【摘要】：在航海教育培訓(xùn)實(shí)踐中,雷達(dá)模擬器較之真雷達(dá)設(shè)備更具靈活性且成本更低,因而被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)操作使用訓(xùn)練。目前國(guó)內(nèi)的雷達(dá)模擬器主要采用以二維岸線(或等高線)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的掃描線求交算法生成雷達(dá)圖像,導(dǎo)致生成的回波圖像目標(biāo)遮擋關(guān)系不明確,真實(shí)感不高,訓(xùn)練效果受影響。為解決上述問(wèn)題,本文開(kāi)展了以三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源的雷達(dá)圖像生成方法研究,論文的主要研究工作如下:1.通過(guò)對(duì)比雷達(dá)工作過(guò)程和三維場(chǎng)景繪制過(guò)程,發(fā)現(xiàn)兩者有諸多相似之處,也存在一些明顯的差異,在此基礎(chǔ)上提出了利用場(chǎng)景繪制技術(shù)生成仿真雷達(dá)圖像的方法。該方法采用透視投影繪制三維場(chǎng)景,實(shí)際上是利用了圖形處理器內(nèi)置的z-Buffer算法解決目標(biāo)遮擋判斷問(wèn)題,繪制過(guò)程中利用可編程圖形處理器在著色器程序中計(jì)算雷達(dá)探測(cè)距離和回波強(qiáng)度,計(jì)算結(jié)果保存在幀緩存內(nèi),再?gòu)膸彺孀x取距離和回波強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為雷達(dá)徑向掃描線進(jìn)而生成仿真雷達(dá)圖像。針對(duì)透視投影foreshortening現(xiàn)象造成的遠(yuǎn)距離低平目標(biāo)回波圖像斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了分析,提出了一些針對(duì)性的緩解措施,同時(shí)也分析了一次繪制生成多條掃描線帶來(lái)的方位映射誤差。2.分析了徑向掃描線從極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)掃描變換過(guò)程中出現(xiàn)的死點(diǎn)和盲點(diǎn)現(xiàn)象,提出了利用紋理映射實(shí)現(xiàn)掃描變換的方法,該方法不再將徑向掃描線直接映射到屏幕上,而是存儲(chǔ)于矩形紋理圖像中,將圓形雷達(dá)顯示區(qū)域劃分為若干小扇形,再將紋理圖像映射到小扇形上形成雷達(dá)圖像。紋理映射方法將掃描變換過(guò)程與圖形繪制過(guò)程結(jié)合在一起,實(shí)際上由GPU來(lái)完成掃描變換過(guò)程,簡(jiǎn)單高效,且很好地克服了掃描變換過(guò)程中的死點(diǎn)和盲點(diǎn)現(xiàn)象。3.為尋求合理的仿真雷達(dá)圖像回波強(qiáng)度算法,分析了孤立目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)的雷達(dá)方程,確定了適用于雷達(dá)圖像仿真的雷達(dá)方程,提出了基于雷達(dá)方程的回波強(qiáng)度算法。采用sinx/x天線方向圖函數(shù)分析雷達(dá)天線的方向性,提出了雷達(dá)波垂直方向衰減算法,提出通過(guò)操作紋理圖像像素來(lái)實(shí)現(xiàn)回波的橫向擴(kuò)展和徑向擴(kuò)展以及旁瓣回波。根據(jù)ITU的建議標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算雷達(dá)波的大氣吸收損耗、降雨損耗和云霧損耗,并提出了基于GPU的雷達(dá)波傳播衰減實(shí)現(xiàn)方法。采用Y常數(shù)模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算目標(biāo)的后向散射系數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)表明,擴(kuò)展后的回波真實(shí)感進(jìn)一步提升,回波強(qiáng)度符合雷達(dá)波基本特性,能夠較好地模擬增益調(diào)節(jié)效果。4.闡述了創(chuàng)建地形、港口設(shè)施和助航標(biāo)志和船舶等三維雷達(dá)數(shù)據(jù)的基本方法,利用創(chuàng)建的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明場(chǎng)景繪制方法能夠在3 s左右生成360°圓周掃描雷達(dá)圖像,滿足實(shí)時(shí)性要求,圖像能夠反映不同尺寸、不同航向船舶回波的變化。利用場(chǎng)景繪制方法生成的仿真雷達(dá)圖像遮擋判斷明確,回波強(qiáng)度合理,真實(shí)感更高,為雷達(dá)使用訓(xùn)練提供了更好的基礎(chǔ)條件。
【圖文】：

