一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法
一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于仿真技术领域，尤其涉及到面向雷达地形成像仿真的地形建模方法及 系统。
【背景技术】
[0002] 在仿真系统中，环境数据直接影响仿真系统的性能，不同的仿真系统在仿真时通 常处于同一个物理环境中，环境包括地形、海洋、大气等。环境数据模型的质量直接影响仿 真系统的真实感体验，在仿真的系统组成中，存在两个异构问题：（1)不同的训练系统(2)同 一训练系统中不同的子系统。这些系统之间通常存在数据的交互和同步，传统意义上的仿 真系统各自使用独立的数据库，这将会导致数据一致性差、异构系统的同步和数据交互受 限、及数据库重复开发等问题。因此，仿真子系统应当按照统一的、规范化标准进行建模，提 高数据的一致性和共用性，当前综合环境数据表示与交换规范(SEDRIS)成为环境建模的主 要标准，如何按照SEDRIS对系统数据进行规范化表示是系统数据建模需要研究的问题。
[0003] 环境数据是综合自然环境的主要内容，环境数据的表示是系统中数据的类型、属 性和相互关系的有效组织，环境数据模型不是数据库的简单实现，而是数据描述和数据需 求判定等的综合。环境数据模型为综合仿真中各个异构子系统提供一种统一的数据表示， 在数据组织结构、存储方式、调用格式等方面为系统实时仿真提供可靠的数据源，针对雷达 的大规模真实地形成像仿真，研究适用的环境数据表示方法是地形建模的一种趋势，也是 地形环境建模必不可少的组成部分。
【发明内容】
[0004] 为了在雷达图像仿真系统中构建高效、一致性的环境数据表示，本发明从地形数 据的静态存储和动态调度两个方面提出一种环境数据表示问题的解决方法，以保证雷达图 像仿真能够对大规模真实地形进行成像模拟，同时保证数据与其它仿真子系统的一致性。
[0005] 本发明所提出的一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤：
[0000] 1.构建地形数据的静态存储表示
[0007] 1-1)地形数据的编码表示方法，由分类编码、属性编码、枚举编码和单位编码组 成。
[0008] 所述1-1)的地形数据的编码内容如下：
[0009] 分类编码:将地物特征分为水系、植被、土壤、岩石、建筑和混合物等六大类材质， 每种材质内部细化分为各种具体材质，如水系材质包含了水、冰和雪等；
[0010]枚举编码:对极化方式、频段和地面材质等枚举类型进行定义；
[0011]属性编码:包括地物、大气、海洋和雷达设备相关的四类属性，对与雷达图像仿真 相关的具体属性内容进行了定义，如材质类型、气压、海水密度、雷达仰角和入射角等；
[0012]单位编码:对距离、角度等常用单位进行了定义，其被各传感器所共用。
[0013] 1-2)地形数据的空间参照模型，包含地形数据空间组织结构和坐标系转换两个方 面。
[0014] 所述1-2)中的地形数据空间组织结构方法，地形数据包含纹理、高程和材质数据， 其中，高程数据反应了地形的拓扑结构，在雷达仿真中，为了保证仿真的实时性和满足L0D 技术需求，使用规则网格(Regular Square Grid，RSG)来存储高程数据，但是，视景等其它 仿真系统使用不规则三角形网格(Triangulated Irregular Network，TIN)的方式效率更 高，在RSG中，每个栅格点存储该点对应的高程数据，而在TIN中，每个数据点除了记录高程 数据外，还需要记录其所对应的二维坐标，从TIN到RSG的转换关系使用反距离加权法进行 转换，公式为：
[0015]
⑴
[0016]其中，N为矢量点的数量，对于TIN模型，N = 3，Zi为三角面顶点高程;dip为第i顶点 矢量与采样点的距离，u为权参数，一般取1或2。除了反距离加权方法，其它方法如线性插值 法、泰森多边形发也可以被使用。
[0017]所述1-2)中的地形数据坐标转换方法，雷达系统仿真的空间场景中，环境实体的 坐标描述需要多种不同的坐标系同，在实现雷达成像参数计算的过程使用直角坐标系，而 地理系统以及各个仿真系统之间交互过程中的位置更新使用的是地理经炜度表示的坐标 系统，这两种坐标之间需要实现同步和转换，假设已知仿真场景空间对应的坐标系为局部 直角坐标系(x，y，z) T，地理坐标系经转换后得到平面投影坐标系统(Y ,ζ' )τ，经炜高表 示为(/, A W/，将地心坐标系统转化为投影坐标系统的公式为：
