Алгоритм расчета адаптивного порога при визуализации информации в компьютеризированной радиолокационных станций кругового обзора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритм расчета адаптивного порога при визуализации информации в компьютеризированной РЛС кругового обзора

В.М. Гриняк, М.В. Трофимов,

В.Н. Малько, Б.С. Головченко

Статья посвящена проблеме графического отображения информации в системах наблюдения, образуемых на основе компьютеризированных двухкоординатных радиолокационных станций. Рассматривается ряд подходов к реализации такого отображения. Приводятся результаты исследования, подтверждающие конструктивность предлагаемых алгоритмов.

Algorithm to calculating adaptive threshold line for signal visualization in computerized radar system

V.M. Grinyak, M.V. Trofimov,

V.N. Malko, B.S. Golovchenko

The paper is devoted to graphics visualization problem for 2 dimensional radar systems. Some approaches to problem solution are discussed. Investigation results, which confirm practical usability of algorithms, are shown.

Введение

Радиолокационные системы наблюдения являются важнейшим объектом приложения достижений современных информационных технологий и играют значительную роль в обеспечении навигации движущихся объектов различного типа. Основными функциями таких систем являются сбор информации об объектах, находящихся в зоне ответственности и обеспечение внешнего регулирования движения в районах с его высокой интенсивностью.

Центральным звеном взаимодействия «объект-система» является оператор, который на основании поступающих к нему данных осуществляет контроль своего района ответственности с учётом правовых и технических норм. При этом действующие отечественные и международные правила регламентируют применение автоматизированных средств сбора, обработки и отображения анализируемой оператором информации. Пользовательский интерфейс этих средств должен обеспечивать, по крайней мере, две основные функции:

- отображение первичной измерительной информации;

- автоматическое сопровождение объектов с оцениванием и отображением параметров их движения (отображение меток целей).

В настоящей работе рассматривается подход к графическому представлению и визуализации данных, получаемых и обрабатываемых системами наблюдения, образуемых на основе двухкоординатных (2D) радиолокационных станций (РЛС) кругового обзора. Указанный подход был апробирован при разработке действующего макета цифровой 2D РЛС нового поколения.

Основные проблемные аспекты

В общем случае главной целью графического программного интерфейса системы наблюдения, образуемой на базе 2D РЛС, является формирование, последовательное наложение и отображение трёх растровых изображений:

- статического изображения карты и навигационных ориентиров;

- меняющегося по мере обзора радиолокационного образа, формируемого РЛС;

- меняющегося по мере обработки образа набора меток целей.

Формирование каждого из этих изображений имеет свои особенности. Так, изображение карты является фоновым и меняется только при изменении наблюдаемого оператором участка зоны ответственности и масштаба изображения. Следующий слой - изображение РЛС-образа - есть результат специального преобразования меняющейся во времени матрицы амплитуд отражённого эхо-сигнала. Частота его обновления определяется периодом обращения радара и требованиями к дружественности интерфейса. Наконец, изображение меток целей формируется по результатам вторичной обработки матрицы амплитуд и обновляется по мере эволюции координат наблюдаемых объектов. Смешивание этих трёх изображений состоит, в данном случае, в реализации известной последовательности операций, включающей в себя формирование в памяти ЭВМ текущих изображений карты, РЛС-образа и меток целей (HBitmap Map, Radar, Targets;), создание их масок и инвертирование переменных с объединением операцией and в нужном порядке [7].

Рисунок 1. Структурная схема системы наблюдения

Частота выполнения этой последовательности (результатом которой является полученное из карты, РЛС-образа и меток целей конечное изображение, которое и видит оператор) не должна быть меньше частоты обращения антенны радара; с другой стороны, она существенно ограничивается вычислительными ресурсами ЭВМ и/или пропускной способностью каналов передачи данных, что определяется конфигурацией системы радиолокационного наблюдения.

