一种基于SRTM的雷达可视域图绘制方法.pdf

第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 ()收稿日期:作者简介:赵阳()男硕士研究生助理工程师 研究方向为地面防空雷达系统技术一种基于 的雷达可视域图绘制方法赵 阳 李 伟 杨 申(西安电子工程研究所 西安)摘 要:针对目前雷达选址时可能遇到地物遮挡的问题需要分析雷达站周围一定范围内的可视域情况本文提出并实现了一种基于 的雷达可视域图绘制方法首先通过解析输入参数、获取 高程数据和坐标转换建立各个方位上的高程线方程然后计算出高程线上各个采样点处的最大遮蔽角再计算出目标高度下高程线上各个采样点处的可视性最后使用 软件绘制出了可视域图 本文还将 仿真结果与地图绘制软件 进行了对比验证了该方法的可行性和有效性关键词:可视域高程线遮蔽角中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:赵阳李伟杨申 一种基于 的雷达可视域图绘制方法 火控雷达技术():/():.:引言雷达在民用和军事方面的应用已经十分的成熟和广泛其精确的定位能力使人们可以轻松掌握相距千里之外的目标信息 但是由于雷达依靠电磁波的回波来进行定位而电磁波直线传播的特点导致其易受障碍物的遮挡所以如何减小地物遮挡对雷达带来的影响至关重要 在雷达选址时除了选择地形开阔的阵地之外还需要能够分析雷达周围一定范围内的可视域情况进而能够避开遮挡严重的区域可视域是地理信息系统中的一个重要概念是指从某一个固定位置处所能看到的区域范围常常需要指定可视半径和观测的方位角 可视域的计算还与目标高度有关是否可视指的是目标与观察点火 控 雷 达 技 术第 卷之间的连线上有无障碍物遮挡常用的方法是比较目标和观察点之间连线的俯仰角与目标位置处遮蔽角的大小本文实现了一种基于 的雷达可视域图绘制方法实现原理简单地形数据精度高算法通用性好可应用于其他雷达系统 本文还将该方法的 仿 真 结 果 与 一 款 专 业 的 地 图 绘 制 软 件 进行了对比验证了该方法的可行性和有效性 简介()指的是航天飞机雷达地形测绘任务是由美国航空航天局、地理空间情报局以及德国和意大利的航天机构于 年 月开展的一项探测任务 该任务历时 天通过发射奋进号航天飞机使用其机载影像雷达的 波段和 波段获取了北纬 至南纬 之间面积超过 亿平方公里的 雷达影像数据覆盖全球陆地表面的 以上 全部数据经过两年左右的处理获取平面精度 高程精度 的全球数字高程模型()可绘制成高精度的全球三维地形图 数据每经纬度方格提供一个文件数据值为高程值是纬度和经度方向上的二维采样结果 的精度有 和 两种称作 和 或者称作 和 数据 的文件里面包含 个采样点的高程数据所以每个采样间隔经纬度增加/的文件里面包含 个采样点 的 高 程 数 据 每 个 采 样 间 隔 经 纬 度 增 加/本文仿真中使用的是 格式数据例如文件名为 的 数据采样的起始纬度为北纬 之后每个采样点的纬度增加/终止纬度为北纬 采样的起始经度为 东 经 之 后 每 个 采 样 点 的 经 度 增 加/终止经度为东经 数据格式如图 所示图 数据格式示例 雷达可视域图绘制流程本文所述的基于 的雷达可视域图绘制流程如图 所示从图 中可以看出在设置好输入参数以后就可以从 文件中获取雷达位置所在区域的高程数据根据前述可知获取到的 数据范围是 第 期赵 阳等:一种基于 的雷达可视域图绘制方法的经纬度方块 然后从起始方位角开始以一定的步长(步长一般是)扫描整个扇区循环进行某一个方位上的可视性计算循环结束的条件是到达扇区的边界 在得到所有方位上的可视性后绘制可视域图图 基于 的雷达可视域图绘制流程各步骤的详细设计在下文中进行描述 设置输入参数输入参数包含雷达参数和通视参数雷达参数包含雷达所在位置的经度、纬度和高程以及雷达天线的高度 通视参数包含可视半径、起始方位角、扫描的扇区宽度、扫描的步长、选定点相对雷达的俯仰角、目标相对雷达的高度 获取雷达位置所在区域的 高程数据根据雷达所处位置的经纬度可以解析出雷达位置所在区域的文件名再根据文件名从地图数据文件夹中读取相应的 数据将获取到的数据的经度和纬度分别保存在一维向量中高程值保存在二维矩阵中以我国的地形数据为例(北纬、东经)经度、纬度 和文件名 的关系为 ()()()其中 代表北纬 代表东经()函数是向下取整函数 是文件后缀名例如位于东经 、北纬 位置 的 雷 达 其 数 据 所 对 应 的 文 件 名为 高程数据在 文件中的存储格式是 的 每两个字节以空格分隔分别为高 