[0018
(2)
[0019] 其中N=a/W，〗丨'=(丨- e_sin、)' ：，e2 = (a2_b2)/a2，a和b分另丨」为地球椭球体的长轴和短 轴。将投影坐标转化为地心坐标，公式为：
[0020]
⑶ COS妒
[0021] 局部物理直角坐标系与投影坐标之间的转换可以通过坐标旋转和平移获得，两个 直角坐标系之间的转换通过下面的公式实现：
[0022]
(4)
[0023] 共中，U〇，y〇r为坐称干移M，C为缩放参数，R(0)为坐标旋转Θ角度的变换矩阵。
[0024] 1-3)雷达地物散射截面积(RCS)数据组织，采用数据库查询方式和XML结构进行存 储。
[0025]所述1-3)的雷达散射截面积数据数据组织方法，结构上，RCS采用自顶而下的层次 化结构，与步骤1-1)中的分类编码一致，采用这种结构不仅可有效支持数据库的扩展，如增 加环境特征新的影响因子或增加新的环境特征;而且可以加快数据的检索与调度效率。RCS 数据描述包含类环境特征在不同频段、不同入射角和不同极化方式下的RCS值。RCS存储方 式上，采用XML文件进行存储。
[0026] 2.构建地形数据的仿真动态表示
[0027] 2-1)地形数据的多分辨率表示，包括高程数据和材质数据的多分辨率构造方法， 各分辨率之间以四叉树形式进行组织。
[0028]所述2-1)中的高程数据的多分辨率构造方法，使用4阶的Neville滤波方法构造多 分辨率高趕数据，滤波樟板用矩阵衷示为：
[0029]
(S)
[0030] 所述2-1)中的材质数据的多分辨率构造方法，材质数据表现为均匀分布区域的特 性，构造低层次细节模型时节点如果对应混合材质区域，则采用该区域最高分辨率层的统 计概率最大材质作为各低分辨率层的对应的材质属性。
[0031] 2-2)基于GPU的材质数据的压缩与解压，采用基于字典技术的行程编码压缩与解 压方法。
[0032] 所述2-2)中材质数据的压缩与解压方法使用行程编码的方式，地面材质往往由许 多材质相同的图块组成，可以被当做一副灰度图像处理，在图像的图块中所有像素表示同 一种材质，在同一扫描行上存在许多连续的具有相同数值的像素，存储材质数据时，行程编 码采用行程记载连续相同点的个数，只要存储一个代表灰度值的码，后面是行程的长度，具 有高的数据简化效果。解码的过程根据像素灰度和个数一次填充到原来的图像中，不需要 较大的计算开销就可实现较好的压缩效果。
[0033] 所述2-2)中材质数据的压缩与解压方法基于GPU进行实现，在雷达地面实时成像 仿真过程中，为降低CPU的运算负载，编码压缩后的材质图像码流数据直接加载到显存后在 GPU上进行解压缩处理，将材质数据平均分割成多个子块，利用GPU并行处理的特性，实现快 速解压缩处理。
[0034] 2-3)预测加载和细节层次模型的内存管理策略，按照离雷达中心的距离的不同， 内存中使用不同的细节层次数据，即不同分辨率的数据，随着雷达的移动，使用预测加载的 方法，以环形数据更新方法更新数据，每次每个分辨率层更新一个L形区域。
[0035]本发明的有益效果是通过规范化的环境数据表示方法，使得地形数据系统在满足 雷达系统仿真应用的同时，保证了与外部其它异构仿真系统的数据相一致，并且数据的动 态组织调度方法能够满足大规模地形数据的实时加载与绘制，为实时模拟训练任务中雷达 仿真系统的实现提供有效的数据支撑。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明所提出的面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法的总体流程 图；
[0037] 图2是本发明中的地形数据编码方法图；
[0038] 图3是本发明地形数据内存组织图；
[0039] 图4是使用本发明环境数据 表示方法在局部地形区域数据进行雷达成像的结果 图；
[0040] 图5是本发明与视景系统数据同步仿真结果图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图与实例对本发明进一步详细说明。