Рассматривая принципиальную схему такой системы (рисунок 1) сразу оговорим, что выделенные в ней составляющие вовсе не обязательно реализуются как отдельные блоки в аппаратной части или в программном обеспечении - приведённая схема просто представляет собой особый язык для представления уровня и способа обработки информации и их обсуждения. Источниками информации в системах наблюдения, рассматриваемых настоящей работой, являются сигналы, вырабатываемые антенно-фидерными устройствами РЛС и преобразуемые аналого-цифровыми схемами так называемых радар-процессоров. Результатом работы связки «РЛС - радар-процессор» является матрица амплитуд отражённого эхо-сигнала, которая, собственно, и является основным информационным базисом системы. Целью работы блока вторичной обработки является получение данных о навигационных характеристиках наблюдаемых объектов (координатах, скоростях и др.). Наконец, визуализирующая оболочка представляет собой, по сути, основное средство интерфейса «система-оператор». Если остановиться теперь только на функциях системы, относящихся к задаче визуализации (а именно этот контекст является основным в настоящей работе), то можно отметить, что формирование переменной Radar (изображения РЛС-образа) возможно начиная с уровня радар-процессора, формирование переменной Targets (изображения меток целей) - с блока вторичной обработки, а переменную Map (изображение карты) целесообразно формировать на самом последнем этапе. Такое естественное разделение оправдывает себя, когда аппаратная реализация системы наблюдения ориентирована на её работу в распределённом сетевом и/или многопроцессорном режиме [1].

Рассмотрим задачи создания самих переменных Map, Radar и Targets.

Рисунок 2. Участок акватории, прилегающей к порту Владивосток

Формирование карты

Если, не теряя общности, иметь в виду систему радиолокационного наблюдения на море, то фоновое изображение, отождествляемое с картой видимого участка зоны ответственности включает в себя: собственно адаптированное изображение береговой линии, изображения границ водных районов и фарватеров, изображения навигационных ориентиров и некоторую вспомогательную информацию. С учётом сказанного выше наиболее выгодным способом представления этих данных в системе является их векторизация в виде набора множеств

,

,

,

где , , , , , - относительные координаты узлов, по которым производится векторизация линий. Преимущество такого представления определяется сравнительно небольшим объёмом информации, описывающей даже достаточно сложную карту (например, для описания карты акватории порта Владивосток и прилегающей зоны залива Петра Великого - см. рис. 2 - потребовалось всего около 30 КБ данных), а отрисовка карты при таком представлении может эффективно производится стандартными функциями графического интерфейса операционной системы.

Формирование изображения РЛС-образа

При отображении измерительной информации, содержащейся в матрице амплитуд R обычно применяется порогово-амплитудный принцип визуализации типа если , то дискрет ij - отображается, где - элемент матрицы амплитуд отражённого эхо-сигнала, соответствующий i-му номеру линейки (дискрету по углу) и j-му дискрету по дальности , , а - соответствующее ij-му дискрету значение порога визуализации. Элементами, изображающими в переменной Radar тот или иной ij-дискрет, в зависимости от масштаба изображения могут выступать точки, четырёхугольники или окружности. Координаты , элемента изображения в переменной Radar связываются при этом со значениями i, j, например, следующими соотношениями:

,

,

где , - координаты в переменной Radar точки, отождествляемой с РЛС, - величина дискрета по углу, - величина дискрета по дальности, m - величина, характеризующая масштаб изображения.

Центральной проблемой при формировании РЛС-образа является вопрос о назначении порогов визуализации , являющийся, по сути, вопросом о выборе критерия выделения полезной составляющей радиолокационного эхо-сигнала на фоне помех. Задаваясь таким критерием, необходимо учитывать, что отражённый эхо-сигнал, поступающий на вход радар-процессора, представляет собой сложную композицию постоянных и случайных составляющих [3]: сигналов, отражаемых от наблюдаемого объекта; сигналов, отражаемых от подстилающей поверхности (моря); шумов, обусловленных атмосферными помехами; тепловых шумов высокочастотного тракта РЛС и шумов в электрических сетях. В настоящей работе, с учётом физически ориентированных представлений [5], рассматриваются

пороги визуализации двух видов:

- постоянный порог для всех i, j;

- адаптивный порог .

Коэффициенты a, b и c могут при этом выбираться как оператором вручную, так и настраиваться автоматически посредством реализации оптимизирующей процедуры

(1)

- для постоянного порога, и

(2)

радиолокационая станция графическое отображение

- для адаптивного порога. Здесь - число дискретов на выбранной линейке, u - число на этой линейке дискретов, для которых ; , , - максимальные возможные значения коэффициентов a, b и c, в данном случае , . Предлагаемая процедура позволяет находить значения визуализирующих коэффициентов a, b, c достаточно быстро и эффективно.

Рисунок 3. Изображение радиолокационного образа объекта и его метки.

