基于排序加權(quán)法的雷達寬帶視頻顯示控制方法

邢永昌，孟 凡

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達裝備功能和性能提出了越來越高的要求。寬帶視頻顯示(高分辨率一維顯示、二維顯示）是現(xiàn)代雷達中一個重要的研究方向，是解決多目標分辨、目標分類和目標跟蹤等難題的重要途徑。因此，寬帶雷達技術(shù)已經(jīng)日益廣泛地應(yīng)用在裝備中［1］。所謂寬帶視頻是指寬帶雷達的回波視頻數(shù)據(jù)。由于寬帶雷達的發(fā)射信號頻率帶寬比較寬，其距離分辨率比較高，可以獲取更多目標細節(jié)。其典型特征是，寬帶視頻的距離單元往往小于1 m。

傳統(tǒng)雷達視頻由于帶寬較窄難以提供更多的目標信息，寬帶視頻可以提供精細的雷達特征數(shù)據(jù)，同時其數(shù)據(jù)率是傳統(tǒng)雷達視頻的幾十到幾百倍。對寬帶視頻的顯示的精度也要達到窄帶視頻的幾十到幾百倍，否則無法體現(xiàn)寬帶視頻的優(yōu)勢。隨著數(shù)據(jù)量的增加對提高目標的人工輔助識別能力也提出較高要求［2］。目前，常用顯控臺大多采用嵌入式操作系統(tǒng)。該平臺雖然具有實時性好、可靠性高、安全性強的優(yōu)點，但是不具備高級繪圖工具，沒有可以直接實現(xiàn)寬帶視頻顯示控制的工具，對目標的人工輔助識別能力更是無法實現(xiàn)。針對以上情況，本文采用基本繪圖函數(shù)和排序加權(quán)法對寬帶視頻數(shù)據(jù)進行分段處理，不但實現(xiàn)了寬帶視頻顯示控制的一般功能(放大縮小顯示），而且達到突出顯示目標的效果，提高了人工輔助識別目標的能力。

1 基本原理

雷達寬帶視頻數(shù)據(jù)是距離單元的幅度值，每個雷達脈沖對應(yīng)一組視頻數(shù)據(jù)。寬帶視頻顯示類似于雷達視頻的A 顯［3］(雷達視頻在A 型顯示器上顯示的畫面，即雷達視頻的目標距離-幅度顯示方式），即顯示一個主脈沖的視頻數(shù)據(jù)，橫坐標表示視頻的距離，縱坐標表示能量的強度即幅度。通常雷達寬帶視頻的數(shù)據(jù)量較大，距離單元和顯示單元無法一一對應(yīng)，需要融合多個距離單元的數(shù)據(jù)通過一個顯示單元顯示。同時，由于寬帶數(shù)據(jù)量大，不利于人工識別目標。針對這兩個需求，本文引入排序加權(quán)法進行數(shù)據(jù)處理顯示。

首先，該方法主要對需要在同一個顯示單元顯示的寬帶視頻數(shù)據(jù)段內(nèi)的幅度進行排序，得到最大值和最小值的差;然后，以該差值作為權(quán)值系數(shù)，對顯示單元對應(yīng)的數(shù)據(jù)段內(nèi)的幅度進行加權(quán)處理，以得到期望幅度。該方法的權(quán)值隨幅度的增加呈勻加速變化，從而達到突顯目標幅度的目的。另外，為實現(xiàn)任何距離和幅度范圍內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)放大、縮小等顯示，本文采用基本繪圖函數(shù)連接期望幅度所對應(yīng)的顯示坐標，從而準確和形象地反映一定距離段內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)。

2 本文算法

默認情況下是全量程顯示，最主要的操作是區(qū)域放大顯示，其他功能均可以通過這兩種顯示方法組合。下面詳細介紹全量程顯示和區(qū)域放大顯示的具體實現(xiàn)算法。