[0042] 本发明构建地形环境数据的表示方法总体流程图如图1所示，方法主要由数据的 静态存储表示和数据的仿真动态表示两部分组成，其具体实现步骤如下：
[0043] 1.构建地形数据的编码表示，编码方法如图2所示，图2中按照地物种类划显示了 几种典型地物类型，例如水系、植被、土壤、建筑等;在枚举编码中对雷达仿真中的相关电磁 特性参数和雷达材质的枚举类型进行定义，其中电磁特性分为极化方式和频段，使用枚举 方法可以方便提供程序调用接口；属性编码中包括四类环境属性包括:地面环境、大气环 境、海洋环境和雷达设备相关的属性，在这些属性描述中对雷达相关的属性内容进行定义， 例如地物材质、地杂波类型、大气条件、海面状态、雷达姿态等;单位编码设置了相关的角度 和距离单位。
[0044] 2.构建地形数据的空间参照模型，包括数据的空间组织结构和数据的坐标两个部 分。
[0045] 数据的空间组织结构中，将不同的结构数据统一存储到一个数据框架中，使用结 构模型转化的方法获得数据之间的一致性和对应关系。RSG数据和TIN数据格式表示的一致 性通过两个过程实现：（1)数据采样，通过地理信息数据的投影方式、地理空间范围和矢量 数据点信息，来在水平方向和垂直方向进行间隔采样；（2)高程数据的插值计算，RSG到TIN 的转换，使用线性内插方法通过寻找待计算位置点的坐标周围邻域的加权平均来获得其高 程数据，权值一般采用高斯加权的方法获得，TIN到RSG的转换使用泰森多边形法实现。 [0046]数据的坐标转换关系使用局部直角坐标系与WGS-84地心坐标系统转换公式进行 实现。
[0047] 3.构建雷达散射截面积数据库，采用XML格式进行存储数据，数据属性描述方面， 数据的属性描述包括频率、入射角、极化方式和RCS值。
[0048] 4.构建地形数据的多分辨率表示，其中，地形高程数据使用Neville滤波方法构 造，地形材质数据使统计概率最大材质属性方法确定。
[0049] 5.构建基于GPU的材质数据的压缩与解压，首先采用基于字典技术的行程编码方 法对材质数据进行压缩处理，雷达图像实时仿真时，在GHJ中使用几何着色器并配合流式输 出功能实现材质数据的实时解压，其它着色器不做特殊处理，在光栅化阶段被屏蔽，输入输 出的数据均以纹理的形式存储在显存中，使用单通道的纹理格式保存解压后的材质信息， 解压输出的材质数据作为第2个渲染过程的输入。在雷达图像实时渲染中，程序通过渲染 "NULL"图元激活GPU解压程序。
[0050] 6.构建预测加载和细节层次模型的内存管理策略，首先在内存中创建四个加载不 同分辨率地形数据的内存块如图3所示，最内层地形数据分辨率为0.0002度，外层数据分辨 率依次减小，最外层分辨率为0.001度，各内存块均加上一个缓冲区。由于雷达所在的子单 元处于地形区域的中心，根据雷达的经炜度就可以确定需加载地形区域的左下角和右上角 经炜度值。
[0051] 通过当前帧和前一帧的雷达位置信息预测下一帧雷达位置，并将雷达数据的加载 分布到连续的几帧中，假设当前雷达位置SPi，前一帧雷达位置为Po,则一般可以假定当前 雷达运动方向为(Ρι-Ρο)/||Ρι-Ρο| I，假设两帧之间的时间间隔为t，则视点运动速度大小为 Pi-Pol Ι/t，所以视点移动速度为：
[0052]
(6)
[0053]其中f表示帧速，则下一帧视点位置P2预测为：
[0054] P2 = Pi+vt = Pi+(Pi-Po) = 2Pi-Po (7)通过上述方法预加载下一帧雷达可覆盖区 域的地形数据，提高了系统内存中地形数据的加载效率。
[0055] 7.将数据传入到雷达成像单元进行仿真实验。
[0056] 下面使用本实施例中的环境数据表示方法对局部地形数据进行建模，数据包含材 质数据和地面高程数据，然后数据传入雷达成像仿真单元，成像结果如图4所示，图4(a)为 地形的材质数据，图4(b)为地形的高程数据，图4(c)为雷达高度300米，波束采样宽度1.2度 的雷达成像结果，图4(d)为雷达高度300米，波束采样宽度0.5度的雷达成像结果。从结果中 可以看出，本发明的地形环境表示方法能够对数据进行有效的成像表示。