位数据和低 位数据 因此需要提取第一个字节乘以 再与第二个字节相加得到原始高程数据以上原始高程数据中还存在一些特殊数据例如、等属于异常值对于这些数据需要进行异常值修正修正后的矩阵才能用于后续计算 本文采用临近点的高程值来修正异常值具体做法如下:)找出二维矩阵中的异常点坐标)对于非第一列数据的异常值取其左侧相邻点赋值)对于第一列数据的异常值若非第一行则取其上一行相邻点赋值)对于第一列第一行数据的异常值取其相邻三个数据的平均值进行赋值 某一个方位上的可视性计算通常研究可视域方位角并非只有一个角度而是一段扇形区域 针对固定的可视半径可以将扇形区域的问题简化为某一个方位上的问题只不过整个流程需要做多次循环计算 如图 所示为某一个方位上的可视性计算流程 设循环计数值为 则该方位角 的大小为式()所示图 某一个方位角上的可视性计算流程火 控 雷 达 技 术第 卷 ()其中各符号的含义参见 节 根据选定点的 坐标计算 坐标将每个方位上的选定点设为可视半径处的最远点其 坐标指的是选定点相对雷达的距离、方位角和俯仰角坐标根据 节和式()可知 坐标为()坐标指的是选定点的经度、纬度和高程坐标其坐标转换过程如下:)由选定点的 坐标()计算选定点的雷达站心直角坐标()()()()()()()由雷达的经纬度坐标()和选定点的雷达站心直角坐标()计算选定点的地心直角坐标()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()其中:()为地球椭球体卯酉圈曲率 半 径 为 地 球 长 半 径 为椭球第一偏心率 为包含天线高度的雷达站心高度)采用迭代法由选定点的地心直角坐标()计算选定点在 坐标系下的经纬度坐标 ()()()()()其中 ()拼接 数据由 节中的计算步骤可以得到选定点的 坐标根据 和 的值判断选定点是否超出当前 数据的范围若超出则重复 节中的计算过程获取雷达所在位置到选定点之间所有区域的 高程数据并与原 数据进行矩阵拼接否则不进行数据拼接 构建高程线方程高程线指的是从雷达所在位置到选定点之间的连线连线上各采样点处的高程值必须能够获取本文采用等间隔采样法每隔相同的距离采样一个点可以得到采样点数目 为()其中表示采样间隔本文使用的间隔为 采样点数目与方位无关这样可以保证各个方位上的采样点数目一致接下来的关键问题是如何获取高程线上各采样点处的高程值根据第 节可知数据也是由离散的采样点构成单个文件所在区域的采样点数目是 (格式)又根据 节 即使当前 数据的范围已经囊括整条高程线的数据范围但是由于两者采样间隔的不同并不能保证经纬度重合 即高程线上采样点的经纬度不一定在 区域中有对应的离散值所以需要求高程线上采样点高程的近似值本文采用最近距离法获取高程线上各采样点高程的近似值:假设要获取高程线上采样点 的高程值则在 高程数据矩阵中选取与点 经纬度距离最近的点的高程值作为点的高程值根据此方法可以近似获得高程线上所有采样点的高程值注意此时获得的高程值并没有考虑地球曲率对距离带来的影响所以还需要借助地球曲率修正算法对所有高程值进行曲率修正 ()()其中:为曲率修正后的高程值为修正前的原始高程值为地球的等效半径为采样点 到雷达的水平距离 计算高程线上各个采样点的最大遮蔽角遮蔽角的含义是雷达天线顶端与障碍物顶端的连线和地平线之间的夹角如图 所示两条虚线之间的夹角就是一个遮蔽角当目标与天线顶端的连线和地平线之间的夹角(也叫目标的俯仰角)小于该遮蔽角时目标就会被遮挡所以有遮蔽的含义第 期赵 阳等:一种基于 的雷达可视域图绘制方法图 采样点 处的遮蔽角示意图根据图 所示可以得出高程线上第 个采样点的遮蔽角 的计算公式为 ()()其中:表示该采样点处曲率修正后的高程值表示雷达的高程表示雷达天线的高度表示该采样点到雷达的水平距离而某个采样点位置的最大遮蔽角指的是该采样点以及其前面所有采样点的遮蔽角的最大值如图 所示是采样点处的遮蔽角是采样点处的遮蔽角虽然 但是有 可以看到在这种情况下障碍物 已经被障碍物 遮挡所以 点处的最大遮蔽角是更大的 图 最大遮蔽角示意图根据以上描述可以获得最大遮蔽角的计算方法:使用一个全局变量保存最大遮蔽角记为 然后循环遍历每个采样点并计算其遮蔽角 将每次计算出的 与 作比较并更新 为较大值则该采样点的最大遮蔽角 就是此时的 按照此方法图 中 点的最大遮蔽角为 点的最大遮蔽角也是 可以看到随着采样点的增多最大遮蔽角在不断更新为更大的遮蔽角这样就可以保证每个采样点处的最大遮蔽角都是其前面所有采样点遮蔽角的最大值最终的计算结果为一个向量保存着每个采样点处的最大遮蔽角 