机载雷达三维运动场景显示方法技术

本发明专利技术涉及一种机载雷达三维运动场景显示方法，主要解决现有三维运动场景显示设备存在的问题。其方法是：首先构造数字高程模型，再构造天空模型并旋转；对接收的雷达回波数据进行滤波后填充到数字高程模型中；计算数字高程模型中非参考平面点的坡度并根据坡度并完成地面纹理映射；对连通性判别后识别的点目标和线目标进行重构并绘制三维场景的水平侧视图和垂直俯视图；接收飞机状态信息并根据状态信息在三维场景中叠加数字仪表；随飞机运动重新获取雷达回波数据并对显示画面实时更新，完成三维运动场景的动态显示。本发明专利技术能真实的还原飞机前方障碍物信息，显示效果逼真，可用于高分辨率机载雷达。

【技术实现步骤摘要】
机载雷达三维运动场景显示方法
本专利技术属于雷达显示领域，特别是一种根据雷达回波数据空间坐标完成三维运动场景显示的方法，可用于高分辨率机载雷达。
技术介绍
机载雷达三维运动场景显示方法，可以完成飞机前方雷达扫描范围内地形地貌的实时重构和显示，为飞行员提供直观的障碍物信息，保障飞机飞行安全，同时能够完成一定区域的地形测绘。随着计算机显示技术的发展，基于计算机显示技术的三维场景重构技术已广泛应用于游戏、虚拟现实等方面，但由于雷达技术的限制，传统的机载雷达天线扫描速度和分辨率较低，无法对飞机前方地形地貌进行有效的探测、扫描和显示。随着现代雷达技术的发展，机载雷达扫描速度和分辨率也不断提高，出现了一些具备高分辨率能力的机载雷达，如合成孔径雷达等，该类型雷达能在短时间完成飞机前方一定范围内的障碍物的空间立体扫描，回波由接收天线接收经数字信号处理算法处理，得到一组飞机前方障碍物空间立体分布数据，经三维场景显示重构技术处理后形成一帧三维场景显示画面进行显示。该三维场景显示画面随飞机运动姿态不断刷新变化，最终完成三维运动场景的动态显示。现有的机载雷达显示方法显示画面多为二维，无法直观的反应飞机前方地形地貌的高度信息，威胁飞机飞行安全，也无法完成地形地貌的测绘。部分机载雷达显示方法虽具备三维显示能力，但为减少显示设备尺寸和重量，保障显示画面的实时性，普遍存在四方面的缺点：一是没有图形硬件，无法对三维显示画面进行硬件加速；二是采用不同高程地形单调着色方式进行渲染，渲染立体效果较弱；三是没有三维天空模型或通过将显示背景清除色设置为蓝色来简单模拟天空，该显示方法无法模拟现实天气变化，真实性较差；四是无法在三维运动场景中有效区分地形数据和点目标或线目标等数据，也不能对点目标和线目标进行模型重构和防撞告警，如对铁塔、电力线等均不能进行模型重构和防撞告警。因此如何解决机载雷达显示方法三维运动场景显示问题是高分辨率机载雷达设计过程中急需解决的一个重要问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种机载雷达三维运动场景显示方法，以通过对雷达回波数据的处理，生成逼真三维运动场景，同时模拟现实天气变化，对场景中的点目标和线目标进行模型重构和显示告警。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：1)根据机载雷达天线的扫描角度步进、扫描角度范围和雷达最大探测距离构建三维场景数字高程模型，初始化雷达回波数据并生成参考平面；2)根据雷达最大探测距离构建三维天空模型并覆盖参考平面，通过旋转模拟天空；3)接收雷达回波数据,并通过连通性判别识别出其中的地形数据、点目标数据和线目标数据，对地形数据进行平滑处理，并分离出地形数据中的非参考平面点，再用这些非参考平面点对三维场景数字高程模型中对应点的高程数据进行填充；4)计算三维场景数字高程模型中每个非参考平面点的坡度，并根据坡度设置该点的颜色材料属性值，利用该颜色材料属性值和地面纹理贴图完成三维场景数字高程模型的地面纹理映射，生成有明暗变化的三维地形画面；5)根据点目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建点目标模型，根据线目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建线目标模型，分别以字符形式指示点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，提示飞行员进行规避；6)将三维地形画面上的点按照与飞机水平距离由近及远划分为9个区域并分别着色后，绘制在三维场景数字高程模型的水平侧视图和垂直俯视图中，以不同角度显示地形数据、点目标数据和线目标数据的空间分布状况；7)接收飞机状态数据，根据状态数据绘制二维数字仪表，并将该数字仪表与三维地形画面、点目标模型、线目标模型、水平侧视图和垂直俯视图进行叠加显示，直观的向飞行员显示飞机的飞行状态；8)重复步骤3)～步骤7)，随飞机运动实时更新显示画面，完成三维运动场景显示。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术通过利用三维场景数字高程模型中点的颜色材料属性值和地面纹理贴图完成地面纹理映射，能够在三维场景中不添加光照的情况下，生成具有明暗变化的三维地形画面，达到增强场景显示效果的目的；2.