机载气象雷达成像仿真

机载气象雷达成像仿真

作者：张亚坤

来源：《价值工程》2012年第22期

摘要： 为提高军事训练的效率，根据某型飞行模拟器的气象雷达成像特点，开发了基于OpenGL的机载气象雷达图像仿真系统。通过模拟机载气象雷达向空间脉冲发射回波，计算云层面积、云层厚度、云层中含水量等物理信息。基于真实的雷达探测过程的建模仿真分析雷达回波信息，根据回波强度的不同建立了基于RGB颜色空间模型的气象成像，基本实现了在复杂气象条件下对雨云回波的屏幕测绘，并解决了模拟余晖扫描显示的问题，有效地改善了军事训练的成像效果。

关键词： 仿真；分形；气象雷达成像；余晖

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0198-030 引言 随着科学技术越来越多地应用于军事领域，最新的高技术武器配发到部队使用后对部队产生了重大的影响，但是由于高新技术装备复杂性带来的训练成本也飞速增长，虚拟现实仿真技术的发展为解决这一矛盾提供了技术基础，直接利用飞行器进行演练以使飞行人员熟悉气象雷达模块功能，可能存在消耗成本过大、效率不高、安全系数低、易受自然条件干扰等实际问题，雷达被视为高技术战争下的“眼睛”，通过对气象雷达的成像和性能进行计算机仿真，提供实时逼真的训练视景，对飞行人员快速熟悉装备、熟练操作系统，提高真实环境下操作水平也具有重大的意义。雷达显示成像是飞行操作人员与雷达之间的最直接交互部分，在建立机载气象雷达成像显示模块时，雷达显示器的仿真成像效果直接影响到整个仿真系统的效果。 机载气象雷达是以多普勒效应为基础的，它不但能确定回波的位置和强度，而且可以测量出降水粒子相对于雷达发射波束的相对运动，通过回波确定探测目标云层的面积、厚度、空间位置、移动和发展变化，多普勒雷达发射回波探测云中的降水粒子，计算机通过分析回波能量大小并用规定的颜色将云层信息显示到屏幕上，实现对云层的测绘。本文采用分形布朗运动方法生成云层的轮廓，在计算机中模拟出云层的基本模型信息并通过OpenGL实现雷达屏幕成像，实现了不同气象条件下的机载雷达成像，基本可以实现飞行人员的训练要求。 1 仿真系统介绍

机载气象雷达仿真成像模块作为某型飞机飞行模拟器视景显示的一部分，可以近似地认为雷达坐标坐标系、飞行器坐标系和飞行人员三者之间在空间上是重合的，由于气象雷达显示是二维信息，选取一定的范围作为雷达扫描区域，通过计算机建立一些在2D屏幕坐标系下雷达探测目标的基本轮廓，根据大气参数拟合出单位区域内大气的含水量指标的模型，通过目标厚度的计算得到整个区域该时刻的RGB颜色空间模型，并相应地显示与雷达屏幕上，最后通过

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OpenGL将成像送至图像处理接口，实现了RGB颜色空间模型输出，最终将气象雷达的成像输出到雷达综合显示器上。

机载气象雷达属于雷达的一种，其基本功能是探测航向前方的云、雨、雷暴区和湍流等气象状况，然后将目标的相关参数（方位、距离等）显示在扇形扫描器屏幕上。本文只针对气象雷达对云层探测的屏幕成像仿真，首先对目标云层的进行判读，通过计算机模拟某一区域内的云层的面积、厚度、含水量等物理信息，包括低降雨区、一般降雨区、强降雨区、暴雨区和冰雹区等几种物理现象的云雨雷达影像，并根据测量某一区域内云层的厚度，通过厚度差分成相应得颜色等级，形成相应的气象雷达告警的雷达成像，系统仿真总体结构如下图1所示。 2 云团构造原理

自相似性似乎是大自然中集合构造的原理，很多情况下，“无生命”的世界也具有某种分形特征，单个云彩的边界线与它所处的整个云团看起来可能相似，然而，对于云彩不可能像生物体那样找出其层次化的结构，不存在明显的自相似性，不过从统计意义上说，当这些物体被放大时，看起来也是相同的。云彩作为自然现象，其二维轮廓线也具有分形的自相似特性，用分形的方法生成二维云层基本轮廓基础是合理的。 2.1 分形布朗运动 分形布朗运动具有如下统计特性：

分形布朗运动是定义在某概率空间的一个高斯过程X：[0，∞]→R使得分形布朗运动满足：

①X（t）是连续的，且X（0）=0

②对任意的t?叟0和h＞0，增量X（t+h）-X（t）服从均值为零，方差为h2?琢的正态分布，所以，P（X（t+h）-X（t）?燮x）=（2?仔）-1/2h-?琢■exp（-u2/2h2?琢）du（1） 其中0＜?琢＜1。

2.2 分形法构造二维云团 首先可以手工画出一个或几个具有多个顶点的多边形作为云团的基本轮廓线，应用随机中点位移方法将多边形的每条边进行划分，将每条边的中点沿着与该边垂直的方向进行相应移位，其位移量的大小可以按照通常的中点位移法由高斯随机数发生器乘以一个尺度伸缩因子决定，每进行一次细分，多边形的边数就会增加了一倍，重复这一过程，但是在每一步中多边形细化后新产生的边所使用的随机数尺度伸缩因子应该减小12■。参数?琢在0和0.5之间，它决定了边线的粗糙程度，也即所得分形曲线的分形维数。