[0057] 进一步对本发明的方法数据一致性进行验证，对同一地形区域，中心经炜度为:经 度111.50°，炜度为23.084°，同时对视景系统和雷达图像仿真系统进行同步实验，得到的仿 真结果如图5所示，图5(a)为雷达扫描范围为±60°时的成像结果，图5(b)为雷达扫描范围 为±135°时的成像结果，图5(c)为视景系统60°视场角的成像结果，图5(d)为视景系统135° 视场角的成像结果，从结果中可以看出，以河流为参考目标，雷达系统和视景系统的仿真结 果具有一致性。
【主权项】
1. 一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法，其特征在于，包括如下步骤:构建 地形数据的静态存储表示，从地形数据编码、地形空间参照模型、雷达地物散射截面积数据 组织三方面来规范雷达地形数据；构建地形数据的仿真动态表示，建立地形数据的多分辨 率表示模型，利用GPU实现材质数据的压缩与解压，在实时仿真过程中，使用预测加载和细 节层次模型的内存管理策略实现数据的动态调度。2. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形为真实世界的 地理地形数据，地形数据的类型包括:数字表面高程数据和地面材质属性数据。3. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形数据编码的方 法由分类编码、属性编码、枚举编码和单位编码组成。4. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形空间参照模 型，其表示的地理数据的空间组织方式为规则网格，不同数据格式的转换使用不规则三角 网结构与规则网格结构的转换模块，模块使用反距离加权法来计算插值。5. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形空间参照模 型，仿真中各系统间的地理位置交互和系统内的成像计算，使用局部直角坐标系与WGS-84 地心坐标系统间相互转换的方法实现。6. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的雷达地物散射截面 积数据(RCS)采用数据库的组织方式预先存储在系统中，RCS数据按照类属关系构成自顶向 下的层次化结构，并以XML文件格式进行存储。7. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的建立地形数据的多 分辨率表示模型，材质数据的多分辨率表示采用最大出现概率子抽样方法，高程数据的多 分辨率表示采用Nevi1le滤波方法实现，多分辨率数据以四叉树形式进行组织。8. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的利用GHJ实现材质 数据的压缩与解压，采用基于字典技术的形成编码压缩与解压方法，雷达图像实时仿真时， 在GHJ中使用几何着色器并配合流式输出功能实现材质数据的实时解压。9. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的预测加载和细节层 次模型的内存管理策略，按照离雷达中心的距离的不同，内存中使用不同的细节层次数据， 即不同分辨率的数据，随着雷达的移动，使用预测加载的方法，以环形数据更新方法更新数 据，每次每个分辨率层更新一个L形区域。
【专利摘要】本发明公开了一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法，用于构建具有一致性表示的、模拟真实环境的雷达地形数据库，属于仿真技术领域。本发明包括如下步骤：第一，构建地形数据的静态存储表示，包括地形数据编码方法、地形空间参照模型、雷达地物散射截面积数据表示；第二，构建地形数据的仿真动态表示，包括数据的细节层次结构构建和实时内存调度方法。本发明主要用于机载雷达仿真系统中的地面成像模拟，是研发雷达实时仿真系统的必要构成，在飞行模拟训练、雷达设计方面有广泛的应用前景。
【IPC分类】G06T15/00, G06T17/05
【公开号】CN105488838
【申请号】CN201510862914
【发明人】张立民, 张建廷, 邓向阳, 方伟, 方君
