電磁態勢的三維可視化研究

劉鷹 劉笑 馬明

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

關鍵詞： 電磁環境 虛擬儀器 多信號模型

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

一、提出的方案

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

圖1 電磁環境可視化表現內容

利用數字高程圖和衛星圖片，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實體、以地形地貌、氣象和電磁環境為主的戰場環境進行渲染和表現。目前主流的三維渲染引擎包括：OpenGL，DirectX，OSG，Vega Prime等。基于Open Scene Graph的三維電磁態勢顯示系統，首先要求制作一個虛擬作戰實體模型，盡可能地接近現實的樣式。作戰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，而且幾乎沒有什么模型是不能通過多邊形建模完成的。

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

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

在技術手段上，本項目可以利用高清衛星圖片、高分辨率DEM數據、二維矢量數據等信息資源，基于三維GIS引擎，創造出包含地形地貌和常規地理信息的三維地理戰場環境。為便于為上層應用提供靈活的地理環境背景支撐，可以采用LOD模式，分類、分層組織管理地理要素，實現各地圖圖層動態加載、顯示和隱藏的靈活控制。

三維GIS面臨的最大難點是海量數據處理。由于地理數據量相當龐大，因此現實中開發人員會對海量數據提出一些比較完善的解決方案，促進圖形學相關軟件與硬件不斷相結合，完成人們假想的比較完善的海量數據解決方案。由于Open Scene Graph的各種優異特性，因此，如果使用它解決海量數據問題，那么基于Open Scene Graph便是非常理想的虛擬現實漫游系統。海量地形數據往往分為兩個部分：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據問題的關鍵因素。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據的能力，海量地形據的瓶頸被打破后，OSG引擎的優勢便會更加明顯。采用OSG最終開發的三維GIS如圖2所示。

（a）全球三位GIS圖全景 （b）山區GIS

圖2 OSG制作的三維GIS效果圖

2.電磁環境

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域圖。我們這里采用環形網狀的曲線表示雷達的作用區域邊界。當目標（飛機）處于曲線所構成的曲面內時，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，這里采用經緯度的方式分別進行繪制。雷達探測曲線采用環形網狀表示。

圖3 地面雷達探測區域

參考文獻：

[1]Junfeng Yao，Chao Lin.Path Planning for Virtual Human Motion Using Improved A*Star Algorithm[J].Information Technology：New Generations（ITNG），2010 Seventh International，2010，1154-115：8.

[2]Xin Tan，Dingfang Chen.A Hybrid Approach of Path Planning for Mobile Robots Based on the Combination of A CO and APF Algorithms[J].International Workshop on Intelligent Systems and Applications，2009.5：1-4.

[3]LONG Bing，GAO Xu，LIU Zhen.Hierarchical Modeling Method for Multi-Signal Model Based on Visio Control Component[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China.2012，3，Vol（41）2：259-264.

[4]ZHANG Hong bo，CAI Xiao feng.Development of Graphic Power Flow Calculation Software Based on Visio Drawing Control[J].Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2009，Vol（30）1，2：70-72.

[5]SU Tao，ZHONG Jun jie，ZHU Hanhua.Research on Marine Power Plant Maintenance Process of Virtual Technology[J].SHIP & OCEAN ENINEERING，2009，4.Vol（38）2，：72-75.