本专利技术由于在三维场景中构建了三维天空模型，相对于没有三维天空模型的三维运动场景显示方法，能够通过加载不同的天空纹理映射来模拟现实天气变化，显著增强场景真实感；3.本专利技术由于具有点目标数据和线目标数据重构功能，能够接收经连通性判别后识别的点目标数据和线目标数据，故可在三维运动场景中叠加显示对应点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，保障飞机飞行安全。试验表明，本专利技术具有良好的三维运动场景显示效果。附图说明图1为本专利技术的使用场景图；图2为本专利技术的三维天空模型示意图；图3为本专利技术的实现流程图。具体实施方式参照图3，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，构建数字高程模型并初始化。如图1所示，飞机在飞行过程中，机载雷达通过天线对飞机前方一定范围进行空间立体扫描，同时机载雷达产生的电磁脉冲经天线辐射出去，当遇到山体、电力线或铁塔等障碍物后反射回去并被天线接收，经过机载雷达前端采样量化后得到雷达回波数据，再通过连通性判别等处理后得到地形数据、点目标数据和线目标数据。为了能够直观、真实的反应地形数据在三维场景中的空间分布状况，需要在空间直角坐标系中构建数字高程模型并初始化；为了简化数字高程模型的渲染，有效区分机载雷达天线扫描波束覆盖范围内的水平面和山体，需同时在空间直角坐标系中生成参考平面来模拟水平面，其实现步骤如下：1.1)根据天线扫描角度范围[θ1，θ2]、天线扫描步进Δθ和雷达最大探测距离为S，按照极坐标方式将机载雷达天线扫描波束覆盖范围分为m行、n列个网格点数据，其中n为同一天线步进雷达回波数据采样量化个数，每一个网格点数据均包含空间坐标、纹理坐标和颜色材料属性；1.2)假设该网格点数据中第i行、第j列点的空间坐标为(xij，yij，zij)，纹理坐标为(uij，vij)，颜色材料属性值为(rij，gij，bij)，其中rij为红色分量值，gij为绿色分量值，bij为红色分量值，对yij、rij、gij和bij均初始化赋值为0，且xij、zij、uij和vij满足以下公式：其中i满足0≤i≤m，j满足0≤j≤n；1.3)在三维运动场景中，以水平向右方向为X轴正方向，垂直向上方向为Y轴正方向建立标准空间直角坐标系，将每个网格点数据按照该点的空间坐标映射到坐标系中，并将每个网格用四边形进行覆盖，形成三维场景数字高程模型；1.4)在空间直角坐标系中，以坐标系原点为中心点在X-Z平面位置添加边长为S的正方形面，并对正方形面进行草地纹理贴图映射，生成机载雷达天线扫描波束覆盖范围内的水平面。步骤2，构建天空模型并旋转。为了能够在三维场景中模拟现实天气和云层流动，同时不过度增加三维场景复杂度，需要在空间直角坐标系中构建合适的天空模型并覆盖在数字高程模型上方。通过对天空模型加载不同天空纹理贴图来模拟现实天气，通过天空模型旋转来模拟云层流动，其实现步骤如下：2.1)参照图2，将与参考平面大小相同的正方形均匀分为N行、N列个网格点数据，其中N为奇数；2.2)假设该网格点数据中第c行、第d列点的空间坐标为(xcd，ycd，zcd)，其中c满足0≤c≤N，d满足0≤d≤N，xcd和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机载雷达三维运动场景显示方法，包括：1)根据机载雷达天线的扫描角度步进、扫描角度范围和雷达最大探测距离构建三维场景数字高程模型，初始化雷达回波数据并生成参考平面；2)根据雷达最大探测距离构建三维天空模型并覆盖参考平面，通过旋转模拟天空；3)接收雷达回波数据,并通过连通性判别识别出其中的地形数据、点目标数据和线目标数据，对地形数据进行平滑处理，并分离出地形数据中的非参考平面点，再用这些非参考平面点对三维场景数字高程模型中对应点的高程数据进行填充；4)计算三维场景数字高程模型中每个非参考平面点的坡度，并根据坡度设置该点的颜色材料属性值，利用该颜色材料属性值和地面纹理贴图完成三维场景数字高程模型的地面纹理映射，生成有明暗变化的三维地形画面；5)根据点目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建点目标模型，根据线目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建线目标模型，分别以字符形式指示点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，提示飞行员进行规避；6)将三维地形画面上的点按照与飞机水平距离由近及远划分为9个区域并分别着色后，绘制在三维场景数字高程模型的水平侧视图和垂直俯视图中，以不同角度显示地形数据、点目标数据和线目标数据的空间分布状况；7)接收飞机状态数据，根据状态数据绘制二维数字仪表，并将该数字仪表与三维地形画面、点目标模型、线目标模型、水平侧视图和垂直俯视图进行叠加显示，直观的向飞行员显示飞机的飞行状态；8)重复步骤3)～步骤7)，随飞机运动实时更新显示画面，完成三维运动场景显示。...

