基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法

馬 飛，鹿 川，張慶偉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊市第十一中學(xué)，河北 石家莊 050000)

基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法

馬 飛1，鹿 川1，張慶偉2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊市第十一中學(xué)，河北 石家莊 050000)

針對電磁對抗領(lǐng)域中電磁態(tài)勢顯示的需求及傳統(tǒng)電磁傳播模型計(jì)算速度慢的現(xiàn)狀，提出了一種基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)計(jì)算及顯示方法。將基于電磁波傳播模型的輻射源空間電磁場強(qiáng)計(jì)算簡化為基于粒子系統(tǒng)的圖形計(jì)算及顯示方法，針對輻射源工作參數(shù)及天線方向圖數(shù)據(jù)生成OSG粒子模型，利用OSG引擎的高速計(jì)算及渲染能力，直接將計(jì)算結(jié)果渲染至二維/三維態(tài)勢圖中，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜電磁環(huán)境下電磁態(tài)勢的實(shí)時(shí)顯示。

OSG粒子系統(tǒng)；電磁態(tài)勢；電磁場強(qiáng)分布；電磁傳播

0 引言

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜電磁環(huán)境下電磁場強(qiáng)分布計(jì)算及直觀顯示已經(jīng)成為電子對抗系統(tǒng)的必備能力。

目前已有系統(tǒng)多采用復(fù)雜的電磁波傳播模型對輻射源進(jìn)行建模[1]，經(jīng)過大量復(fù)雜的電磁波傳播計(jì)算后再對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理顯示為電磁態(tài)勢[2]。在這種計(jì)算流程下計(jì)算結(jié)果需要首先在內(nèi)存中生成，經(jīng)過CPU計(jì)算再發(fā)送至渲染系統(tǒng)進(jìn)行顯示渲染，數(shù)據(jù)需要頻繁由渲染系統(tǒng)之外發(fā)送至渲染系統(tǒng)內(nèi)部[3]，從而導(dǎo)致效率低下。

基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法，針對傳統(tǒng)計(jì)算方法提出了一種新的計(jì)算的流程：首先，將傳統(tǒng)計(jì)算方法中計(jì)算結(jié)果輸出及可視化2項(xiàng)工作合并為粒子運(yùn)動一項(xiàng)，直接在運(yùn)動計(jì)算時(shí)更新顯示引擎的圖形，精簡了數(shù)據(jù)交互的流程；其次，直接交由圖形引擎進(jìn)行渲染，利用GPU高速并行計(jì)算能力提高了計(jì)算結(jié)果顯示的實(shí)時(shí)性。

1 “OSG”及粒子系統(tǒng)

OSG(OpenSceneGraph)是一個(gè)開源的三維圖形開發(fā)引擎，基于OpenGL(ES)技術(shù)，采用C++接口編寫，具有高性能、可擴(kuò)展性和接口化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類視景仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和游戲等領(lǐng)域[4]。

粒子系統(tǒng)是構(gòu)造具有模糊形狀物體(如火焰、云等)的計(jì)算模型的方法，OSG粒子系統(tǒng)是在OSG引擎的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一套高通用性、高效率的粒子計(jì)算及渲染系統(tǒng)[5]。

2 計(jì)算理論

基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法所計(jì)算的粒子是在渲染系統(tǒng)中提出的概念模型，將電磁波傳播的宏觀效果抽象為粒子運(yùn)動，其運(yùn)動速度是基于視覺效果確定的速度，但粒子的功率仍滿足傳統(tǒng)計(jì)算的流程：發(fā)射機(jī)功率加上天線增益減去電磁傳播衰減再加上接收天線增益，粒子系統(tǒng)所進(jìn)行的計(jì)算相當(dāng)于在當(dāng)前粒子運(yùn)動的位置上計(jì)算接收功率。每次計(jì)算結(jié)果的粒子位置及功率都由粒子直接更新至渲染圖形，不再保存輸出。粒子的功率計(jì)算公式如下：

Pc=P0+I0-L。

(1)

式中，Pc為計(jì)算功率(dBm)；P0為粒子初始功率(dBm)；I0為發(fā)射天線增益(dBi)，需要時(shí)可將接收天線增益合并計(jì)算；L為電磁傳播衰減，選用的電磁傳播模型種類不限但約定只考慮縱向路徑。

粒子運(yùn)動的速度根據(jù)分析參考范圍、刷新率進(jìn)行修正，速度的基礎(chǔ)原則為使單個(gè)粒子在1s時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)動到基本的參考范圍邊緣。由于地球曲面造成的通視因素影響，在不考慮大氣波導(dǎo)、天波等效應(yīng)的前提下，電磁場強(qiáng)的參考范圍基本可視為輻射源的通視范圍，通視范圍的計(jì)算公式如下[6]：

