一種地面電磁覆蓋范圍的可視化方法

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(洛陽電子裝備試驗中心， 河南洛陽 471003)

0 引言

在電子對抗中，存在多種形式的輻射源，比如雷達、電臺、干擾機等，這些輻射源會向外輻射電磁波，起到偵察、通信、干擾等目的。如何能獲取并快速顯示這些電磁波在地面的覆蓋范圍，對采取合理高效的電子戰(zhàn)術(shù)行動有重要意義。但是由于地理信息系統(tǒng)在地形加載顯示上的特點，通常的電磁覆蓋顯示方法效率不高、用戶體驗較差。本文針對此問題進行了研究，提出了一種地面電磁覆蓋范圍快速可視化方法。

1 研究現(xiàn)狀

電磁數(shù)據(jù)的獲取通常有兩種途徑：一是利用電磁設備實地測量獲得；二是利用天線方程和電波傳播模型等進行仿真計算。第一種方法數(shù)據(jù)較為準確，但是數(shù)據(jù)點比較分散，需要用插值算法對原始數(shù)據(jù)進行處理，會引入插值誤差。第二種方法可以按需生成數(shù)據(jù)，但是需要考慮地形、大氣、輻射源特性等因素影響，數(shù)學建模困難。當前基于第二種方法進行電磁環(huán)境建模的文獻較多，也進行了可視化和并行加速方面的研究。

文獻[1-2]提出了利用GPU進行加速的電磁環(huán)境計算方法，但是沒有考慮地形的影響。文獻[2]提出了一種電磁環(huán)境仿真方法，并基于并行計算進行可視化顯示，但是也沒有考慮地形影響。文獻[3]考慮了大氣折射和地形影響的電磁環(huán)境生成模型，但是沒有對電磁環(huán)境進行可視化顯示。文獻[4-5]研究了自由傳播條件下電磁場的空間可視化技術(shù)，但是沒有對電磁波在地面的分布情況進行顯示，并且沒有對算法進行并行加速。文獻[6]研究了復雜地形環(huán)境下的電磁覆蓋范圍并行算法，但是沒有對可視化顯示技術(shù)進行研究。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，界定約束條件，提出了一個電磁覆蓋范圍快速可視化流程，并對流程中的技術(shù)進行了討論，通過實驗對本文方法進行了驗證。

2 實現(xiàn)方法

2.1 方法假設條件

在復雜地形環(huán)境中，電磁信號到各個地形網(wǎng)格點的傳輸過程十分復雜[7-8]，比如電磁波在傳輸路徑上會發(fā)生反射、折射、散射、繞射和吸收等效應，繞射又可分為光滑球面繞射、刃峰繞射、不規(guī)則地面繞射等，但這些不是接下來研究的電磁覆蓋范圍可視化方法的重點。如何考慮更多因素從而獲取地面點的電磁場強值可以參考相關(guān)文獻。本文重點研究電磁數(shù)據(jù)的可視化問題，數(shù)據(jù)的來源和準確性的問題與本文研究內(nèi)容不密切，因此為了方便研究，本文基于第二種數(shù)據(jù)生成方法，利用簡化的計算模型生成電磁數(shù)據(jù)。

為便于研究快速可視化問題，本文基于以下幾條假設：

1) 輻射源為點輻射源，空間各向同性傳播；

2) 輻射電磁波為高頻信號，按照光線直線傳播；

3) 地面點場強值計算采用簡化的數(shù)學模型，不考慮電磁波反射、折射、散射、繞射和吸收等影響，僅與輻射源的通視和距離有關(guān)。

2.2 方法流程

基于上節(jié)的假設條件，采用開源的osgEarth可視化地球渲染引擎，本文提出了一種地面電磁覆蓋范圍可視化方法流程，如圖1所示。

1) 預估覆蓋區(qū)域

根據(jù)電磁波傳輸衰減原理，小于一定閾值的場強將不再具有參考意義，因此也沒必要進行可視化顯示。根據(jù)此閾值可以預估一個電磁覆蓋范圍，根據(jù)2.1節(jié)假設，此覆蓋范圍在水平面上的投影應當是圓形，但是為了便于幾何裁剪操作，這里使用正方形，使圓形內(nèi)切于正方形。采用左上角和右下角兩個大地直角坐標系坐標點來約束覆蓋區(qū)域在地形空間的位置和大小。

圖1 電磁覆蓋范圍可視化流程

2) 提取局部高程網(wǎng)格

地理信息高程網(wǎng)格通常采用瓦片技術(shù)進行層次存放，每個瓦片是均勻間隔的規(guī)則柵格數(shù)據(jù)。提取高程網(wǎng)格操作就是把覆蓋區(qū)域中包含的某一層次的所有瓦片匯集起來，形成新的柵格數(shù)據(jù)。為了減少頻繁的高程網(wǎng)格提取和提高覆蓋區(qū)域顯示的精確度，這里瓦片的層次為高程數(shù)據(jù)所能支持的最大層數(shù)。

這里僅以原始高程網(wǎng)格作為覆蓋范圍分析的依據(jù)，并未對網(wǎng)格作插值計算，因為插值又會引入新的誤差，沒有提高計算結(jié)果的精確程度。

在地理信息系統(tǒng)中，瓦片層次隨著視角和地面的距離而變化，如果要獲取最高層次的瓦片數(shù)據(jù)，就需要直接讀取高程數(shù)據(jù)文件或者訪問地理信息服務器來獲取。

