電磁態(tài)勢的三維可視化研究

劉鷹 劉笑 馬明

摘 要： 針對電磁態(tài)勢的三維可視化問題，該項目以真實地理環(huán)境為依托，采用計算機視覺、三維GIS、電子對抗效能評估技術(shù)，研究電磁態(tài)勢的繪制問題，包括電磁波傳播過程、雷達三維探測區(qū)域、通信三維作用區(qū)域，開發(fā)虛擬電磁環(huán)境三維仿真系統(tǒng)，對電磁態(tài)勢進行可視化表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 電磁環(huán)境 虛擬儀器 多信號模型

歷來，善于指揮作戰(zhàn)的將帥都高度重視對戰(zhàn)場中“勢”的運用和把握。孫子曰：“故善戰(zhàn)者，求之于勢，不責于人，故能擇人而任勢?！痹谀壳皬碗s的環(huán)境中，電磁領(lǐng)域是看不見的。電磁環(huán)境成為人類生存環(huán)境的新要素，認識、把握和利用電磁態(tài)勢成為信息化的必然要求。電磁態(tài)勢是指在特定的時空范圍內(nèi)，電磁設(shè)備的配置、電磁活動情況及其變化所形成的狀態(tài)和形勢，這種態(tài)勢在實際中是看不見、摸不著的?，F(xiàn)代環(huán)境中電磁態(tài)勢瞬息萬變，為有效控制戰(zhàn)場，利用已有偵察數(shù)據(jù)，可視化地顯示出不可見的電磁態(tài)勢十分必要。

一、提出的方案

電磁環(huán)境三維仿真系統(tǒng)利用三維GIS技術(shù)、計算機圖形學技術(shù)對真實地理環(huán)境中的電磁態(tài)勢進行空間域和時域的繪制，并將其嵌入利用OSG搭建的三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，使現(xiàn)代戰(zhàn)場中的各武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等發(fā)出的強度、頻率不同的電磁信號及電磁信號的相互作用的結(jié)果可視化地表現(xiàn)出來，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實中電磁態(tài)勢的三維可視化。

圖1 電磁環(huán)境可視化表現(xiàn)內(nèi)容

利用數(shù)字高程圖和衛(wèi)星圖片，制作三維GIS地圖。既包括高山、丘陵、沙漠、平原、海島、海洋等各種地理環(huán)境的可視化，又包括云、雨、霧、風、雪等各種氣象條件的三維可視化。

三維視景引擎的目的是對作戰(zhàn)實體、以地形地貌、氣象和電磁環(huán)境為主的戰(zhàn)場環(huán)境進行渲染和表現(xiàn)。目前主流的三維渲染引擎包括：OpenGL，DirectX，OSG，Vega Prime等。基于Open Scene Graph的三維電磁態(tài)勢顯示系統(tǒng)，首先要求制作一個虛擬作戰(zhàn)實體模型，盡可能地接近現(xiàn)實的樣式。作戰(zhàn)實體模型的制作屬于三維建模范疇，場景中的物體多為直線條的組成，結(jié)合3DSMAX2009的特點，采用多邊形建模，它簡單、編輯靈活，對硬件的要求很低，而且?guī)缀鯖]有什么模型是不能通過多邊形建模完成的。

其次建好作戰(zhàn)實體模型后，配置基于Open Scene Graph三維引擎程序的環(huán)境，包括系統(tǒng)環(huán)境的配置和VisualC++2010的配置，后編寫基于漫游程序代碼，載入建好的作戰(zhàn)實體模型，達到虛擬漫游功能的相關(guān)要求。

三維GIS技術(shù)可以通過地形的模擬變換改變虛擬戰(zhàn)場的環(huán)境，讓受訓人員在不同的場景中體驗不一樣的作戰(zhàn)環(huán)境，從而為實地戰(zhàn)場做好充分準備。另外，GIS技術(shù)在電磁輻射源相關(guān)空間數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析、模擬和顯示等方面也起到了不可替代的作用，并且在戰(zhàn)場電磁態(tài)勢可視化和進行電磁態(tài)勢評估方面具備廣闊的應用前景。

在技術(shù)手段上，本項目可以利用高清衛(wèi)星圖片、高分辨率DEM數(shù)據(jù)、二維矢量數(shù)據(jù)等信息資源，基于三維GIS引擎，創(chuàng)造出包含地形地貌和常規(guī)地理信息的三維地理戰(zhàn)場環(huán)境。為便于為上層應用提供靈活的地理環(huán)境背景支撐，可以采用LOD模式，分類、分層組織管理地理要素，實現(xiàn)各地圖圖層動態(tài)加載、顯示和隱藏的靈活控制。

三維GIS面臨的最大難點是海量數(shù)據(jù)處理。由于地理數(shù)據(jù)量相當龐大，因此現(xiàn)實中開發(fā)人員會對海量數(shù)據(jù)提出一些比較完善的解決方案，促進圖形學相關(guān)軟件與硬件不斷相結(jié)合，完成人們假想的比較完善的海量數(shù)據(jù)解決方案。由于Open Scene Graph的各種優(yōu)異特性，因此，如果使用它解決海量數(shù)據(jù)問題，那么基于Open Scene Graph便是非常理想的虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)。海量地形數(shù)據(jù)往往分為兩個部分：一個是大高程圖，另一個是大紋理。如何處理高程圖與紋理成為解決海量地形數(shù)據(jù)問題的關(guān)鍵因素。一種理想的解決方案可以描述如下：當場景中需要顯示某一塊地形時，就載入內(nèi)存，渲染輸出；當場景中的地形從顯示到不顯示時，所占有的內(nèi)存會立即得到釋放；遠處的場景是模糊的，在近處是清晰的才會有適當大的開銷。

二、仿真結(jié)果

1.地理GIS

使用OSG完成上述解決方案，這樣OSG就具備了處理海量地形數(shù)據(jù)的能力，海量地形據(jù)的瓶頸被打破后，OSG引擎的優(yōu)勢便會更加明顯。采用OSG最終開發(fā)的三維GIS如圖2所示。

（a）全球三位GIS圖全景 （b）山區(qū)GIS

圖2 OSG制作的三維GIS效果圖

2.電磁環(huán)境

理論上，雷達的探測空域由雷達方程決定。圖中給出了某雷達的作用區(qū)域圖。我們這里采用環(huán)形網(wǎng)狀的曲線表示雷達的作用區(qū)域邊界。當目標（飛機）處于曲線所構(gòu)成的曲面內(nèi)時，雷達可以探測到目標；當目標處于曲面以外時，雷達“看不到”目標。

當雷達受到某個方向的干擾時，會產(chǎn)生探測空域上的凹口（圖3），給出了雷達受到干擾之后的探測空域。圖中的凹口處表示探測距離的縮短。在繪制探測曲線時，這里采用經(jīng)緯度的方式分別進行繪制。雷達探測曲線采用環(huán)形網(wǎng)狀表示。

圖3 地面雷達探測區(qū)域

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