Визуализация информации в радиолокационных системах наблюдения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 519.68:15:681.5

Гриняк Виктор Михайлович, Трофимов Максим Валерьевич

Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Владивосток, Россия

Визуализация информации в радиолокационных системах наблюдения

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.

Ключевые слова и словосочетания: двухкоординатный радар, обработка изображений, визуализация информации, изображение карт, отображение меток целей.

Введение

Радиолокационные системы наблюдения являются важнейшим объектом приложения достижений современных информационных технологий и играют значительную роль в обеспечении навигации движущихся объектов различного типа. К основным функциям таких систем относят 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 (2Б) 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 эхосигнала. 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 операций и в нужном порядке [7].

РЛС 1 РЛС 2

\ f N (

Радар- процессор — ( \ |- Радар- процессор

\ ( N {

Блок вторичной обработки Блок вторичной обработки

\ f \ ( N (

Визуализирующая оболочка

Рис. 1. Структурная схема системы наблюдения

С одной стороны, частота выполнения приведенной последовательности (ее результатом является полученное из карты, РЛС-образа и меток целей конечное изображение, которое видит оператор) не должна быть

меньше частоты обращения антенны радара; с другой - она существенно ограничивается вычислительными ресурсами ЭВМ и/или пропускной способностью каналов передачи данных, что определяется конфигурацией системы радиолокационного наблюдения.

Рассматривая принципиальную схему такой системы (рис. 1) сразу оговорим, что выделенные в ней составляющие вовсе не обязательно реализуются как отдельные блоки в аппаратной части или в программном обеспечении - данная схема просто являет собой особый язык для представления уровня и способа обработки информации и их обсуждения. Источниками информации в системах наблюдения, рассматриваемых настоящей работой, выступают сигналы, вырабатываемые антеннофидерными устройствами РЛС и преобразуемые аналого-цифровыми схемами так называемых радар-процессоров. Результат работы связки «РЛС - радар-процессор» - матрица амплитуд отражённого эхосигнала, которая, собственно, и является основным информационным базисом системы. Цель работы блока вторичной обработки состоит в получении 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.

. *

Рис. 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, изображение границ водных районов и фарватеров, изображение навигационных ориентиров и некоторую вспомогательную информацию. С учётом сказанного выше наиболее выгодным способом представления этих данных в системе считается их векторизация в виде набора множеств:

А = К , ау1 } 1 = ^, Па ,

B = {bx, byt Ь i = 1,nb,

C = {c* , cyt } i = 1,nc,

a a b b c c где Xi, yi, Xi, yi, Xi, yi - относительные координаты узлов, по кото-

рым 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 (рис. 2) потребовалось всего около 30 КБ данных), а отрисовка карты при таком представлении может эффективно производиться 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 R > , то дискрет ij - отображается,

где Rj - элемент матрицы амплитуд отражённого эхо-сигнала, соответствующий i-му номеру линейки (дискрету по углу) и j-му дискрету по дальности i = 1, na , i = 1, nb ,

Pj - 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 x(i, j), y(i, j) элемента

изображения в переменной Radar связываются при этом со значениями i, j, например, следующими соотношениями:

x(i, j) = cx - (j • 8ft • sin(i • da) / m),

У (h j) = cy - ( j • db •cos(i • da) / m), где cx, cy - координаты в переменной Radar точки, отождествляемой с РЛС,

да - величина дискрета по углу,

8/ - величина дискрета по дальности, т -величина, характеризующая масштаб изображения.

Центральной проблемой при формировании РЛС-образа является вопрос о назначении порогов визуализации р^, являющийся, по сути, вопросом о выборе критерия выделения полезной составляющей радиолокационного эхо-сигнала на фоне помех. Задаваясь таким критерием, необходимо учитывать, что отражённый эхосигнал, поступающий на вход радар-процессора, представляет собой сложную композицию постоянных и случайных составляющих: 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 [3].

В настоящей работе с учётом физически ориентированных представлений [5] рассматриваются пороги визуализации двух видов:

1) постоянный порог р^ = с для всех 1, _];

2) адаптивный порог рц = а/12 + Ь .