3) 計算網(wǎng)格點場強值

輻射場強隨距離變化而變化，一般地，距離越遠場強值越小，反之越大。這里設計一個簡化計算公式，其計算結(jié)果作為可視化表示的依據(jù)：

e=1-dis/radius

(1)

式中，e為網(wǎng)格點輻射場強，dis為輻射源到網(wǎng)格點的距離，radius為輻射半徑。

一個網(wǎng)格點的場強值不依賴于其他網(wǎng)格點的場強值，因此可以進行并行計算。這里給出一個基于openMP的并行計算偽代碼：

#pragma omp parallel for num_threads(15)//利用openMP開啟15個線程并行計算輻射場強

for(int i=0;i

v=vert[i];//獲取當前頂點

bool b=calcIntersect(p,v);//計算輻射源和當前頂點是否通視

if(b){//如果通視

通過式(1)計算該點的輻射場強；

}else{

設置該點的輻射場強為0；

}

}

4) 網(wǎng)格著色

為了將輻射場強進行可視化表示，需要將場強值映射為可視化的顏色。因此定義一個顏色表，表中每一項都是(R，G，B，A)四元組(分別表示紅、綠、藍和透明度)，通過場強值生成顏色索引，依此索引從顏色表中提取相應顏色并賦給網(wǎng)格點的顏色數(shù)組。場強值生成顏色索引的公式如下：

id=floor(e×256)

(2)

式中，id為顏色索引，e為網(wǎng)格點輻射場強，256為顏色表中顏色數(shù)目，floor為下取整函數(shù)。

5) 生成紋理圖片

局部高程網(wǎng)格是由許多三角面片組成，在可視化環(huán)境中需要對每個三角面片反復進行更新、裁剪、繪制等操作，會消耗較大的CPU/GPU資源，降低幀速率和實時可視化效果。如果能將局部高程網(wǎng)格生成紋理圖片，再將圖片疊加到相應的地形區(qū)域，那么將有效解決這個問題。由于高程網(wǎng)格數(shù)據(jù)本質(zhì)上也是柵格圖片[9]，每個頂點都是(X，Y，Z)表示的位置信息，如果將這些位置信息替換為(R，G，B，A)的顏色信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)高程網(wǎng)格生成紋理圖片。

6) 紋理圖片疊加

在預估覆蓋區(qū)域時，已經(jīng)獲取到了區(qū)域左上角和右下角的坐標值，紋理圖片的左上角和右下角的坐標是與該區(qū)域相對應的，采用基于GPU的著色語言，利用紋理采樣算法可以將紋理圖片快速疊加到該地形區(qū)域上。

3 實驗設計與結(jié)果分析

基于第2節(jié)設計的方法流程，本文采用24核Intel Xeon E5-2620 2.4 GHz處理器，利用開源的地理信息引擎osgEarth構(gòu)建了50 km×50 km的大規(guī)模虛擬地形，并采用基于CPU的openMP并行計算技術(shù)進行加速，對點輻射源的電磁覆蓋范圍進行了可視化表現(xiàn)，效果圖如圖2所示。為了使計算結(jié)果更有代表性，構(gòu)建了圖2(a)所示的高低起伏明顯的地形區(qū)域，最高點的海拔為800 m，最低點的海拔為0 m，輻射源位于地形中心，海拔高為700 m，有效輻射半徑為20 km；根據(jù)輻射半徑，預估正方形覆蓋區(qū)域，如圖2(b)中的白色網(wǎng)格所示；提取預估覆蓋區(qū)域下方的地形局部高程網(wǎng)格區(qū)域，如圖2(c)中的白色網(wǎng)格所示；計算輻射源到局部高程網(wǎng)格所有網(wǎng)格點的輻射場強值，然后對場強值作顏色映射，并生成與預估覆蓋范圍同樣大小的紋理圖片，疊加顯示在地形上，如圖2(d)所示，也即輻射源在地形上電磁覆蓋范圍的可視化表示。

(a) 原始地形

(b) 預估覆蓋區(qū)域

(c) 提取局部高程網(wǎng)格

(d) 生成紋理圖片并疊加圖2 地面電磁覆蓋范圍可視化過程

利用不同數(shù)量的線程進行并加速，能取得不同的加速效果，具體如圖3所示。由圖3可以看出，剛開始，隨著線程數(shù)的增加，并行計算時間快速減少，當線程數(shù)為CPU數(shù)量的一半左右時，加速性能基本達到最高，再增加線程數(shù)對加速性能影響不大，甚至還會出現(xiàn)時間成本升高。最優(yōu)的加速比為5左右。這是由于系統(tǒng)進程會占用一部分CPU資源，并且隨著并行線程數(shù)量的增加，線程在CPU上同步、通信、切換等開銷也會變大，造成時間成本上升。

圖3 并行計算加速曲線

4 結(jié)束語

本文基于點輻射源，研究了其輻射電磁波在地面上覆蓋范圍的快速可視化方法，通過實驗分析，繪制時間基本在可接受的范圍內(nèi)，因此該方法是正確和有效的。由于本文假設條件的約束，并不能說明繪制電磁覆蓋范圍與實際相一致，精確覆蓋范圍的確定還需要對輻射源的輻射特性進行精確建模才能獲得。