考虑按以上方法在513×513数量级的网格点分辨率下产生相应的云团轮廓，在图像中每一个像素都赋予一个高度值，通过判断这个像素的高度值来用不同的颜色表示，当像素高度值大

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于某个值的时候，赋予这些像素点橙红色，表示云层厚度比较大，像素高度值小于某个数值的时候，这些像素对应绿色，表示云层厚度比较小，而中间部分赋予用黄色来表示。可以通过改变分形中控制分形维数的参数?琢来对云团的轮廓线进行调节。 3 机载气象雷达成像仿真的实现

3.1 雷达显示余辉效果的实现 余辉显示作为雷达显示器的一种重要显示方式，可以使操作人员可得到额外的信息，获得对目标判读的依据，因此有必要在飞行训练模拟器中的机载气象雷达模块中加入余晖显示来提高逼真程度。在雷达屏幕成像扫描的过程中一些亮点不能立即消失而要保留一段时间称为余辉，像素亮点辉度值下降到原始像素亮点辉度值的10%所经过的时间称为余辉时间。某型飞机的飞行训练模拟器雷达显示器的扫描范围为120°，以机体为圆心扫描范围为半径将显示器平均分割成若干个面积大小相等的扇形，扇形数目越多每个扇形所占圆心角越小，当扇形数目足够多的时候即可认为雷达显示器被若干个等腰三角形所组成。 荧光亮度一次指数衰减曲线方程可用I=I0e■来表示，其中，I为余辉亮度，k为时间衰减常数，t为衰减时间。设计一个循环，根据循环的次数按一次指数衰减曲线方程公式来设置每个等腰三角形的填充颜色。假设余辉宽度涂层亮度的时间为a弧度余，辉涂层亮度的时间为tb，旋转时间间隔为?驻t，旋转的角度增量为?驻?兹，那么根据一次衰减曲线方程，可以求出时间衰减常数k1、k2和雷达的扫描周期T分别为： k1=-■*n In（10%）（2） k2=-■*n In（10%）（3） T=■*△t（4）

其中，n的小取决于划分的精度，?琢的取值则与余辉的大小成正比，而改变tb的取值则可以获得不同的余晖时间，?驻t、?驻?兹的取值会影响扫描周期的大小。因此，应该针对具体情况对?驻t、?驻?兹适度取值即实现的雷达显示器的余辉效果。本文采用OpenGL中的混合因子alpha来进行余晖的绘制，纹理融合是透明技术、数字合成和计算机绘图技术的核心，它是把两种以上的颜色分量按一定比例混合在一起，而这种比例的来源于alpha值，我们的方案中正是应用了alpha值来代替亮度，可以先把源混合因子设置为GL_ONE，把目标混合因子设置为GL_ZERO，并将第一幅图像绘制，然后，把源混合因子设置为GL_SRC_ALPHA，把目标混合因子设置为GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA并用0.5的alpha值显示第二幅图像，可以用alpha来代替亮度即alpha=I0e■，通过获得雷达显示器余晖最亮时候图片的RGB值可以得出此雷达余晖亮度的数学模型。通过假设模型飞行模拟器雷达余晖最亮是屏幕RGB值分别为多少，并将其转换成另一种HIS颜色模型： I=（G+B+R） 3

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S=1-■

H=acrcos■G?叟B360-acrcos■G＜B（5）

然后利用这个计算出的alpha值去除以RGB单色最大值255就可以得到雷达扫描区域的透明度值，通过计算机合成就可以得到扫描后的目标余波效果。如图3所示。

3.2 机载气象雷达屏幕成像 真实的机载气象雷达探测气象目标是基于脉冲多普勒原理，先将不同的波段回波发送至云层探测云团中的降水粒子，雷达接收器接收降水粒子反射回来的回波信号，雷达探测大气中的云雨时，回波信息是由多个云雨粒子构成的，一般取一段时间平均回波，通过分析回波能量大小用相应颜色空间集合的形式显示到屏幕上，从而确定探测目标云层的面积、厚度、空间位置、移动和发展变化等信息。

通过对气象雷达探测云层过程的建模仿真，并根据探测回波的大小在计算机中将拟合出的云中厚度划分为三个强度区间，模拟探测到的云中降水粒子能量，建立基于RGB和HIS颜色空间模型，该型飞行器的气象雷达颜色分为三个级别，根据回波的强度分别用橙色、黄色和蓝色代表不同的云层的厚度。通过在VC++6.0下OpenGL编写程序，并经过模型转换、光照渲染、混合等生成具有真实感的飞行训练模拟器的雷达成像，如图4所示。 4 总结

本文提出了一种模拟机载气象雷达云层成像方法，使用该方法可以在虚拟现实环境下生成真实感较好的气象雷达屏幕成像，在一定程度上提高了飞行军事训练的效率。利用飞行训练模拟器计算机数据信息生成的云层图像，对真实环境进行可视化仿真研究，在探测航空气象以及预警方面具有十分重要的意义。通过调整参数可以实现生成各式各样的云层模型，基本满足了飞行训练模拟器对气象雷达成像仿真需求，为其提供了一个较为理想的试验场所。

模拟雷达气象图像一直是仿真领域里的难点，图像仿真的逼真度直接影响到整个仿真系统的训练效果，由于分形布朗运动在数学性质上增量平稳和各向同性，造成了统计特性的全局一致性结果，不能完全反映云层包含的复杂特征，需要寻求更加完善的处理办法来开展未来的工作，另外，本文只是针对气象雷达对云雨的探测仿真成像，对于机载气象雷达标探测其他环境因素以及满足更多作战需求的图像测绘还有待于进一步的研究。 参考文献：

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