基于光柵掃描的雷達(dá)P顯余輝的一種實(shí)現(xiàn)方法

謝永亮,席澤敏,毛德廣,戴 路

(海軍工程大學(xué),武漢 430033)

0 引 言

傳統(tǒng)雷達(dá)P顯的目標(biāo)回波信號是借助顯示器內(nèi)部熒光材料的余輝效應(yīng),通過電子束掃描線圓周掃過屏幕留下的逐漸消隱的余輝來判斷目標(biāo)。

但光柵顯示器無法自動產(chǎn)生隨機(jī)掃描中熒光粉的余輝效應(yīng),因此必須人為地模擬掃描線的余輝效應(yīng)。

在建立雷達(dá)虛擬操作系統(tǒng)或維修訓(xùn)練系統(tǒng)時,顯示器的仿真效果直接影響模擬器的訓(xùn)練效果。

目前基于光柵掃描的余輝仿真的方法主要有畫線法、固定扇掃法、逐點(diǎn)消隱法。前兩者圖像會出現(xiàn)輻射狀花紋及掃描速率不穩(wěn)定的現(xiàn)象,后者應(yīng)用較多,效果也明顯強(qiáng)于前者。

本文在逐點(diǎn)消隱法的基礎(chǔ)上提出了亮度比較法,在光柵顯示器上得到了余輝效果逼真、畫面流暢的仿真圖形。

1 P型顯示器特性及余輝仿真的方法

P型顯示器,有時也稱為平面型顯示器或環(huán)視顯示器,是雷達(dá)裝備常用的顯示器之一。它顯示目標(biāo)的斜距離和方位2個坐標(biāo),是極坐標(biāo)形式的二度空間顯示器。它用平面上的亮點(diǎn)位置來表示目標(biāo)坐標(biāo),屬于亮度調(diào)制顯示器。P顯熒光屏中心代表雷達(dá)站位置,距離掃描線隨著天線的方位掃描在畫面上同步轉(zhuǎn)動。目標(biāo)呈現(xiàn)為一段亮弧,其斜距離表示為亮弧與掃描起點(diǎn)的徑向間隔,方位取決于亮弧中心在屏上的方向。

P型顯示器進(jìn)行工作時,主要分為3個過程:上電過程、掃描過程和斷電過程。在這3個過程中都存在有亮度的變化:上電過程有掃描線漸亮的過程,掃描過程有移動的余輝現(xiàn)象,斷電過程有掃描線漸暗的余輝過程。對余輝等級的逼真模擬是雷達(dá)模擬器研制過程中需要解決的首要問題。

在仿真系統(tǒng)中,顯示器件及其掃描方式的選擇決定了仿真的方法。按照所使用的顯示器的不同,雷達(dá)顯示系統(tǒng)的仿真方法可分為兩大類:一類是硬模擬,以實(shí)際雷達(dá)所使用的示波管為終端來實(shí)現(xiàn)顯示仿真;另一類是軟模擬,以光柵顯示器為終端來實(shí)現(xiàn)顯示仿真。

硬件實(shí)現(xiàn)法一般采用單片機(jī)或工控機(jī)作為仿真運(yùn)算單元(如圖1),由于管頭的使用,硬模擬實(shí)現(xiàn)隨機(jī)掃描顯示。該類仿真器具有原理簡單、余輝效果逼真、輝亮調(diào)節(jié)容易等特點(diǎn);主要缺點(diǎn)是仿真器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,硬件成本較高,維護(hù)要求也高,通用性和可移植性差。

圖1 半實(shí)物仿真結(jié)構(gòu)

軟模擬通常采用如圖2所示的仿真結(jié)構(gòu),這類仿真器的特點(diǎn)是開發(fā)方便、構(gòu)成簡單,同時由于采用全數(shù)字處理,因而不需要產(chǎn)生高精度的仿真信號,也不需要特定的硬件,具有良好的可靠性、適應(yīng)性、通用性和可移植性。

圖2 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)

軟模擬通常采用光柵顯示器,用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。光柵掃描顯示器具有高亮度、高穩(wěn)定度、大容量顯示的圖文處理能力、豐富的色彩及多灰度等級的優(yōu)點(diǎn)。但光柵掃描無法自動產(chǎn)生隨機(jī)掃描中熒光粉的余輝效應(yīng),因此必須人為地模擬掃描線的余輝效應(yīng)。一般采用如下3種方法實(shí)現(xiàn):

