基于光柵掃描的雷達P顯余輝的一種實現方法

謝永亮,席澤敏,毛德廣,戴 路

(海軍工程大學,武漢 430033)

0 引 言

傳統雷達P顯的目標回波信號是借助顯示器內部熒光材料的余輝效應,通過電子束掃描線圓周掃過屏幕留下的逐漸消隱的余輝來判斷目標。

但光柵顯示器無法自動產生隨機掃描中熒光粉的余輝效應,因此必須人為地模擬掃描線的余輝效應。

在建立雷達虛擬操作系統或維修訓練系統時,顯示器的仿真效果直接影響模擬器的訓練效果。

目前基于光柵掃描的余輝仿真的方法主要有畫線法、固定扇掃法、逐點消隱法。前兩者圖像會出現輻射狀花紋及掃描速率不穩定的現象,后者應用較多,效果也明顯強于前者。

本文在逐點消隱法的基礎上提出了亮度比較法,在光柵顯示器上得到了余輝效果逼真、畫面流暢的仿真圖形。

1 P型顯示器特性及余輝仿真的方法

P型顯示器,有時也稱為平面型顯示器或環視顯示器,是雷達裝備常用的顯示器之一。它顯示目標的斜距離和方位2個坐標,是極坐標形式的二度空間顯示器。它用平面上的亮點位置來表示目標坐標,屬于亮度調制顯示器。P顯熒光屏中心代表雷達站位置,距離掃描線隨著天線的方位掃描在畫面上同步轉動。目標呈現為一段亮弧,其斜距離表示為亮弧與掃描起點的徑向間隔,方位取決于亮弧中心在屏上的方向。

P型顯示器進行工作時,主要分為3個過程:上電過程、掃描過程和斷電過程。在這3個過程中都存在有亮度的變化:上電過程有掃描線漸亮的過程,掃描過程有移動的余輝現象,斷電過程有掃描線漸暗的余輝過程。對余輝等級的逼真模擬是雷達模擬器研制過程中需要解決的首要問題。

在仿真系統中,顯示器件及其掃描方式的選擇決定了仿真的方法。按照所使用的顯示器的不同,雷達顯示系統的仿真方法可分為兩大類:一類是硬模擬,以實際雷達所使用的示波管為終端來實現顯示仿真;另一類是軟模擬,以光柵顯示器為終端來實現顯示仿真。

硬件實現法一般采用單片機或工控機作為仿真運算單元(如圖1),由于管頭的使用,硬模擬實現隨機掃描顯示。該類仿真器具有原理簡單、余輝效果逼真、輝亮調節容易等特點;主要缺點是仿真器的結構較復雜,硬件成本較高,維護要求也高,通用性和可移植性差。

圖1 半實物仿真結構

軟模擬通常采用如圖2所示的仿真結構,這類仿真器的特點是開發方便、構成簡單,同時由于采用全數字處理,因而不需要產生高精度的仿真信號,也不需要特定的硬件,具有良好的可靠性、適應性、通用性和可移植性。

圖2 計算機仿真結構

軟模擬通常采用光柵顯示器,用計算機編程實現。光柵掃描顯示器具有高亮度、高穩定度、大容量顯示的圖文處理能力、豐富的色彩及多灰度等級的優點。但光柵掃描無法自動產生隨機掃描中熒光粉的余輝效應,因此必須人為地模擬掃描線的余輝效應。一般采用如下3種方法實現:

(1)畫線法。該法較易實現,原理是在屏幕上以畫直線的方式畫出每一角度的掃描線。每次畫一個扇面灰度遞減的直線簇。但當程序運行時,掃描線軌跡不斷地在屏幕上轉動,該方法不能無縫地覆蓋整個扇掃區域,從而產生一個輻射狀的固定花紋。

(2)固定扇掃法。這是在畫線法基礎上改進的一種仿真方法,控制扇形區域的圓心角,依次使不同扇形區域亮度減少。它雖然消除了輻射狀花紋,但在沒有目標到有目標信號時,由于數據量的增加會造成掃描線的轉速不同。

(3)逐點消隱法。其主要原理是:在一定的時間內,隨機將視頻存儲器中的內容降低1個灰度等級,每個點都必須被修改,這樣整個屏幕畫面亮度逐漸衰減。其產生的余輝效果比較逼真,掃描線轉速也較穩定。近距離區域多個角度的距離單元會對應相同的像素點,中心部位被消隱的次數明顯要比其他部位多,導致效果有些失真。