(2)

式中，H1為起點(diǎn)高度(m)；H2為終點(diǎn)高度(m)；R為通視距離(km)。取不同的起點(diǎn)終點(diǎn)高度計(jì)算的通視距離如表1所示。

表1 通視距離表

根據(jù)表1中計(jì)算結(jié)果取結(jié)果的中間值作為計(jì)算參考范圍，針對地面輻射源的參考范圍取30 km(速度0.5 km/幀)，針對空中輻射源的參考范圍取600 km(速度10 km/幀)。

在顯示渲染的過程中預(yù)先在渲染系統(tǒng)中創(chuàng)建渲染圖形，粒子根據(jù)運(yùn)動距離計(jì)算傳播衰減，衰減計(jì)算時(shí)默認(rèn)采用雙線傳播模型計(jì)算[7]，也可根據(jù)應(yīng)用需求采用其他電磁傳播模型(如文獻(xiàn)[8-9]中論述的ITU-R P.1546等)。雙線傳播模型的計(jì)算公式如下：

L=120+40logd-20logH1-20logH2。

(3)

式中，d為運(yùn)動距離(km)；H1為發(fā)射天線中心點(diǎn)高度(m)；H2為接收天線粒子當(dāng)前位置高度(m)。

粒子初始功率減去衰減值更新為粒子當(dāng)前功率，當(dāng)粒子當(dāng)前功率低于計(jì)算閾值(如-120dBm)后則不再計(jì)算位置及功率參數(shù)，根據(jù)粒子的當(dāng)前功率轉(zhuǎn)換為粒子顏色，顏色轉(zhuǎn)換方式如下，建立由0～-150dBm的彩虹色帶，0dBm采用紅色，-150dBm采用藍(lán)色，將粒子功率(-150～0dBm)作為數(shù)組索引獲取對應(yīng)的顏色。

圖1 彩虹色帶示意

關(guān)于二三維應(yīng)用場景中粒子功率與顏色的對應(yīng)關(guān)系將在下節(jié)中具體討論。

3 粒子運(yùn)動及渲染

基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法，在進(jìn)行計(jì)算前需要提前準(zhǔn)備以下的參數(shù)數(shù)據(jù)：根據(jù)待計(jì)算的輻射源信息獲取輻射源相關(guān)頻率、功率和天線等參數(shù)；根據(jù)應(yīng)用場景選擇二維、三維天線方向圖并確定計(jì)算角度[10]；根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度的要求，確定計(jì)算使用的電磁傳播模型。

針對電磁態(tài)勢應(yīng)用場景可以分為二維應(yīng)用場景和三維應(yīng)用場景兩類。二維應(yīng)用場景只考慮地表電磁場強(qiáng)分布，粒子在水平面上運(yùn)動，針對運(yùn)動路線上的地形起伏進(jìn)行運(yùn)算；三維應(yīng)用場景則需要考慮粒子在空間球坐標(biāo)下的運(yùn)動。

3.1 二維應(yīng)用場景

二維應(yīng)用場景下只在水平面范圍內(nèi)創(chuàng)建粒子。

3.1.1 建立坐標(biāo)系

以海拔0m為基礎(chǔ)，在當(dāng)前位置點(diǎn)的地球表面的切面上，以當(dāng)前位置點(diǎn)為0點(diǎn)，正東方向?yàn)檎軸，正北方向?yàn)檎軸。

3.1.2 生成渲染圖形

為防止在顯示過程中因縮放造成粒子間空隙，最終效果采用一個(gè)閉合的多邊型圖形進(jìn)行展示(多層)，多邊形頂點(diǎn)采用與粒子運(yùn)動方向一致的多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，多邊形圖形頂點(diǎn)位置由粒子位置確定[11]，根據(jù)粒子運(yùn)行的距離決定更新至第幾層，多邊形頂點(diǎn)顏色由粒子功率確定。例如在1°計(jì)算角度及60幀刷新的顯示系統(tǒng)中(假設(shè)每幀渲染一圈)，渲染圖形頂點(diǎn)數(shù)組為60行360列的矩陣，每行代表不同計(jì)算時(shí)間(距離)的一圈360個(gè)角度上的位置。