(1)畫線法。該法較易實(shí)現(xiàn),原理是在屏幕上以畫直線的方式畫出每一角度的掃描線。每次畫一個扇面灰度遞減的直線簇。但當(dāng)程序運(yùn)行時,掃描線軌跡不斷地在屏幕上轉(zhuǎn)動,該方法不能無縫地覆蓋整個扇掃區(qū)域,從而產(chǎn)生一個輻射狀的固定花紋。

(2)固定扇掃法。這是在畫線法基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種仿真方法,控制扇形區(qū)域的圓心角,依次使不同扇形區(qū)域亮度減少。它雖然消除了輻射狀花紋,但在沒有目標(biāo)到有目標(biāo)信號時,由于數(shù)據(jù)量的增加會造成掃描線的轉(zhuǎn)速不同。

(3)逐點(diǎn)消隱法。其主要原理是:在一定的時間內(nèi),隨機(jī)將視頻存儲器中的內(nèi)容降低1個灰度等級,每個點(diǎn)都必須被修改,這樣整個屏幕畫面亮度逐漸衰減。其產(chǎn)生的余輝效果比較逼真,掃描線轉(zhuǎn)速也較穩(wěn)定。近距離區(qū)域多個角度的距離單元會對應(yīng)相同的像素點(diǎn),中心部位被消隱的次數(shù)明顯要比其他部位多,導(dǎo)致效果有些失真。

2 基于光柵掃描的余輝等級亮度比較法實(shí)現(xiàn)方法

余輝處理是雷達(dá)顯示器一種重要的顯示方式,通過余輝雷達(dá)操作員可以得到額外的信息,作為目標(biāo)判性的重要依據(jù)。雷達(dá)PPI顯示器的電掃描線是圓周扇掃,而微機(jī)顯示器顯示機(jī)制是電子束自左向右、自上向下進(jìn)行光柵掃描,因此必須進(jìn)行坐標(biāo)變換?，F(xiàn)代雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速通常為每分鐘幾轉(zhuǎn)至幾十轉(zhuǎn),一般導(dǎo)航雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速約為10轉(zhuǎn)/分,那么掃描線轉(zhuǎn)動一周的時間為6 s,這也就意味著要實(shí)現(xiàn)掃描線的平滑顯示,則必須在6 s內(nèi)完成掃描線覆蓋整個圓周的顯示。

為得到穩(wěn)定的不閃爍畫質(zhì),每秒顯示畫面需要大于25幀,即圖像刷新頻率必須達(dá)到1幀/40 ms,對于一個800×800像素的PPI顯示器,要求達(dá)到的處理速度是640 k Pixel/40ms,即16 M Pixel/s。對于現(xiàn)在主流配置的電腦來說,雙核主頻2.8 GHz、內(nèi)存2 GHz,9 800 GT 1 G獨(dú)顯,處理16 M Pixel/s的速度還是輕而易舉的。

逐點(diǎn)消隱首先要得到整個P顯上的像素點(diǎn),為產(chǎn)生不同方位的掃描線,將方位角量化,量化標(biāo)準(zhǔn)是能覆蓋圓域中所有點(diǎn),由于掃描區(qū)域的分辨率為800×800,所以半徑為400像素。把圓周映射成極坐標(biāo),在角度上劃分成[2π×400]等分,實(shí)際上可取3 600等分,在距離上劃分成400等分,基本可無縫覆蓋整個圓周,這樣初始生成了3 600×400個像素的圓域。這樣掃描線的角度步進(jìn)值為360/3 600=0.1°。設(shè)雷達(dá)掃描速度為10圈/min,屏幕刷新頻率為60 Hz,則每一幀時間內(nèi)掃描線將經(jīng)過360×10/60/60=1°,相當(dāng)于掃描線步進(jìn)10格。考慮到近距離區(qū)域,多個角度的距離單元會對應(yīng)相同的像素點(diǎn),首先為每個像素點(diǎn)定義一個屬性的結(jié)構(gòu)體:

為圓域內(nèi)的點(diǎn)分配內(nèi)存空間:

將圓域內(nèi)的點(diǎn)由P顯極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成光柵顯示器所采用的直角坐標(biāo),如圖3所示。

圖3 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)示意圖

對同一條掃描線上相鄰的兩點(diǎn),如直角坐標(biāo)相同,就把MapTo2Pt設(shè)為1,標(biāo)記為相同的點(diǎn);如相鄰兩點(diǎn)的直角坐標(biāo)不相同,則把距離索引值賦給ScanlinePtIndex,每條線最后一個點(diǎn)設(shè)置 RadEnd為1來標(biāo)記每條線已處理完畢。對于相鄰兩條線上的點(diǎn),若當(dāng)前線上點(diǎn)與前一條線上相鄰4個點(diǎn)的直角坐標(biāo)相等,設(shè)置為m_pPixelOverlap[i]=1,否則設(shè)為0。

每幀掃描線步進(jìn)10格,將當(dāng)前掃描線設(shè)為初始亮度,其后每條掃描線的亮度按與當(dāng)前掃描線角度差 m_anglediff取 m_wAttenuation[m_anglediff]的亮度,其中亮度小于或接近零的設(shè)為零。由于近距離區(qū)域多個角度的距離單元會對應(yīng)相同的像素點(diǎn),中心部位被消隱的次數(shù)明顯要比其他部位多,導(dǎo)致效果失真。需對這些坐標(biāo)相同的點(diǎn)進(jìn)行處理,對屬性MapTo2Pt為1的點(diǎn),比較坐標(biāo)相同的點(diǎn)處于不同距離時的亮度,取其大者顯示。對于屬性 m_pPixelOverlap為1的點(diǎn),比較處于各個角度時的亮度,取其大者顯示。這樣對于同一個點(diǎn),只顯示一次且取其亮者顯示,較好避免了中心部位被消隱次數(shù)過多的情況。對于實(shí)現(xiàn)余輝等級的情況,只需設(shè)置m_wAttenuation的大小就可調(diào)節(jié)余輝等級。如有雷達(dá)回波進(jìn)來,只需比較其與掃描線上點(diǎn)的亮度就可以,取其亮度大者顯示,較好實(shí)現(xiàn)了圖像的融合,易于實(shí)現(xiàn)后期程序的擴(kuò)展。

3 仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

通過使用Visual C++編程仿真,得到如下仿真結(jié)果。圖4～圖6為不同余輝等級下的P顯仿真圖形,圖7為畫線法得到的仿真結(jié)果。

圖7 畫線法得出的仿真結(jié)果

通過兩種實(shí)現(xiàn)方法的結(jié)果比較,畫線法生成的仿真圖形由于掃描線不能完全覆蓋整個圓域內(nèi)的點(diǎn),出現(xiàn)了嚴(yán)重失真。本文提出的亮度比較法有效解決了由于近距離區(qū)域內(nèi)多個角度的距離單元對應(yīng)相同的像素點(diǎn),使得中心部位被消隱的次數(shù)明顯要比其他部位多,導(dǎo)致效果圖像失真的問題。該方法得到的余輝效果逼真,畫面流暢,掃描速度達(dá)到了預(yù)定的10轉(zhuǎn)/s的要求,且程序便于擴(kuò)展,易與雷達(dá)回波信號疊加,得到完整雷達(dá)顯示畫面。

4 結(jié)束語

在雷達(dá)模擬器中,余輝實(shí)現(xiàn)的逼真程度很大程度上決定了模擬器的效果。本文實(shí)現(xiàn)的多級余輝效果克服了圖像出現(xiàn)輻射狀花紋的現(xiàn)象及掃描速率不穩(wěn)定的現(xiàn)象,得到了畫面流暢、效果逼真的仿真圖形。而實(shí)現(xiàn)仿真效果逼真的余輝一般會給處理器帶來很大的運(yùn)算量,且必須充分考慮掃描線與回波的疊加方式。本文采用的亮度比較法對冗余點(diǎn)進(jìn)行了處理,并且易與雷達(dá)回波信號疊加,便于程序的擴(kuò)展,可應(yīng)用于模擬器的設(shè)計(jì)及雷達(dá)技術(shù)的研發(fā)。

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