Коэффициенты а, Ь и с могут при этом выбираться как оператором вручную, так и настраиваться автоматически посредством реализации оптимизирующей процедуры:

для постоянного порога

Э(и(с)/Пр) Э 2(и(с)/Пр)

^ / л м і V <0 (1)

Э(С / Стах ) Э(С / Стах )

для адаптивного порога

Э(и(а, Ь)/ Пр) Э 2(и(а, Ь)/ Пр)

Э(Ъ / Ьтах) = 1 Э(Ь / Ьтах)2 < 0 (2)

Э(и(а, Ь)/ Пр) Э 2(и(а, Ь)/ Пр)

Э(а / атах) ^ Э(а / атах)2 < 0.

Здесь Пр - число дискретов на выбранной линейке,

и - число на этой линейке дискретов, для которых Ку < ру, атах, Ьтах, с - максимальные возможные значения коэффици-

тах 1 тах 1 тах а а

ентов а, Ь и с, в данном случае Ьтах = стах = тахК) ,

і -1

атах = тах((Ку - Ь) • і2).

г ■)

Предлагаемая процедура позволяет находить значения визуализирующих коэффициентов а, Ь, с достаточно быстро и эффективно.

Формирование изображения меток целей

В качестве визуальной метки сопровождаемой цели в системах радиолокационного наблюдения на море обычно используется изображение «круга со стрелкой» (рис. 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].

Рис. 3. Изображение радиолокационного образа объекта и его метки 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 1.5о по азимуту и 35о по высоте;

- период обращения антенны РЛС 2.5 секунд;

- длина зондирующего импульса 50 метров;

- частота следования посылок 820 Г ц;

- число посылок на оборот 2048;

- частота дискретизации АЦП до 50 МГ ц;

- ЭВМ с процессором АШоп 2000.

Рисунок 4 иллюстрирует одну из реализаций процедуры нахождения порогов визуализации отражённого эхосигнала р^ для случаев постоянного (левая колонка) и адаптивного (правая колонка) порогов.

На рисунке 4а показаны значения амплитуд Я отражённого эхосигна-ла на выбранной линейке в зависимости от номера дискрета по дальности ] (сплошная линия) и рассчитанный согласно (1) постоянный порог (точки), соответствующий нужным значениям величины и (с)/ П/ (рис. 4с) и

й , Э(м(с)/ пр) н

сглаженным значениям производной и =-------------------— (рис. 4е). На рисун-

Э(с / Стах )

ке 4Ь показаны амплитуды и рассчитанный для них согласно (2) адаптивный порог, соответствующий требуемым и(а, Ь)/ п^ при Ь=; (рис. 4d) и

и = Э(и(а,Ь)/ п„) (рис. 4e).

Э(а / amax)

Рис. 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 полученные результаты. Рассмотрен принцип построения отображаемого образа пространства обзора двухкоординатной РЛС, связанный со смешиванием изображений карты, РЛС-образа и меток целей; обсужден механизм формирования этих изображений с ориентацией на работу системы в распределённом сетевом или многопроцессорном режиме; предложен подход к автоматизированной реализации порогово-амплитудного принципа визуализации РЛС-образа; приведены некоторые экспериментальные данные, иллюстри-

рующие конструктивность предлагаемых моделей и алгоритмов. Работа ориентирована на расширение применения достижений современных информационных технологий при разработке и создании систем радиолокационного наблюдения нового поколения.

1. Гриняк В.М. Алгоритм расчета адаптивного порога при визуализации информации в компьютеризированной РЛС кругового обзора / В.М. Гриняк, М.В. Трофимов, В.Н. Малько, Б.С. Головченко // Естественные и технические науки. - 2012. - №1. - С. 346 - 352.

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

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

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

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

6. Транзас представляет современный модуль трехмерной визуализации обстановки в зоне действия системы обзора акватории (3Б 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 / Э. Эйнджел. - М.: Изд. дом «Вильямс», 2001.