3.1.3 生成粒子

根據(jù)計(jì)算前確定的計(jì)算角度，在XY平面上360°范圍內(nèi)計(jì)算粒子數(shù)量[12]。例如1°計(jì)算角度下一次生成360個(gè)粒子，每個(gè)粒子關(guān)聯(lián)渲染多邊形中的一列頂點(diǎn)。使用輻射源參數(shù)(包括經(jīng)度、緯度、高度、天線指向、功率和頻率等)、粒子初始運(yùn)動角度、二維天線方向圖、圖形頂點(diǎn)索引和圖形顏色索引等參數(shù)初始化粒子[13]，計(jì)算粒子初始功率。計(jì)算粒子功率之前需要根據(jù)粒子運(yùn)動方向獲取天線方向圖增益，天線方向圖獲取增益步驟如下：

① 根據(jù)輻射源天線指向及粒子運(yùn)動方向計(jì)算粒子運(yùn)動方向在方向圖坐標(biāo)系的方位;

② 根據(jù)方向圖方位，取天線方向圖中對應(yīng)的方位增益值，如果沒有完全相同的方位則取距離當(dāng)前方位最近的一個(gè)點(diǎn)的增益。

圖2 天線方向圖增益獲取示意

粒子初始功率計(jì)算公式如下：

P=30+10logPw+I。

(4)

式中，P為計(jì)算功率(dBm)；Pw為輻射源功率(W)；I為天線增益(dBi)。

3.1.4 粒子運(yùn)動

粒子由渲染系統(tǒng)生成后，將沿預(yù)設(shè)的方向采用預(yù)設(shè)速度進(jìn)行直線運(yùn)動，根據(jù)粒子運(yùn)動距離(若傳播模型需求還需考慮地形)采用式(3)計(jì)算傳播衰減，采用式(1)計(jì)算更新粒子當(dāng)前功率并更新至渲染圖形進(jìn)行效果渲染。

二維應(yīng)用場景下電磁場強(qiáng)的顯示效果為由空中向地面俯視的角度形成的覆蓋輻射源周邊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)粒子需要在運(yùn)動的不同時(shí)間更新渲染圖形的不同列頂點(diǎn)位置，粒子功率低于-120dBm后不再向前運(yùn)動。單個(gè)粒子更新頂點(diǎn)的邏輯示意如圖3所示。

圖3 二維粒子位置更新示意

在實(shí)時(shí)性要求較低的系統(tǒng)中可直接采用復(fù)雜的電磁傳播模型[14](如電磁波繞射、反射傳播模型)計(jì)算粒子功率。

3.1.5 效果渲染

渲染引擎在實(shí)時(shí)刷新的過程中根據(jù)粒子更新的圖形頂點(diǎn)及顏色渲染圖形，由于輻射源中心位置多采用地理坐標(biāo)的方式輸入，在渲染之前需要將位置數(shù)組中粒子位置的經(jīng)緯高轉(zhuǎn)換為渲染場景中的坐標(biāo)值，根據(jù)所使用的渲染引擎及態(tài)勢場景坐標(biāo)定義不同轉(zhuǎn)換的方式也不相同，這里不再統(tǒng)一說明。

二維場景中，渲染圖形頂點(diǎn)中每行都相當(dāng)于在不同方向上粒子的位置及顏色，每列則代表了不同計(jì)算距離(次數(shù))的結(jié)果值。在第一行頂點(diǎn)中，相鄰兩點(diǎn)與粒子產(chǎn)生的原點(diǎn)按三角形進(jìn)行渲染。從第二組數(shù)據(jù)開始，由上一組數(shù)據(jù)的相鄰兩點(diǎn)及本組數(shù)據(jù)的相鄰兩點(diǎn)組成四邊形進(jìn)行渲染。

二維應(yīng)用中建議的粒子功率與顏色配置如表2所示，使用粒子在當(dāng)前位置的功率對應(yīng)粒子顏色，其中RGB值分別采用0～255表示，0代表無顏色，255代表顏色最深。

表2 顏色參數(shù)表

二維渲染方式示意如圖4所示。

3.2 三維應(yīng)用場景

三維應(yīng)用場景下除了在水平面范圍內(nèi)還需要在垂直地面范圍內(nèi)創(chuàng)建粒子。

3.2.1 建立坐標(biāo)系

以輻射源當(dāng)前位置(經(jīng)緯高)為0點(diǎn)建立北天東球坐標(biāo)系[15]，方位及俯仰的定義如圖5所示。

圖5 三維球坐標(biāo)示意

3.2.2 生成渲染圖形

三維場景中渲染圖形在不同時(shí)間形成不同的閉合圖形，但閉合圖形間會由于互相遮擋造成內(nèi)部圖形不可見，因此只需要渲染最外層圖形即可。創(chuàng)建圖形時(shí)只創(chuàng)建最外層圖形，粒子只需要不斷更新最外層圖形的頂點(diǎn)及顏色即可。三維多層圖形示意如圖6所示。