2.1 全量程顯示

全量程顯示要把當前脈沖中所有寬帶視頻信息全面顯示出來，最理想的效果是在全量程顯示區(qū)內(nèi)使距離單元和顯示單元一一對應(yīng)顯示。這樣可以讓操作員對整個主觸發(fā)的寬帶回波有整體而詳細的了解。但是，由于寬帶回波中每幀數(shù)據(jù)距離單元的個數(shù)遠遠超過屏幕所提供的坐標范圍，所以要進行放大或縮小顯示，必須要把整體問題局部化，一方面突顯目標幅度，另一方面可以保證放大或縮小所需要的顯示精度，最后以局部的處理效果達到整體的顯示［4-5］。

2.1.1 對單個距離單元幅度的顯示算法

要實現(xiàn)一系列距離單元幅度的顯示，首先實現(xiàn)一個距離單元上幅度的顯示。這里考慮實現(xiàn)在顯示區(qū)中每個期望幅度所對應(yīng)的顯示坐標。通過公式(1）獲取視頻數(shù)據(jù)中每個幅度值在顯示區(qū)中對應(yīng)的顯示坐標。

其中，η為某一個幅度值對應(yīng)寬帶顯示單元的坐標值，即顯示幅度;i為距離單元序號;M為寬帶顯示區(qū)可以顯示的最大縱坐標值;x為當前距離單元的實際幅度值;Η為當前主脈沖的最大幅度值。另外，對整個主脈沖中的數(shù)據(jù)檢測獲取最大幅度值Η，通過上面公式計算獲取每個距離單元對應(yīng)的顯示幅度信息。

2.1.2 多個距離單元數(shù)據(jù)的處理算法

距離單元與顯示單元一一對應(yīng)的顯示是寬帶顯示中的最理想情況，通常一個顯示單元對應(yīng)多個連續(xù)的距離單元。如何準確地處理多個距離單元的幅度值與對應(yīng)顯示單元相匹配，從而實現(xiàn)寬帶視頻的放大與縮小顯示，是本文著重考慮的問題。在這里采用排序加權(quán)法計算一段距離單元對應(yīng)的顯示單元坐標值，主要采用公式(1）和以下兩個公式計算。

其中，i、j分別為屏幕坐標單元序號和每個屏幕坐標對應(yīng)距離段中的單元序號，yi為每個屏幕做標點的幅度顯示值，n為一個顯示單元對應(yīng)的距離單元個數(shù)。每個屏幕坐標i的幅度值yi表示n個原始幅度值，xij為屏幕坐標i 代表n個距離單元中從小到大排序后所對應(yīng)的第j個距離單元，△為n個點中幅度最大值與最小值差的絕對值。

2.1.3 全量程顯示的實現(xiàn)

通過排序加權(quán)法根據(jù)具體顯示區(qū)的寬度和高度計算得到每個顯示單元對應(yīng)的繪圖值，把相鄰顯示單元對應(yīng)的坐標通過直線相連，即可實現(xiàn)全量程顯示的實現(xiàn)。

2.2 區(qū)域放大顯示

區(qū)域放大顯示相當于AR 顯示中的R 顯，但是比R 顯的功能更強大，這里可以實現(xiàn)距離和幅度的同時放大顯示，并且操作靈活。

當一個顯示單元對應(yīng)多個(大于一個）距離單元時采用公式(1）、(2）、(3）實現(xiàn)，而當一個距離單元對應(yīng)一個顯示單元或一個距離單元對應(yīng)多個顯示單元時采用公式(1）實現(xiàn)。

3 實現(xiàn)步驟與操作方法

通過以下6 步描述其實現(xiàn)步驟及其顯示效果:

(1）根據(jù)以上公式，針對雷達寬帶視頻數(shù)據(jù)，由公式(1）、(2）、(3）得到排序加權(quán)法所凝聚出每個顯示單元的坐標值，由基本繪圖函數(shù)實現(xiàn)全量程顯示。設(shè)全量程距離為d，最大幅度為h，某主脈沖對應(yīng)的一幀數(shù)據(jù)，顯示效果如圖1所示。