【技术特征摘要】
1.一种机载雷达三维运动场景显示方法，包括：1)根据机载雷达天线的扫描角度步进、扫描角度范围和雷达最大探测距离构建三维场景数字高程模型，初始化雷达回波数据并生成参考平面；2)根据雷达最大探测距离构建三维天空模型并覆盖参考平面，通过旋转模拟天空；3)接收雷达回波数据,并通过连通性判别识别出其中的地形数据、点目标数据和线目标数据，对地形数据进行平滑处理，并分离出地形数据中的非参考平面点，再用这些非参考平面点对三维场景数字高程模型中对应点的高程数据进行填充；4)计算三维场景数字高程模型中每个非参考平面点的坡度，并根据坡度设置该点的颜色材料属性值，利用该颜色材料属性值和地面纹理贴图完成三维场景数字高程模型的地面纹理映射，生成有明暗变化的三维地形画面；5)根据点目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建点目标模型，根据线目标数据在三维场景数字高程模型中的对应点重建线目标模型，分别以字符形式指示点目标模型和线目标模型的方位角度和距离信息并进行告警，提示飞行员进行规避；6)将三维地形画面上的点按照与飞机水平距离由近及远划分为9个区域并分别着色后，绘制在三维场景数字高程模型的水平侧视图和垂直俯视图中，以不同角度显示地形数据、点目标数据和线目标数据的空间分布状况；7)接收飞机状态数据，根据状态数据绘制二维数字仪表，并将该数字仪表与三维地形画面、点目标模型、线目标模型、水平侧视图和垂直俯视图进行叠加显示，直观的向飞行员显示飞机的飞行状态；8)重复步骤3)～步骤7)，随飞机运动实时更新显示画面，完成三维运动场景显示。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)中构建三维场景数字高程模型，按照如下步骤进行：1a)根据天线扫描角度范围[θ1，θ2]、天线扫描步进Δθ和雷达最大探测距离为S，按照极坐标方式将机载雷达天线扫描波束覆盖范围分为m行、n列个网格点数据，其中n为同一天线步进雷达回波数据采样量化个数，每一个网格点数据均包含空间坐标、纹理坐标和颜色材料属性；1b)假设该网格点数据中第i行、第j列点的空间坐标为(xij，yij，zij)，纹理坐标为(uij，vij)，颜色材料属性为(rij，gij，bij)，其中rij为红色分量值，gij为绿色分量值，bij为红色分量值，对yij、rij、gij和bij均初始化赋值为0，且xij、zij、uij和vij满足以下公式：1其中i满足0≤i≤m，j满足0≤j≤n。1c)在三维运动场景中，以水平向右方向为X轴正方向，垂直向上方向为Y轴正方向建立标准空间直角坐标系，将每个网格点数据按照该点的空间坐标映射到坐标系中，并将每个网格用四边形进行覆盖，形成三维场景数字高程模型。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)中生成参考平面，是在空间直角坐标系中，以坐标系原点为中心点在X-Z平面位置添加边长为S的正方形面，并对正方形面进行草地纹理贴图映射，生成机载雷达天线扫描波束覆盖范围内的水平面。4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中构建三维天空模型，按照如下步骤进行：2a)将X-Z平面边长为S的正方形均匀分为N行、N列个网格点数据，其中N为奇数；2b)假设该网格点数据中第c行、第d列点的空间坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：石晨方，李勇，姜文博，孟武亮，蔺勇，王震，姜东林，王香菊，李琼，
申请(专利权)人：陕西长岭电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61