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月30日
【技术领域】
[0001] 本发明属于仿真技术领域，尤其涉及到面向雷达地形成像仿真的地形建模方法及 系统。
【背景技术】
[0002] 在仿真系统中，环境数据直接影响仿真系统的性能，不同的仿真系统在仿真时通 常处于同一个物理环境中，环境包括地形、海洋、大气等。环境数据模型的质量直接影响仿 真系统的真实感体验，在仿真的系统组成中，存在两个异构问题：（1)不同的训练系统(2)同 一训练系统中不同的子系统。这些系统之间通常存在数据的交互和同步，传统意义上的仿 真系统各自使用独立的数据库，这将会导致数据一致性差、异构系统的同步和数据交互受 限、及数据库重复开发等问题。因此，仿真子系统应当按照统一的、规范化标准进行建模，提 高数据的一致性和共用性，当前综合环境数据表示与交换规范(SEDRIS)成为环境建模的主 要标准，如何按照SEDRIS对系统数据进行规范化表示是系统数据建模需要研究的问题。
[0003] 环境数据是综合自然环境的主要内容，环境数据的表示是系统中数据的类型、属 性和相互关系的有效组织，环境数据模型不是数据库的简单实现，而是数据描述和数据需 求判定等的综合。环境数据模型为综合仿真中各个异构子系统提供一种统一的数据表示， 在数据组织结构、存储方式、调用格式等方面为系统实时仿真提供可靠的数据源，针对雷达 的大规模真实地形成像仿真，研究适用的环境数据表示方法是地形建模的一种趋势，也是 地形环境建模必不可少的组成部分。
【发明内容】
[0004] 为了在雷达图像仿真系统中构建高效、一致性的环境数据表示，本发明从地形数 据的静态存储和动态调度两个方面提出一种环境数据表示问题的解决方法，以保证雷达图 像仿真能够对大规模真实地形进行成像模拟，同时保证数据与其它仿真子系统的一致性。
[0005] 本发明所提出的一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤：
[0000] 1.构建地形数据的静态存储表示
[0007] 1-1)地形数据的编码表示方法，由分类编码、属性编码、枚举编码和单位编码组 成。
[0008] 所述1-1)的地形数据的编码内容如下：
[0009] 分类编码:将地物特征分为水系、植被、土壤、岩石、建筑和混合物等六大类材质， 每种材质内部细化分为各种具体材质，如水系材质包含了水、冰和雪等；
[0010]枚举编码:对极化方式、频段和地面材质等枚举类型进行定义；
[0011]属性编码:包括地物、大气、海洋和雷达设备相关的四类属性，对与雷达图像仿真 相关的具体属性内容进行了定义，如材质类型、气压、海水密度、雷达仰角和入射角等；
[0012]单位编码:对距离、角度等常用单位进行了定义，其被各传感器所共用。
[0013] 1-2)地形数据的空间参照模型，包含地形数据空间组织结构和坐标系转换两个方 面。
[0014] 所述1-2)中的地形数据空间组织结构方法，地形数据包含纹理、高程和材质数据， 其中，高程数据反应了地形的拓扑结构，在雷达仿真中，为了保证仿真的实时性和满足L0D 技术需求，使用规则网格(Regular Square Grid，RSG)来存储高程数据，但是，视景等其它 仿真系统使用不规则三角形网格(Triangulated Irregular Network，TIN)的方式效率更 高，在RSG中，每个栅格点存储该点对应的高程数据，而在TIN中，每个数据点除了记录高程 数据外，还需要记录其所对应的二维坐标，从TIN到RSG的转换关系使用反距离加权法进行 转换，公式为：
[0015]
⑴
[0016]其中，N为矢量点的数量，对于TIN模型，N = 3，Zi为三角面顶点高程;dip为第i顶点 矢量与采样点的距离，u为权参数，一般取1或2。除了反距离加权方法，其它方法如线性插值 法、泰森多边形发也可以被使用。
[0017]所述1-2)中的地形数据坐标转换方法，雷达系统仿真的空间场景中，环境实体的 坐标描述需要多种不同的坐标系同，在实现雷达成像参数计算的过程使用直角坐标系，而 地理系统以及各个仿真系统之间交互过程中的位置更新使用的是地理经炜度表示的坐标 系统，这两种坐标之间需要实现同步和转换，假设已知仿真场景空间对应的坐标系为局部 直角坐标系(x，y，z) T，地理坐标系经转换后得到平面投影坐标系统(Y ,ζ' )τ，经炜高表 示为(/, A W/，将地心坐标系统转化为投影坐标系统的公式为：