圖6 三維多層圖形示意

3.2.3 生成粒子

根據(jù)計(jì)算前確定的計(jì)算角度，確定水平面計(jì)算方向數(shù)量，并在每個(gè)方向上在垂直于水平面的垂直面上根據(jù)計(jì)算角度生成粒子[16]。采用與二維場景中類似的方法初始化粒子并計(jì)算粒子的初始功率。

3.2.4 粒子運(yùn)動

采用與二維場景中類似的方法進(jìn)行粒子運(yùn)動計(jì)算，并更新圖形頂點(diǎn)位置及顏色。三維場景中由于只渲染最外層頂點(diǎn)，每個(gè)粒子與渲染圖形的位置及顏色頂點(diǎn)為一對一的關(guān)系，每個(gè)粒子在運(yùn)動過程中更新自己對應(yīng)的頂點(diǎn)即可。

3.2.5 效果渲染

三維場景中效果渲染頂點(diǎn)的定義方式與二維場景類似，但圖形頂點(diǎn)順序與二維場景不同。每行代表了俯仰值相同的不同方向的粒子，每列則表示不同的俯仰值。維粒子分布示意如圖7所示。

圖7 三維粒子分布示意

第1行相鄰兩點(diǎn)與計(jì)算原點(diǎn)按三角形進(jìn)行渲染，從第2行數(shù)據(jù)開始到倒數(shù)第2行數(shù)據(jù)，相鄰兩點(diǎn)與下一行數(shù)據(jù)按四邊形型進(jìn)行渲染，最后一行自身按多邊形進(jìn)行渲染形成封口。

與二維場景不同三維圖形由于不渲染內(nèi)層的圖形，為了防止高功率的顏色被副瓣等凹凸不平的部分擋住，在顏色設(shè)置上使用粒子的初始功率而不是當(dāng)前功率計(jì)算顏色，顏色參數(shù)與二維相同。最終效果為距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)粒子越接近紅色，距中心點(diǎn)越近粒子越接近紫色。三維渲染方式示意如圖8所示。

圖8 三維渲染方式示意

4 效果對比

在計(jì)算相同網(wǎng)格的前提下，傳統(tǒng)計(jì)算方法需要首先在內(nèi)存中計(jì)算結(jié)果，再將計(jì)算結(jié)果傳輸至渲染系統(tǒng)中形成圖形數(shù)據(jù)并進(jìn)行渲染。

基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法將計(jì)算結(jié)果直接更新到渲染系統(tǒng)的圖形數(shù)據(jù)中，從而降低了處理時(shí)間，提高了處理速度。此外，OSG粒子系統(tǒng)也對粒子運(yùn)動的計(jì)算有內(nèi)部優(yōu)化處理，進(jìn)一步提高了處理速度。

下面列出了在二維場景中使用傳統(tǒng)計(jì)算方法及使用本方法的計(jì)算渲染時(shí)間。取1°計(jì)算角度按地面輻射源30 km范圍60幀刷新每幀計(jì)算為前提進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算渲染時(shí)間對比如表3所示。

通過數(shù)據(jù)對比可以看到基于粒子系統(tǒng)的計(jì)算方法比傳統(tǒng)方法單次計(jì)算速度提高了16倍，在多次計(jì)算時(shí)由于OSG引擎內(nèi)部的優(yōu)化還有進(jìn)一步的提升空間。

傳統(tǒng)計(jì)算方法由于計(jì)算速度無法滿足實(shí)時(shí)渲染的要求在工程應(yīng)用中缺少三維計(jì)算及顯示的實(shí)例。在三維應(yīng)用場景中，同樣采用1°計(jì)算角度，粒子數(shù)量為360*180個(gè)為二維應(yīng)用場景的180倍，但由于三維場景只需要渲染最外一層圖形，實(shí)際向渲染圖形更新的次數(shù)并不高，在60幀刷新的前提下二維場景需要更新360*60個(gè)頂點(diǎn)，三維場景更新360*180個(gè)頂點(diǎn)，圖形更新量僅為二維應(yīng)用的3倍。三維計(jì)算渲染時(shí)間如表3所示。

表3 計(jì)算渲染時(shí)間對比

通過表3和表4中數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，三維應(yīng)用場景計(jì)算速度可以滿足實(shí)時(shí)渲染的要求，可以應(yīng)用在實(shí)時(shí)渲染的工程中。

