起伏較大等問題。為解決該問題，需對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，具體是通過在x軸和z軸方向上對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口滑動線性濾波實現(xiàn)，濾波模板采用：

即在濾波過程中，對當(dāng)前待處理的數(shù)據(jù)設(shè)置權(quán)值為2，選取與其臨近的10個數(shù)據(jù)設(shè)置權(quán)值為1，將待處理數(shù)據(jù)和其臨近的10個數(shù)據(jù)分別與對應(yīng)權(quán)值相乘后累加求和，再求平均后得到處理后的數(shù)據(jù)。

步驟4，填充數(shù)字高程模型高程數(shù)據(jù)。

為了在三維場景中完成對地形數(shù)據(jù)的渲染，同時減少數(shù)字高程模型重構(gòu)的數(shù)據(jù)量，需要分離出地形數(shù)據(jù)中的非參考平面點(diǎn)，采用的方法是遍歷雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的地形數(shù)據(jù)，將其中值為0的數(shù)據(jù)作為參考平面點(diǎn)，不進(jìn)行處理；將值不為0的數(shù)據(jù)為非參考平面上的點(diǎn)，按照地形數(shù)據(jù)組織格式對數(shù)字高程模型中x-z平面上對應(yīng)位置點(diǎn)的z坐標(biāo)進(jìn)行賦值，完成數(shù)字高程模型中高程數(shù)據(jù)的填充。

步驟5，計算坡度并完成紋理映射。

為了能夠生成具有明暗變化的三維地形畫面，需要計算數(shù)字高程模型中非參考平面點(diǎn)的坡度，并根據(jù)該點(diǎn)的坡度值設(shè)置其顏色材料屬性值，實現(xiàn)步驟如下：

5.1)假設(shè)三維場景數(shù)字高程模型中第i行、第j列的點(diǎn)為非參考平面點(diǎn)，其空間坐標(biāo)為(xij，yij，zij)，坡度為gij，顏色材料屬性值為(rij，gij，bij)，其中rij為紅色分量值，gij為綠色分量值，bij為紅色分量值；

5.2)假設(shè)三維場景數(shù)字高程模型中第i行、第j-1列點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xij-1，yij-1，zij-1)，第i行、第j+1列點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xij+1，yij+1，zij+1)；

5.3)根據(jù)5.1)和5.2)的假設(shè)，計算第i行、第j列的點(diǎn)的坡度gij：

其中zij滿足zij≠zij-1，zij≠zij+1；

5.4)根據(jù)5.3)計算的坡度gij，對第i行、第j列的點(diǎn)的顏色材料屬性值的紅色分量值rij、綠色分量值gij、藍(lán)色分量值bij統(tǒng)一進(jìn)行賦值：

若0≤gij＜0.25，則rij＝gij＝bij＝0.313，

若0.25≤gij＜0.57，則rij＝gij＝bij＝0.39，

若0.57≤gij＜1，則rij＝gij＝bij＝0.46，

若1≤gij＜1.73，則rij＝gij＝bij＝0.58，

若1.73≤gij＜3.73，則rij＝gij＝bij＝0.7；

若3.73≤gij，則rij＝gij＝bij＝0.86；

5.5)根據(jù)5.4)得到的顏色材料屬性值，對三維場景數(shù)字高程模型進(jìn)行地面紋理貼圖，完成對三維場景數(shù)字高程模型中非參考平面點(diǎn)的地面紋理映射，生成有明暗變化的三維地形畫面。

步驟6，重建點(diǎn)目標(biāo)和線目標(biāo)模型。

為了能夠?qū)θS場景中的電力線或鐵塔等障礙物進(jìn)行預(yù)警，保障飛機(jī)飛行安全，需要在三維場景中建立與電力線等目標(biāo)對應(yīng)的線目標(biāo)模型和與鐵塔等目標(biāo)對應(yīng)的點(diǎn)目標(biāo)模型進(jìn)行重建，并標(biāo)示相應(yīng)空間坐標(biāo)等預(yù)警信息，其重建點(diǎn)目標(biāo)和線目標(biāo)模型的步驟如下：

6.1)獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的某一點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)(xp，yp，zp)，再在空間直角坐標(biāo)系中的(xp，0，zp)坐標(biāo)位置處繪制一個高為zp的三棱錐，完成該點(diǎn)目標(biāo)模型的重建；

6.2)獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中某一線目標(biāo)數(shù)據(jù)(a0，a1，a2，a3，xstart，ystart，zstart，xend,yend,zend,llength)，其中(a0，a1，a2，a3)為線目標(biāo)4個不同的擬合系數(shù)，該系數(shù)是通過對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行連通性判別、電力線識別算法處理后獲得，隨電力線在飛機(jī)前方空間位置的不同而改變，(xstart，ystart，zstart)為線目標(biāo)起始端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，(xend，yend，zend)為線目標(biāo)終止端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，llength為線目標(biāo)在x-z平面投影線段的長度；

6.3)根據(jù)線目標(biāo)在x-z平面投影線段的長度llength將該線目標(biāo)分割為l個離散點(diǎn)：

若llength＜2048，則l＝llength，

若llength＞2048，則l＝2048；

6.4)假設(shè)線目標(biāo)l個離散點(diǎn)中第k個離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xk，yk，zk)，則按如下公式計算xk、yk和zk的值：

6.5)在空間直角坐標(biāo)系中將l個離散點(diǎn)按順序連接，將線目標(biāo)坐標(biāo)為(xstart，ystart，zstart)的起始端點(diǎn)和坐標(biāo)為(xstart，0，zstart)的點(diǎn)相連，將線目標(biāo)坐標(biāo)為(xend，yend，zend)的終止端點(diǎn)和坐標(biāo)為(xend，0，zend)的點(diǎn)相連，完成線目標(biāo)模型重建；

6.6)根據(jù)6.1)和6.5)重建的點(diǎn)目標(biāo)模型和線目標(biāo)模型，以字符形式指示點(diǎn)目標(biāo)模型和線目標(biāo)模型的方位角度和距離信息并進(jìn)行告警，提示飛行員進(jìn)行規(guī)避；

步驟7，繪制水平側(cè)視圖和垂直俯視圖。

將三維地形畫面上的點(diǎn)按照與飛機(jī)水平距離由近及遠(yuǎn)劃分為9個區(qū)域并分別著色后，繪制在三維場景數(shù)字高程模型的水平側(cè)視圖和垂直俯視圖中，以不同角度顯示地形數(shù)據(jù)、點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)和線目標(biāo)數(shù)據(jù)的空間分布狀況。

步驟8，疊加二維數(shù)字儀表。

接收飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)繪制二維數(shù)字儀表，并將該數(shù)字儀表與三維地形畫面、點(diǎn)目標(biāo)模型、線目標(biāo)模型、水平側(cè)視圖和垂直俯視圖進(jìn)行疊加顯示，直觀的向飛行員顯示飛機(jī)的飛行狀態(tài)；

步驟9，重復(fù)步驟3～步驟8，完成三維運(yùn)動場景的動態(tài)顯示。

在重復(fù)步驟3～步驟8過程中，由于飛機(jī)的運(yùn)動和姿態(tài)變化，造成飛機(jī)前方雷達(dá)掃描覆蓋范圍內(nèi)地形地貌、雷達(dá)回波數(shù)據(jù)發(fā)生變化，需要通過重新獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)并對三維場景顯示畫面實時重繪來完成三維運(yùn)動場景的動態(tài)顯示。

以上描述是本發(fā)明的一個具體實例，不構(gòu)成對發(fā)明的任何限制，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。