[0018
(2)
[0019] 其中N=a/W，〗丨'=(丨- e_sin、)' ：，e2 = (a2_b2)/a2，a和b分另丨」为地球椭球体的长轴和短 轴。将投影坐标转化为地心坐标，公式为：
[0020]
⑶ COS妒
[0021] 局部物理直角坐标系与投影坐标之间的转换可以通过坐标旋转和平移获得，两个 直角坐标系之间的转换通过下面的公式实现：
[0022]
(4)
[0023] 共中，U〇，y〇r为坐称干移M，C为缩放参数，R(0)为坐标旋转Θ角度的变换矩阵。
[0024] 1-3)雷达地物散射截面积(RCS)数据组织，采用数据库查询方式和XML结构进行存 储。
[0025]所述1-3)的雷达散射截面积数据数据组织方法，结构上，RCS采用自顶而下的层次 化结构，与步骤1-1)中的分类编码一致，采用这种结构不仅可有效支持数据库的扩展，如增 加环境特征新的影响因子或增加新的环境特征;而且可以加快数据的检索与调度效率。RCS 数据描述包含类环境特征在不同频段、不同入射角和不同极化方式下的RCS值。RCS存储方 式上，采用XML文件进行存储。
[0026] 2.构建地形数据的仿真动态表示
[0027] 2-1)地形数据的多分辨率表示，包括高程数据和材质数据的多分辨率构造方法， 各分辨率之间以四叉树形式进行组织。
[0028]所述2-1)中的高程数据的多分辨率构造方法，使用4阶的Neville滤波方法构造多 分辨率高趕数据，滤波樟板用矩阵衷示为：
[0029]
(S)
[0030] 所述2-1)中的材质数据的多分辨率构造方法，材质数据表现为均匀分布区域的特 性，构造低层次细节模型时节点如果对应混合材质区域，则采用该区域最高分辨率层的统 计概率最大材质作为各低分辨率层的对应的材质属性。
[0031] 2-2)基于GPU的材质数据的压缩与解压，采用基于字典技术的行程编码压缩与解 压方法。
[0032] 所述2-2)中材质数据的压缩与解压方法使用行程编码的方式，地面材质往往由许 多材质相同的图块组成，可以被当做一副灰度图像处理，在图像的图块中所有像素表示同 一种材质，在同一扫描行上存在许多连续的具有相同数值的像素，存储材质数据时，行程编 码采用行程记载连续相同点的个数，只要存储一个代表灰度值的码，后面是行程的长度，具 有高的数据简化效果。解码的过程根据像素灰度和个数一次填充到原来的图像中，不需要 较大的计算开销就可实现较好的压缩效果。
[0033] 所述2-2)中材质数据的压缩与解压方法基于GPU进行实现，在雷达地面实时成像 仿真过程中，为降低CPU的运算负载，编码压缩后的材质图像码流数据直接加载到显存后在 GPU上进行解压缩处理，将材质数据平均分割成多个子块，利用GPU并行处理的特性，实现快 速解压缩处理。
[0034] 2-3)预测加载和细节层次模型的内存管理策略，按照离雷达中心的距离的不同， 内存中使用不同的细节层次数据，即不同分辨率的数据，随着雷达的移动，使用预测加载的 方法，以环形数据更新方法更新数据，每次每个分辨率层更新一个L形区域。
[0035]本发明的有益效果是通过规范化的环境数据表示方法，使得地形数据系统在满足 雷达系统仿真应用的同时，保证了与外部其它异构仿真系统的数据相一致，并且数据的动 态组织调度方法能够满足大规模地形数据的实时加载与绘制，为实时模拟训练任务中雷达 仿真系统的实现提供有效的数据支撑。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明所提出的面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法的总体流程 图；
[0037] 图2是本发明中的地形数据编码方法图；
[0038] 图3是本发明地形数据内存组织图；
[0039] 图4是使用本发明环境数据 表示方法在局部地形区域数据进行雷达成像的结果 图；
[0040] 图5是本发明与视景系统数据同步仿真结果图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图与实例对本发明进一步详细说明。