5 結(jié)束語

基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法針對工程應(yīng)用中電磁場空間分布的實(shí)際需求，利用粒子系統(tǒng)在二維場景中形成平面分布網(wǎng)格，在三維場景中形成空間立體包絡(luò)，直觀地展示了輻射源的電磁態(tài)勢效果。在不損失計(jì)算精度的前提下通過優(yōu)化業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程提高了處理速度，為復(fù)雜電磁環(huán)境下的大范圍電磁態(tài)勢計(jì)算及顯示提供了一種簡便快捷的實(shí)現(xiàn)方法。

在未來的發(fā)展過程中，可以考慮針對渲染系統(tǒng)顯示時(shí)的具體視角及可視范圍動態(tài)調(diào)整粒子的數(shù)量及粒子運(yùn)動計(jì)算次數(shù)，距離視點(diǎn)位置遠(yuǎn)的輻射源在計(jì)算時(shí)可降低粒子數(shù)量及計(jì)算次數(shù)從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算方法的進(jìn)一步優(yōu)化。

[1] 邴丕浩,鐘立俊,嚴(yán)少虎,等.基于OpenMP的并行空間電磁分布計(jì)算[J].電子信息對抗技術(shù),2015(2):76-77.[2] 張因奎.無線電傳播預(yù)測模型的可視化仿真研究[D].成都：西華大學(xué),2015：28-29.

[3] 程勇新.3D引擎中大規(guī)模海面實(shí)時(shí)渲染及場景管理研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2009：7-10.

[4] 郭 佳.基于OSG的飛行仿真系統(tǒng)視景平臺的研究與開發(fā)[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院,2009：15-24.

[5] 王 彪,胡小梅,俞 濤.基于粒子系統(tǒng)的建模與仿真綜述[J].裝備制造技術(shù),2012(8):118-120.

[6] 魯華杰,田云鵬.雷達(dá)仿真模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù),2012(13):32-33.

[7] 李文翔,熊慶國,左 韜.無線信道衰落對移動自組網(wǎng)影響的研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008(6):32-33.

[8] 費(fèi) 偉.基于ITU-R P.1546模型的監(jiān)測站覆蓋影響因素分析[J].數(shù)字通信世界,2016(6):50-52.

[9] 蘆偉東.基于ITU-RP.1546建議書的電波傳播仿真研究[J].中國無線電,2014(9):60-61.

[10] 王 康,劉 莉,杜小菁.天線方向圖在GPS仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010(4):1 079-1 080.

[11] 趙敬紅.基于OpenSceneGraph的大地形可視化方法研究[D].長沙：中南大學(xué),2010:12-14.

[12] 徐向前,洪佩琳,薛開平.基于地理極坐標(biāo)網(wǎng)格的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)尋址策略[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2014(3):438-438.

[13] 汪繼文,張妍妍,陸和軍.一種基于改進(jìn)的粒子系統(tǒng)的煙花模擬[J].電腦知識與技術(shù),2009(34):9 805-9 807.[14] 王 敏.CDMA2000網(wǎng)絡(luò)接入性能優(yōu)化的研究與實(shí)踐 [D].北京：北京郵電大學(xué),2011：13-16.

[15] 溫丹昊,馬 敏,劉志高.相控陣?yán)走_(dá)波束調(diào)度中的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法[J].黑龍江科技信息,2012(12):25-26.

[16] 畢碩本,曾曉文,潘秋羽,等.基于粒子系統(tǒng)的衛(wèi)星云圖三維仿真與簡化算法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014(11):2 631-2 633.

馬 飛 男，(1979—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：通信對抗技術(shù)。

鹿 川 男，(1982—)，工程師。主要研究方向：通信對抗技術(shù)。

Calculation Method of Electromagnetic Field Intensity Distribution Based on Particle System

MA Fei1，LU Chuan1，ZHANG Qing-wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China; 2.No.11MiddleSchoolofShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050000,China)

To satisfy the requirement for electromagnetic situation display and improve the calculation speed of electromagnetic field intensity distribution in the field of electromagnetic countermeasure,the paper discuses a new calculation method,which replaces the traditional electromagnetic propagation calculation with OSG particle system modelling.By modelling OSG particle with parameters of radiation source and antenna pattern data,and through the high calculation capability of GPU,this method directly turn the results into electromagnetic situation,which guarantees the real-time display of electromagnetic situation in complex electromagnetic environment.

OSG particle system；electromagnetic situation；electromagnetic field intensity distribution；electromagnetic propagation

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.13

馬 飛，鹿 川，張慶偉.基于粒子系統(tǒng)的電磁場強(qiáng)分布計(jì)算方法[J].無線電工程,2017,47(4):53-57.

2017-01-07

河北省科技基金資助項(xiàng)目(14040322Z)。

TN975

A

1003-3106(2017)04-0053-05