模擬器主要有航海模擬器、ＧＭＤＳＳ模擬器、機(jī)艙模擬器、貨物操作模逡逑擬器等。Ｔｒａｎｓａｓ邋航海模擬器最新型號(hào)為邋Ｎａｖｉ－Ｔｒａｉｎｅｒ邋Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ邋５０００邋（ＮＴＰＲＯ逡逑５０００），仿真雷達(dá)圖像見(jiàn)圖１．２。逡逑ｎｎ逡逑ａ．大增益邐ｂ．小增益逡逑圖１．２船商ＮＴＰＲ０５０００模擬器的仿真雷達(dá)圖像逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｒａｄａｒ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋Ｔｒａｎｓａｓ邋ＮＴＰＲＯ邋５０００邋ｓｉｍｕｌａｔｏｒ逡逑Ｔｒａｎｓａｓ邋ＮＴＰＲＯ－５０００的雷達(dá)圖像生成算法實(shí)現(xiàn)了以下功能：逡逑？幾何體和他們的相互位置；逡逑？材質(zhì)反射特性；逡逑？邋３Ｄ波浪；逡逑？天線三維運(yùn)動(dòng)；逡逑？地球曲率；逡逑－７邋－逡逑

另一家德國(guó)軍工企業(yè)Ｒｈｅｉｎｍｅｔａｌｌ邋Ｄｅｆｅｎｓｅ于２００３年收購(gòu)了該公司并開(kāi)始生產(chǎn)航海逡逑模擬器，，最新的模擬器型號(hào)為Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｎａｕｔｉｃａｌ邋Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ邋６０００邋（ＡＮＳ６０００），仿真逡逑雷達(dá)圖像見(jiàn)圖１．３，圖１．３ａ是疊加了電子海圖的仿真雷達(dá)圖像，從與電子海圖的逡逑對(duì)比可看出雷達(dá)圖像具有較好的遮擋判斷效果。逡逑＾邐ＮＵｒ邐挪丨丨丨邋ＨＭＩＧｔ邋（ＳＮＭ逡逑ｉｒ邐ｍ邋％邋：三邋ｉ廣邐＾逡逑＿邋＿逡逑ｋｉ邋－？１邋“洲邐．： 一0ａ邋＜＊＊邋？邐■＇＊邐Ｌ－，邋ｕ邋Ｕ．邋０？．邋ｉｖｕ＿ｖｉｅ＿逡逑ａ．疊加電子海圖邐ｂ．偏心顯示逡逑圖１．３萊茵金屬ＡＮＳ６０００模擬器的仿真雷達(dá)圖像逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｒａｄａｒ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋Ｒｈｅｉｎｍｅｔａｌｌ邋ＡＮＳ６０００邋ｓｉｍｕｌａｔｏｒ逡逑２０世紀(jì)９０年代以前，國(guó)內(nèi)的航海模擬器市場(chǎng)主要由國(guó)外模擬器產(chǎn)品所占據(jù)，逡逑—套模擬器動(dòng)則幾百萬(wàn)美元甚至上千萬(wàn)美元，９０年代起我國(guó)的航海院校開(kāi)始自主逡逑研制雷達(dá)模擬器和航海模擬器，打破了國(guó)外產(chǎn)品的壟斷地位，使得國(guó)內(nèi)航海院校逡逑能以低廉的價(jià)格大量裝備模擬器用于教學(xué)，如今國(guó)產(chǎn)模擬器的市場(chǎng)份額已經(jīng)占據(jù)逡逑絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位。目前
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN957.52

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本文編號(hào)：2589427