圖1 全量程回波顯示圖

圖2 放大顯示操作圖

(3）根據(jù)步驟(2）所得到的各項參數(shù)，通過公式(1）、(2）、(3）或只通過公式(1），采用排序加權(quán)法計算出每個顯示單元對應(yīng)的坐標。

圖3 放大效果圖

(4）根據(jù)得到的顯示單元坐標值，采用基本繪圖函數(shù)，通過逐點連線，即可繪制出放大后的寬帶視頻，顯示效果如圖3所示。

(5）當放大倍數(shù)擴大到多個顯示單元對應(yīng)一個距離單元時其顯示效果如圖4所示。

圖4 連線繪制圖

(6）針對縮小操作，直接恢復到原始顯示狀態(tài)，如圖1所示。

操作方法為:采用即見即所得方法實現(xiàn)放大與縮小操作。按著鼠標左鍵拖動光標形成一個矩形虛線區(qū)域，松開光標即可以在整個寬帶顯示窗口中放大顯示矩形區(qū)域內(nèi)部選中數(shù)據(jù)段的寬帶視頻，如圖2和圖3所示?？梢栽趫D3的基礎(chǔ)上再進行放大顯示。在寬帶顯示區(qū)雙擊操縱球右鍵即可以恢復顯示該主觸發(fā)數(shù)據(jù)的全量程模式。通過光標點擊前“一個主觸發(fā)”或“下一個主觸發(fā)”按鈕切換顯示前一個或后一個主觸發(fā)數(shù)據(jù)。最多可以緩存50個主觸發(fā)數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果與分析

試驗環(huán)境:Intel?CoretmDuo 1.66Hz中央處理器，2 GB 內(nèi)存，VxWorks5.5 操作系統(tǒng)。雷達天線轉(zhuǎn)速為15 r/min，每個天線周期選擇寬帶波門內(nèi)50個主觸發(fā)數(shù)據(jù)處理。波門的距離長度為15000 m，寬帶為200 M。

試驗結(jié)果:基于排序加權(quán)法的雷達寬帶視頻顯示控制模塊是嵌入顯控分機軟件中實現(xiàn)的。顯示刷新率為10 Hz，在進行寬帶視頻顯示控制與整個顯控軟件正常運行的情況下，CPU 占用率≤30%，內(nèi)存使用率≤40%。

算法分析:在VxWorks5.5 操作系統(tǒng)平臺上顯示雷達寬帶視頻，傳統(tǒng)方法往往采用多個距離單元的均值作為中間值計算對應(yīng)顯示單元的位置;如果目標在某顯示單元中占的距離單元比例不占絕對優(yōu)勢，均值結(jié)果接近非目標幅度無法顯示出目標，不利于發(fā)現(xiàn)和識別目標。本文的排序加權(quán)算法通過突出顯示大幅度雷達視頻單元(即目標回波），可以突出顯示目標回波，提高人工輔助識別目標的能力，并且運算量可以滿足實時性的要求。

5 結(jié)束語

通過試驗驗證，本文的基于排序加權(quán)法的雷達寬帶視頻顯示控制方法通過靈活操作，可以直觀、形象地實現(xiàn)寬帶視頻的實時顯示，能夠在保證可靠性的前提下顯著提高人工輔助識別的能力。該方法不僅可以用于雷達寬帶視頻的顯示控制，而且也適用于窄帶視頻AR 顯或其他類示波器顯示領(lǐng)域。

［1］李海英，楊汝良.超寬帶雷達的發(fā)展、現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2001，16(3）.

［2］吳令宇.寬帶信號分析的DSP算法研究與實現(xiàn)［D］.西安電子科技大學碩士學位論文，2008.

［3］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.3.

［4］White F.A model for data fusion//SPIE Conference on Sensor Fusion.Orlando:FL，1988:187-191.

［5］王婷杰，施惠昌.一種基于模糊理論的一致性數(shù)據(jù)融合方法［J］.傳感器技術(shù)，1999，18(6）:50-53.

［6］Goodman I R，Mahler R P S，Nguyen H T.Mathematics of Data Fusion［M］.Dordecht:Kluwer Academic Publishers，1997.