[0042] 本发明构建地形环境数据的表示方法总体流程图如图1所示，方法主要由数据的 静态存储表示和数据的仿真动态表示两部分组成，其具体实现步骤如下：
[0043] 1.构建地形数据的编码表示，编码方法如图2所示，图2中按照地物种类划显示了 几种典型地物类型，例如水系、植被、土壤、建筑等;在枚举编码中对雷达仿真中的相关电磁 特性参数和雷达材质的枚举类型进行定义，其中电磁特性分为极化方式和频段，使用枚举 方法可以方便提供程序调用接口；属性编码中包括四类环境属性包括:地面环境、大气环 境、海洋环境和雷达设备相关的属性，在这些属性描述中对雷达相关的属性内容进行定义， 例如地物材质、地杂波类型、大气条件、海面状态、雷达姿态等;单位编码设置了相关的角度 和距离单位。
[0044] 2.构建地形数据的空间参照模型，包括数据的空间组织结构和数据的坐标两个部 分。
[0045] 数据的空间组织结构中，将不同的结构数据统一存储到一个数据框架中，使用结 构模型转化的方法获得数据之间的一致性和对应关系。RSG数据和TIN数据格式表示的一致 性通过两个过程实现：（1)数据采样，通过地理信息数据的投影方式、地理空间范围和矢量 数据点信息，来在水平方向和垂直方向进行间隔采样；（2)高程数据的插值计算，RSG到TIN 的转换，使用线性内插方法通过寻找待计算位置点的坐标周围邻域的加权平均来获得其高 程数据，权值一般采用高斯加权的方法获得，TIN到RSG的转换使用泰森多边形法实现。 [0046]数据的坐标转换关系使用局部直角坐标系与WGS-84地心坐标系统转换公式进行 实现。
[0047] 3.构建雷达散射截面积数据库，采用XML格式进行存储数据，数据属性描述方面， 数据的属性描述包括频率、入射角、极化方式和RCS值。
[0048] 4.构建地形数据的多分辨率表示，其中，地形高程数据使用Neville滤波方法构 造，地形材质数据使统计概率最大材质属性方法确定。
[0049] 5.构建基于GPU的材质数据的压缩与解压，首先采用基于字典技术的行程编码方 法对材质数据进行压缩处理，雷达图像实时仿真时，在GHJ中使用几何着色器并配合流式输 出功能实现材质数据的实时解压，其它着色器不做特殊处理，在光栅化阶段被屏蔽，输入输 出的数据均以纹理的形式存储在显存中，使用单通道的纹理格式保存解压后的材质信息， 解压输出的材质数据作为第2个渲染过程的输入。在雷达图像实时渲染中，程序通过渲染 "NULL"图元激活GPU解压程序。
[0050] 6.构建预测加载和细节层次模型的内存管理策略，首先在内存中创建四个加载不 同分辨率地形数据的内存块如图3所示，最内层地形数据分辨率为0.0002度，外层数据分辨 率依次减小，最外层分辨率为0.001度，各内存块均加上一个缓冲区。由于雷达所在的子单 元处于地形区域的中心，根据雷达的经炜度就可以确定需加载地形区域的左下角和右上角 经炜度值。
[0051] 通过当前帧和前一帧的雷达位置信息预测下一帧雷达位置，并将雷达数据的加载 分布到连续的几帧中，假设当前雷达位置SPi，前一帧雷达位置为Po,则一般可以假定当前 雷达运动方向为(Ρι-Ρο)/||Ρι-Ρο| I，假设两帧之间的时间间隔为t，则视点运动速度大小为 Pi-Pol Ι/t，所以视点移动速度为：
[0052]
(6)
[0053]其中f表示帧速，则下一帧视点位置P2预测为：
[0054] P2 = Pi+vt = Pi+(Pi-Po) = 2Pi-Po (7)通过上述方法预加载下一帧雷达可覆盖区 域的地形数据，提高了系统内存中地形数据的加载效率。
[0055] 7.将数据传入到雷达成像单元进行仿真实验。
[0056] 下面使用本实施例中的环境数据表示方法对局部地形数据进行建模，数据包含材 质数据和地面高程数据，然后数据传入雷达成像仿真单元，成像结果如图4所示，图4(a)为 地形的材质数据，图4(b)为地形的高程数据，图4(c)为雷达高度300米，波束采样宽度1.2度 的雷达成像结果，图4(d)为雷达高度300米，波束采样宽度0.5度的雷达成像结果。从结果中 可以看出，本发明的地形环境表示方法能够对数据进行有效的成像表示。