计算目标高度下各个采样点处的可视性有了每个采样点的最大遮蔽角就可以计算出目标高度下每个采样点处的可视性根据 节中遮蔽角的含义可得目标高度下在某一采样点处当雷达与目标之间连线的俯仰角大于该采样点的最大遮蔽角时该采样点处为可视反之不可视第个采样点处的可视性 表示为可视 不可视()其中:为目标在相对雷达高度下该采样点处的俯仰角为该采样点处的最大遮蔽角根据几何关系有式()为()()()其中:表示雷达的高程表示雷达天线的高度表示该采样点到雷达的水平距离示意图如图 所示图 目标相对雷达 高度下采样点 处的可视性 绘制可视域图在扇区内各个方位上重复 节的计算过程就能得到 高度下各方位上高程线各个采样点处的可视性据此就可以绘制出可视域图本文使用 的()函数绘制可视域图()函数的作用是绘制极坐标图传入的第一个参数是角度向量第二个参数是待绘制参数的向量绘制方法如下:)设角度向量为 其取值从 到 向量长度为 参考式()遍历各个采样点采样点范围从 到其中 可由式()得到对于每个采样点 设其可视 距 离 向 量 为火 控 雷 达 技 术第 卷 向 量 长 度 与 相 同 求 的步骤如下:遍历 中的各个方位角 取方位角 上高程线上采样点 处的可视性 取方位角 上高程线上采样点 距雷达的水平距离 可视距离向量的第 个元素 将 添加到 中 遍历完 后就会得到采样点 处的可视距离向量 使用 ()函数绘制采样点 处的单个圆)遍历完所有采样点后此时就绘制了 个圆可视域图绘制结束图 为可视域图绘制原理示意图雷达位于点可视半径设为 在 个方位上全部都每隔 采样 个点形成射线 到 步骤)中的 的取值为射线 到 的 个方位角的大小步骤)对 个采样点进行遍历每个采样点都有自己的 其长度都为(图中离散的弧线)假设图中所有的点都可视 则采样点 的 值为采样点 的 值为其他采样点类似对于每个采样点都绘制出离散的圆弧步骤)可以绘制出整个图 图 可视域图绘制原理示意图 仿真结果与分析本文使用 绘制出可视域图之后还与一款专业的地图绘制软件 做了比较 软件简介 软件是 软件公司开发的一款地图绘制软件支持多种数据源的输入和读取(包含)可以处理栅格和矢量数据 软件预置了非常多的常用坐标系和转换参数提供了各种坐标转换方法支持数百种地图投影 此外还拥有强大的地图编辑、转换、打印等功能本文所述的方法需要参考 软件中的视图分析工具其界面如图 所示图 中的视图分析工具第 期赵 阳等:一种基于 的雷达可视域图绘制方法 图中:“发射点高度(地面之上)”指的是雷达天线的高度“接收点高度(地面之上)”指的是目标相对雷达的高度“视角”参数中的“起始角度”指的是起始方位角“扫描的角度”指的是扫描的扇区宽度扫描的步长默认为选定点相对雷达的俯仰角 默认为“可视半径”含义相同指的是而雷达所在位置的经纬高参数、和在鼠标点击地图时可以由软件自动获取 仿真结果对比分析本文通过两个典型的示例分别在雷达仰视和下视 的 情 况 下 对 比 了 的 仿 真 结 果 和 软件的视图分析结果)雷达仰视的情况参数如下:仿真结果如图 所示图 中的右侧部分为 软件绘制出的可视域图灰色阴影区域表示可视范围其半径表示可视距离 可以看到左右两个结果的可视域轮廓基本一致在方位 左右可视距离能够达到 视 线 良 好 其 余 方 位 的 可 视 距 离 不够 图 雷达仰视情况的仿真结果 )雷达下视的情况参数如下:仿真结果如图 所示火 控 雷 达 技 术第 卷图 雷达下视情况的仿真结果 可以看到此参数下可视域不连续 这是因为假设目标能够低空贴地飞行其障碍物遮挡情况将变得复杂综上本文所述的可视域图绘制方法能够很好地贴合于专业绘图软件 的绘制结果证明了该算法的可实现性和有效性 结束语在雷达选址时可能遇到地物遮挡因此需要绘制雷达站周围一定范围内的可视域图针对于此本文首先通过解析输入参数、获取 高程数据和坐标转换建立各个方位上的高程线方程然后计算出高程线上各个采样点处的最大遮蔽角再计算出目标高度下高程线上各个采样点处的可视性最后使用 软件绘制出了可视域图 本文还将 仿真结果与地图绘制软件 进行了对比验证了该方法的可行性和有效性参考文献:张迪哲.基于分段插值的雷达遮蔽角绘图的研究和实现.西安:西安电子科技大学.张海荣程擎.基于可视性算法的布站选址优化及仿真实现.工业控制计算机():.韩海辉.基于 的青藏高原地貌特征分析.兰州:兰州大学.左美蓉邹峥嵘张教权.湖南地区 高程数据初步探讨.广东水利电力职业技术学院学报():.张斌张泽建郭黎王豪.基于 的地形可视域分析关键技术.计算机科学():.陈静包龙海李琳.基于 的 数据格式转换.测绘技术装备():.