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

УДК 519.68:15:681.5

В. М. Гриняк1, М. В. Трофимов2

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: 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. 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;

1 © Виктор Михайлович Гриняк, зав. кафедрой информационных систем и прикладной информатики Института информатики, инноваций и бизнес-систем Владивостокского государственного университета экономики и сервиса, ул. Гоголя, 41, г Владивосток, Приморский край, 690014, Россия, E-mail: [email protected].

2 © Максим Валерьевич Трофимов, ассистент кафедры информационных систем и прикладной информатики Института информатики, инноваций и бизнес-систем Владивостокского государственного университета экономики и сервиса, ул. Гоголя, 41, г. Владивосток, Приморский край, 690014, Россия, E-mail: [email protected].

- 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, являются 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 -это 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: 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].

Частота выполнения этой последовательности (результатом которой является полученное из карты, РЛС-образа и меток целей конечное изображение, его-то 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.

РЛС 1 РЛС 2

\ ( \ /

Радар- процессор — ( \ г- Радар- процессор

\ ! \ (

Блок вторичной обработки Блок вторичной обработки

\ ( \ ( \ /

Визуализирующая оболочка

Рис. 1. Структурная схема системы 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, 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 антеннофидерными 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. 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, но 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.

- 1B -

Рис. 2. Участок акватории, прилегающей к порту Владивосток Формирование карты

Если, не теряя общности, иметь в виду систему радиолокационного наблюдения на море (рис. 2), 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

А = К , ау. К 1 = 1,Па

В = Ьy), 1 = 1,П!

С = К. , Су. К 1 = 1,П,

а а Ь Ь с с где х х у х - 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 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 Добычно применяется порогово-амплитудный принцип визуализации типа

если 1 1, то дискрет ij - отображается, где 1 - элемент матрицы

амплитуд отражённого эхо-сигнала, соответствующий i-му номеру линейки (дискрету по углу) и j-му дискрету по дальности * = 1 П“ , * 1 Пb ,

p

а 1 - 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 1) элемента

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

x(i, j) = cx - (j SJ3- sin(i • da) / m)

У(i, 1) = cy - (j •db • c°s(i •da)/ m)

cc

где x, y - координаты в переменной Radar точки, отождествляемой с

РЛС, da - величина дискрета по углу, db - величина дискрета по дальности, m - величина, характеризующая масштаб изображения.

Центральной проблемой при формировании РЛС-образа является воР

прос о назначении порогов визуализации ij , 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:

Pj= c

постоянный порог для всех i, j;

Pj = ah2 +b

адаптивный порог * 1 Коэффициенты а, Ь и с могут при этом выбираться оператором как вручную, так и настраиваться автоматически посредством реализации оптимизирующей процедуры

Эр(с)/пр) _ i Э2(u(с)/пр) < 0

Э(с / Cmax ) , Э(С / Cmax)2

(1)

- для постоянного порога

' ----1 ----V V > /----;

Э(Ь / bmax) ’ Э(Ъ / bmax)2

V V '------Р—= 1, ------V V '-------'■

Э(а / amax) Э(а / amax)2

(2)

- для адаптивного порога. Здесь Пь - число дискретов на выбранной

max max V т/ / max V V i/ / /

данном случае г , 1 . Предлагае-

. Предлагае-

мая 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 «кружка 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].

Результаты натурных экспериментов

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

Рис. 3. Изображение радиолокационного образа объекта и его метки

- 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 МГц;

- ЭВМ с процессором Athlon 2000.

Рисунок 4 демонстрирует одну из реализаций процедуры нахождения

порогов визуализации отражённого эхо-сигнала для случаев постоян-

ного (левая колонка) и адаптивного (правая колонка) порогов.

На рисунке 4а показаны значения амплитуд R отражённого эхо-сигнала 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)/ Пр

, д(и(с)/ Пр)

и =-------—

(рис. 4с) и сглаженным значениям производной д(с /(рис. 4e).

Аналогично на рис. 4Ь показаны амплитуды и рассчитанный для них согласно (2) адаптивный порог, соответствующий требуемым и(а Ь)/ Пр

, д(и(а,Ь)1 пв)

и =~д1-----

при Ъ=с (рис. 4d) и (а / ат**') (рис. 4e).

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.

Рис. 4. Результаты натурного эксперимента - 22 -

Заключение

Итак, 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.

1. Гриняк В.М., Девятисильный А.С., Дорожко В.М. Некоторые информационные аспекты создания систем управления движением на базе двухкоординатных радиолокаторов кругового обзора // Юбилейный сборник. К 30-ти летию ИАПУ ДВО РАН / Институт автоматики и процессов управления. - 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 эхо-сигнала // Информационные технологии. - 2002. - №3. - С. 42 - 49.

4. Девятисильный А.С., Дорожко В.М., Гриняк В.М. Информационнотехнологические 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 (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. М.: Изд. дом «Вильямс», 2001.