雷達電磁波三維探測范圍可視化仿真

摘要：雷達探測范圍是可視化虛擬戰(zhàn)場生成的一個重要環(huán)節(jié)，也是難點。雷達電磁波的傳播不僅受到自然環(huán)境的影響，同時也受到電子干擾環(huán)境的影響。在高級傳播模型的基礎上進行了改進，使得模型能夠適用于電子干擾環(huán)境。提出了一種圓柱體數(shù)據(jù)環(huán)拼接的可視化方法，解決了圓柱體數(shù)據(jù)場內密外疏的問題。利用可視化軟件包VTK對圓柱體數(shù)據(jù)場進行了繪制，實現(xiàn)了雷達在自然環(huán)境干擾和電子干擾環(huán)境下的三維探測范圍可視化，繪制的精確度和實時性都可滿足要求。
關鍵詞：探測范圍；電磁環(huán)境；可視化；VTK

0 引言
虛擬戰(zhàn)場生成是目前研究的一個熱點，其利用虛擬現(xiàn)實技術構建沉浸式的戰(zhàn)場環(huán)境，為指揮員提供強大的輔助決策功能。虛擬戰(zhàn)場包括自然環(huán)境和電磁環(huán)境2個部分，將非可視化的電磁環(huán)境可視化是構建虛擬戰(zhàn)場難點之一。雷達電磁波是電磁環(huán)境的主要構成，其在傳播過程中受到復雜自然環(huán)境的影響，同時也受到復雜電子干擾環(huán)境的影響，電磁波能量在空間的分布極為復雜。目前由美國海軍發(fā)展的高級傳播模型(Advanced Propagation Model，APM)綜合考慮了復雜地形和復雜大氣環(huán)境的影響，能夠快速準確地估計出雷達電磁波傳播損失情況。但是APM模型未考慮受到電子干擾時的情形，且局限于二維垂直面上的傳播計算。
實際運用中，必須對APM模型進行改進。文獻利用APM模型實現(xiàn)了雷達傳播信息的圓柱體繪制。圓柱體繪制視覺效果好，但每次改變視角都重新計算全部數(shù)據(jù)，因此對硬件要求較高。文獻提出虛擬3D策略來構造三維雷達的作用范圍。虛擬3D策略繪制速度快，實時性好，但隨著電磁波傳播距離的增大，數(shù)據(jù)誤差難以控制。改進了APM模型，使得APM模型更適用于電子干擾環(huán)境；改進了可視化方法，有效控制電磁傳播距離較遠時的數(shù)據(jù)誤差。視覺化工具函數(shù)庫(Visualization Toolkit，VTK)是一個開源、跨平臺軟件包。它是在三維函數(shù)庫OpenGL的基礎上采用面向對象的設計方法發(fā)展起來的，具有強大的三維圖形功能。充分挖掘其強大的數(shù)據(jù)集對象功能，實現(xiàn)了對大范圍高密度的電磁環(huán)境實時可視化。

1 雷達垂直探測范圈
1．1 雷達探測垂直面數(shù)據(jù)獲取
高級傳播模型(APM)是射線光學和拋物方程理論的混合模型，它克服了拋物方程模型計算量大的缺點，將傳輸區(qū)域分為4個部分：平坦地面FE(FlatEarth)、射線光學RO(Ray Optics)、拋物方程PE(Parabolic Equation)和擴展光學XO(Extended Optics)，如圖1所示。APM模型已經(jīng)考慮了地形、地面類型、大氣折射、大氣衰減等諸多自然環(huán)境因素，只需根據(jù)各地自然環(huán)境的不同進行建模，模型在精確度和計算效率方面實現(xiàn)了很好的權衡，是一種全新的、高效的電磁波傳播模型?；诖?，選用APM模型來計算各個方位角垂直面上的傳播因子F和傳播損失L。更多關于APM的資料見文獻。傳播因子F的定義為空間某點的實際電場強度E與在自由空間傳播條件下天線方向圖最大方向對準該點時產(chǎn)生的場強E0之比。傳播損失L是傳播因子F的函數(shù)。

PE模型是APM的核心模型，其他為補充。PE采用分布傅里葉方法求解，其基本原理是沿著電磁波傳播方向等間距不斷遞推求電場值。遞推公式為：

式中：x，z分別表示距離和高度方向上的坐標值；M(z)為大氣在不同高度上的折射系數(shù)；k0是自由空間波數(shù)；f和f-1表示傅里葉和逆傅里葉變換；p是轉換常數(shù)，p=k0sinθ；θ是電磁波傳播方向與水平面的夾角。