基于排序加權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

現代戰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，寬帶雷達技術已經日益廣泛地應用在裝備中［1］。所謂寬帶視頻是指寬帶雷達的回波視頻數據。由于寬帶雷達的發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。其典型特征是，寬帶視頻的距離單元往往小于1 m。

傳統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據，同時其數據率是傳統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，否則無法體現寬帶視頻的優勢。隨著數據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。該平臺雖然具有實時性好、可靠性高、安全性強的優點，但是不具備高級繪圖工具，沒有可以直接實現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。針對以上情況，本文采用基本繪圖函數和排序加權法對寬帶視頻數據進行分段處理，不但實現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

雷達寬帶視頻數據是距離單元的幅度值，每個雷達脈沖對應一組視頻數據。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據，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據量較大，距離單元和顯示單元無法一一對應，需要融合多個距離單元的數據通過一個顯示單元顯示。同時，由于寬帶數據量大，不利于人工識別目標。針對這兩個需求，本文引入排序加權法進行數據處理顯示。

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據段內的幅度進行排序，得到最大值和最小值的差;然后，以該差值作為權值系數，對顯示單元對應的數據段內的幅度進行加權處理，以得到期望幅度。該方法的權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，為實現任何距離和幅度范圍內的視頻數據放大、縮小等顯示，本文采用基本繪圖函數連接期望幅度所對應的顯示坐標，從而準確和形象地反映一定距離段內的視頻數據。

2 本文算法

默認情況下是全量程顯示，最主要的操作是區域放大顯示，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域放大顯示的具體實現算法。

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內使距離單元和顯示單元一一對應顯示。這樣可以讓操作員對整個主觸發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據距離單元的個數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

要實現一系列距離單元幅度的顯示，首先實現一個距離單元上幅度的顯示。這里考慮實現在顯示區中每個期望幅度所對應的顯示坐標。通過公式(1）獲取視頻數據中每個幅度值在顯示區中對應的顯示坐標。

其中，η為某一個幅度值對應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據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的顯示幅度信息。

2.1.2 多個距離單元數據的處理算法

距離單元與顯示單元一一對應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多個連續的距離單元。如何準確地處理多個距離單元的幅度值與對應顯示單元相匹配，從而實現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法計算一段距離單元對應的顯示單元坐標值，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的距離單元個數。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

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

2.2 區域放大顯示

區域放大顯示相當于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多個(大于一個）距離單元時采用公式(1）、(2）、(3）實現，而當一個距離單元對應一個顯示單元或一個距離單元對應多個顯示單元時采用公式(1）實現。

3 實現步驟與操作方法

通過以下6 步描述其實現步驟及其顯示效果:

(1）根據以上公式，針對雷達寬帶視頻數據，由公式(1）、(2）、(3）得到排序加權法所凝聚出每個顯示單元的坐標值，由基本繪圖函數實現全量程顯示。設全量程距離為d，最大幅度為h，某主脈沖對應的一幀數據，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）根據步驟(2）所得到的各項參數，通過公式(1）、(2）、(3）或只通過公式(1），采用排序加權法計算出每個顯示單元對應的坐標。

圖3 放大效果圖

(4）根據得到的顯示單元坐標值，采用基本繪圖函數，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）當放大倍數擴大到多個顯示單元對應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，如圖1所示。

操作方法為:采用即見即所得方法實現放大與縮小操作。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域內部選中數據段的寬帶視頻，如圖2和圖3所示。可以在圖3的基礎上再進行放大顯示。在寬帶顯示區雙擊操縱球右鍵即可以恢復顯示該主觸發數據的全量程模式。通過光標點擊前“一個主觸發”或“下一個主觸發”按鈕切換顯示前一個或后一個主觸發數據。最多可以緩存50個主觸發數據。

4 試驗結果與分析

試驗環境:Intel?CoretmDuo 1.66Hz中央處理器，2 GB 內存，VxWorks5.5 操作系統。雷達天線轉速為15 r/min，每個天線周期選擇寬帶波門內50個主觸發數據處理。波門的距離長度為15000 m，寬帶為200 M。

試驗結果:基于排序加權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%，內存使用率≤40%。

算法分析:在VxWorks5.5 操作系統平臺上顯示雷達寬帶視頻，傳統方法往往采用多個距離單元的均值作為中間值計算對應顯示單元的位置;如果目標在某顯示單元中占的距離單元比例不占絕對優勢，均值結果接近非目標幅度無法顯示出目標，不利于發現和識別目標。本文的排序加權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 結束語

通過試驗驗證，本文的基于排序加權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域。

［1］李海英，楊汝良.超寬帶雷達的發展、現狀及應用［J］.遙感技術與應用，2001，16(3）.

［2］吳令宇.寬帶信號分析的DSP算法研究與實現［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據融合方法［J］.傳感器技術，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.