[0057] 进一步对本发明的方法数据一致性进行验证，对同一地形区域，中心经炜度为:经 度111.50°，炜度为23.084°，同时对视景系统和雷达图像仿真系统进行同步实验，得到的仿 真结果如图5所示，图5(a)为雷达扫描范围为±60°时的成像结果，图5(b)为雷达扫描范围 为±135°时的成像结果，图5(c)为视景系统60°视场角的成像结果，图5(d)为视景系统135° 视场角的成像结果，从结果中可以看出，以河流为参考目标，雷达系统和视景系统的仿真结 果具有一致性。
【主权项】
1. 一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法，其特征在于，包括如下步骤:构建 地形数据的静态存储表示，从地形数据编码、地形空间参照模型、雷达地物散射截面积数据 组织三方面来规范雷达地形数据；构建地形数据的仿真动态表示，建立地形数据的多分辨 率表示模型，利用GPU实现材质数据的压缩与解压，在实时仿真过程中，使用预测加载和细 节层次模型的内存管理策略实现数据的动态调度。2. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形为真实世界的 地理地形数据，地形数据的类型包括:数字表面高程数据和地面材质属性数据。3. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形数据编码的方 法由分类编码、属性编码、枚举编码和单位编码组成。4. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形空间参照模 型，其表示的地理数据的空间组织方式为规则网格，不同数据格式的转换使用不规则三角 网结构与规则网格结构的转换模块，模块使用反距离加权法来计算插值。5. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的地形空间参照模 型，仿真中各系统间的地理位置交互和系统内的成像计算，使用局部直角坐标系与WGS-84 地心坐标系统间相互转换的方法实现。6. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的雷达地物散射截面 积数据(RCS)采用数据库的组织方式预先存储在系统中，RCS数据按照类属关系构成自顶向 下的层次化结构，并以XML文件格式进行存储。7. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的建立地形数据的多 分辨率表示模型，材质数据的多分辨率表示采用最大出现概率子抽样方法，高程数据的多 分辨率表示采用Nevi1le滤波方法实现，多分辨率数据以四叉树形式进行组织。8. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的利用GHJ实现材质 数据的压缩与解压，采用基于字典技术的形成编码压缩与解压方法，雷达图像实时仿真时， 在GHJ中使用几何着色器并配合流式输出功能实现材质数据的实时解压。9. 根据权利要求1所述的地形环境数据表示方法，其特征是，所述的预测加载和细节层 次模型的内存管理策略，按照离雷达中心的距离的不同，内存中使用不同的细节层次数据， 即不同分辨率的数据，随着雷达的移动，使用预测加载的方法，以环形数据更新方法更新数 据，每次每个分辨率层更新一个L形区域。
【专利摘要】本发明公开了一种面向雷达图像仿真的地形环境数据表示方法，用于构建具有一致性表示的、模拟真实环境的雷达地形数据库，属于仿真技术领域。本发明包括如下步骤：第一，构建地形数据的静态存储表示，包括地形数据编码方法、地形空间参照模型、雷达地物散射截面积数据表示；第二，构建地形数据的仿真动态表示，包括数据的细节层次结构构建和实时内存调度方法。本发明主要用于机载雷达仿真系统中的地面成像模拟，是研发雷达实时仿真系统的必要构成，在飞行模拟训练、雷达设计方面有广泛的应用前景。
【IPC分类】G06T15/00, G06T17/05
【公开号】CN105488838
【申请号】CN201510862914
【发明人】张立民, 张建廷, 邓向阳, 方伟, 方君
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月30日
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