Формирование изображения меток целей

В качестве визуальной метки сопровождаемой цели в системах радиолокационного наблюдения на море обычно используется изображение «кружка со стрелкой» (рисунок 3), где центр круга характеризует оцененные координаты наблюдаемого объекта, а стрелка - его скорость и направление движения. Одновременно с меткой цели на монитор могут выводиться также дополнительные навигационные характеристики объекта и служебная информация, например, результат решения задачи прогнозирования опасных ситуаций при коллективном движении [2, 4, 6].

Результаты натурных экспериментов

Рассмотренный в статье подход к интерпретации и визуализации навигационных данных был реализован в действующем макете компьютеризированной РЛС, имеющем следующие технические характеристики:

- ширина диаграммы направленности антенны РЛС 1.5^о по азимуту и 35^о по высоте;

- период обращения антенны РЛС 2.5 секунд;

- длина зондирующего импульса 50 метров;

- частота следования посылок 820 Гц;

- число посылок на оборот 2048;

- частота дискретизации АЦП до 50 МГц;

- ЭВМ с процессором Athlon 2000.

Рисунок 4 иллюстрирует одну из реализаций процедуры нахождения порогов визуализации отражённого эхо-сигнала для случаев постоянного (левая колонка) и адаптивного (правая колонка) порогов.

На рис. 4а показаны значения амплитуд R отражённого эхо-сигнала на выбранной линейке в зависимости от номера дискрета по дальности j (сплошная линия) и рассчитанный согласно (1) постоянный порог (точки), соответствующий нужным значениям величины (рисунок 4с) и сглаженным значениям производной (рисунок 4e). Аналогично, на рис. 4b показаны амплитуды и рассчитанный для них согласно (2) адаптивный порог, соответствующий требуемым при b=c (рисунок 4d) и (рисунок 4e).

Рисунок 4. Результаты натурного эксперимента

Видно, что предлагаемый способ для автоматизированного назначения порогов визуализации позволяет достаточно корректно выделять на фоне помех как удалённые (цель 2), так и близко лежащие (с помощью адаптивного порога, цель 1) цели. В целом, как свидетельствует наработанная практика, рассмотренный в настоящей работе подход к решению проблемы визуализации навигационных измерений вполне удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к дружественности и эргономичности пользовательского интерфейса.

Заключение

В заключение сформулируем основные результаты статьи. Рассмотрен принцип построения отображаемого образа пространства обзора двухкоординатной РЛС, связанный со смешиванием изображений карты, РЛС-образа и меток целей; обсуждается механизм формирования этих изображений с ориентацией на работу системы в распределённом сетевом или многопроцессорном режиме; предлагается подход к автоматизированной реализации порогово-амплитудного принципа визуализации РЛС-образа; приводятся некоторые экспериментальные данные, иллюстрирующие конструктивность предлагаемых моделей и алгоритмов. Работа ориентирована на расширение применения достижений современных информационных технологий при разработке и создании систем радиолокационного наблюдения нового поколения.

Список литературы

1. Гриняк В.М., Девятисильный А.С., Дорожко В.М. Некоторые информационные аспекты создания систем управления движением на базе двухкоординатных радиолокаторов кругового обзора // Институт автоматики и процессов управления. Юбилейный сборник. К 30-ти летию ИАПУ ДВО РАН. Владивосток. 2001.

2. Гриняк В.М, Дорожко В.М., Лоскутов Н.В., Кириченко О.В. Модели обеспечения безопасности на морских акваториях в условиях высокой интенсивности движения // НТИ. Сер. 2. Информ. процессы и системы. 2004. №9.

3. Девятисильный А.С., Дорожко В.М., Гриняк В.М. Технология компьютерного моделирования радиолокационного эхосигнала // Информационные технологии. 2002. №3. с. 42-49.

4. Девятисильный А.С., Дорожко В.М., Гриняк В.М. Информационно-технологические аспекты обеспечения безопасности движения на морских акваториях // НТИ. Сер. 2. Информ. процессы и системы. 2003. №7.

5. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. М.: Радио и связь. 1992.

6. Транзас представляет современный модуль трехмерной визуализации обстановки в зоне действия системы обзора акватории (3D СУДС) [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.transas.ru/SiteNews/ShowNews/view.aspx?RecordID=17455.

7. Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. М.: Изд. дом "Вильямс". 2001.

Размещено на Allbest.ru