2 基于光柵掃描的余輝等級亮度比較法實現方法

余輝處理是雷達顯示器一種重要的顯示方式,通過余輝雷達操作員可以得到額外的信息,作為目標判性的重要依據。雷達PPI顯示器的電掃描線是圓周扇掃,而微機顯示器顯示機制是電子束自左向右、自上向下進行光柵掃描,因此必須進行坐標變換。現代雷達天線轉速通常為每分鐘幾轉至幾十轉,一般導航雷達天線轉速約為10轉/分,那么掃描線轉動一周的時間為6 s,這也就意味著要實現掃描線的平滑顯示,則必須在6 s內完成掃描線覆蓋整個圓周的顯示。

為得到穩定的不閃爍畫質,每秒顯示畫面需要大于25幀,即圖像刷新頻率必須達到1幀/40 ms,對于一個800×800像素的PPI顯示器,要求達到的處理速度是640 k Pixel/40ms,即16 M Pixel/s。對于現在主流配置的電腦來說,雙核主頻2.8 GHz、內存2 GHz,9 800 GT 1 G獨顯,處理16 M Pixel/s的速度還是輕而易舉的。

逐點消隱首先要得到整個P顯上的像素點,為產生不同方位的掃描線,將方位角量化,量化標準是能覆蓋圓域中所有點,由于掃描區域的分辨率為800×800,所以半徑為400像素。把圓周映射成極坐標,在角度上劃分成[2π×400]等分,實際上可取3 600等分,在距離上劃分成400等分,基本可無縫覆蓋整個圓周,這樣初始生成了3 600×400個像素的圓域。這樣掃描線的角度步進值為360/3 600=0.1°。設雷達掃描速度為10圈/min,屏幕刷新頻率為60 Hz,則每一幀時間內掃描線將經過360×10/60/60=1°,相當于掃描線步進10格。考慮到近距離區域,多個角度的距離單元會對應相同的像素點,首先為每個像素點定義一個屬性的結構體:

為圓域內的點分配內存空間:

將圓域內的點由P顯極坐標轉換成光柵顯示器所采用的直角坐標,如圖3所示。

圖3 極坐標轉換成直角坐標示意圖

對同一條掃描線上相鄰的兩點,如直角坐標相同,就把MapTo2Pt設為1,標記為相同的點;如相鄰兩點的直角坐標不相同,則把距離索引值賦給ScanlinePtIndex,每條線最后一個點設置 RadEnd為1來標記每條線已處理完畢。對于相鄰兩條線上的點,若當前線上點與前一條線上相鄰4個點的直角坐標相等,設置為m_pPixelOverlap[i]=1,否則設為0。

每幀掃描線步進10格,將當前掃描線設為初始亮度,其后每條掃描線的亮度按與當前掃描線角度差 m_anglediff取 m_wAttenuation[m_anglediff]的亮度,其中亮度小于或接近零的設為零。由于近距離區域多個角度的距離單元會對應相同的像素點,中心部位被消隱的次數明顯要比其他部位多,導致效果失真。需對這些坐標相同的點進行處理,對屬性MapTo2Pt為1的點,比較坐標相同的點處于不同距離時的亮度,取其大者顯示。對于屬性 m_pPixelOverlap為1的點,比較處于各個角度時的亮度,取其大者顯示。這樣對于同一個點,只顯示一次且取其亮者顯示,較好避免了中心部位被消隱次數過多的情況。對于實現余輝等級的情況,只需設置m_wAttenuation的大小就可調節余輝等級。如有雷達回波進來,只需比較其與掃描線上點的亮度就可以,取其亮度大者顯示,較好實現了圖像的融合,易于實現后期程序的擴展。

3 仿真實現與結果分析

通過使用Visual C++編程仿真,得到如下仿真結果。圖4～圖6為不同余輝等級下的P顯仿真圖形,圖7為畫線法得到的仿真結果。

圖7 畫線法得出的仿真結果

通過兩種實現方法的結果比較,畫線法生成的仿真圖形由于掃描線不能完全覆蓋整個圓域內的點,出現了嚴重失真。本文提出的亮度比較法有效解決了由于近距離區域內多個角度的距離單元對應相同的像素點,使得中心部位被消隱的次數明顯要比其他部位多,導致效果圖像失真的問題。該方法得到的余輝效果逼真,畫面流暢,掃描速度達到了預定的10轉/s的要求,且程序便于擴展,易與雷達回波信號疊加,得到完整雷達顯示畫面。

4 結束語

在雷達模擬器中,余輝實現的逼真程度很大程度上決定了模擬器的效果。本文實現的多級余輝效果克服了圖像出現輻射狀花紋的現象及掃描速率不穩定的現象,得到了畫面流暢、效果逼真的仿真圖形。而實現仿真效果逼真的余輝一般會給處理器帶來很大的運算量,且必須充分考慮掃描線與回波的疊加方式。本文采用的亮度比較法對冗余點進行了處理,并且易與雷達回波信號疊加,便于程序的擴展,可應用于模擬器的設計及雷達技術的研發。

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