雷達(dá)電磁波三維探測(cè)范圍可視化仿真

雷達(dá)電磁波三維探測(cè)范圍可視化仿真虛擬戰(zhàn)場(chǎng)生成是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建沉浸式的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，為指揮員提供強(qiáng)大的輔助決策功能。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)包括自然環(huán)境和電磁環(huán)境2個(gè)部分，將非可視化的電磁環(huán)境可視化是構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場(chǎng)難點(diǎn)之一。雷達(dá)電磁波是電磁環(huán)境的主要構(gòu)成，其在傳播過(guò)程中受到復(fù)雜自然環(huán)境的影響，同時(shí)也受到復(fù)雜電子干擾環(huán)境的影響，電磁波能量在空間的分布極為復(fù)雜。目前由美國(guó)海軍發(fā)展的高級(jí)傳播模型（AdvancedPropagationModel，APM）綜合考慮了復(fù)雜地形和復(fù)雜大氣環(huán)境的影響，能夠快速準(zhǔn)確地估計(jì)出雷達(dá)電磁波傳播損失情況。但是APM模型未考慮受到電子干擾時(shí)的情形，且局限于二維垂直面上的傳播計(jì)算。實(shí)際運(yùn)用中，必須對(duì)APM模型進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)利用APM模型實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)傳播信息的圓柱體繪制。圓柱體繪制視覺(jué)效果好，但每次改變視角都重新計(jì)算全部數(shù)據(jù)，因此對(duì)硬件要求較高。文獻(xiàn)提出虛擬3D策略來(lái)構(gòu)造三維雷達(dá)的作用范圍。虛擬3D策略繪制速度快，實(shí)時(shí)性好，但隨著電磁波傳播距離的增大，數(shù)據(jù)誤差難以控制。改進(jìn)了APM模型，使得APM模型更適用于電子干擾環(huán)境；改進(jìn)了可視化方法，有效控制電磁傳播距離較遠(yuǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)誤差。視覺(jué)化工具函數(shù)庫(kù)（VisualizationToolkit，VTK）是一個(gè)開(kāi)源、跨平臺(tái)軟件包。它是在三維函數(shù)庫(kù)OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法發(fā)展起來(lái)的，具有強(qiáng)大的三維圖形功能。充分挖掘其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集對(duì)象功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大范圍高密度的電磁環(huán)境實(shí)時(shí)可視化。1、雷達(dá)垂直探測(cè)范圈1．1、雷達(dá)探測(cè)垂直面數(shù)據(jù)獲取高級(jí)傳播模型（APM）是射線光學(xué)和拋物方程理論的混合模型，它克服了拋物方程模型計(jì)算量大的缺點(diǎn)，將傳輸區(qū)域分為4個(gè)部分：平坦地面FE（FlatEarth）、射線光學(xué)RO（RayOptics）、拋物方程PE（ParabolicEquation）和擴(kuò)展光學(xué)XO（ExtendedOptics），如圖1所示。APM模型已經(jīng)考慮了地形、地面類型、大氣折射、大氣衰減等諸多自然環(huán)境因素，只需根據(jù)各地自然環(huán)境的不同進(jìn)行建模，模型在精確度和計(jì)算效率方面實(shí)現(xiàn)了很好的權(quán)衡，是一種全新的、高效的電磁波傳播模型。基于此，選用APM模型來(lái)計(jì)算各個(gè)方位角垂直面上的傳播因子F和傳播損失L。更多關(guān)于APM的資料見(jiàn)文獻(xiàn)。傳播因子F的定義為空間某點(diǎn)的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度E與在自由空間傳播條件下天線方向圖最大方向?qū)?zhǔn)該點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E0之比。傳播損失L是傳播因子F的函數(shù)。PE模型是APM的核心模型，其他為補(bǔ)充。PE采用分布傅里葉方法求解，其基本原理是沿著電磁波傳播方向等間距不斷遞推求電場(chǎng)值。遞推公式為：

（1）式中：x，z分別表示距離和高度方向上的坐標(biāo)值；M（z）為大氣在不同高度上的折射系數(shù)；k0是自由空間波數(shù)；f和f-1表示傅里葉和逆傅里葉變換；p是轉(zhuǎn)換常數(shù)，p=k0sinθ；θ是電磁波傳播方向與水平面的夾角。傳播因子F與電場(chǎng)值u（x，z）的關(guān)系為：F=E/E0=|u（x，z）|

（2）傳播損失為：L=20lgf+20lgx-10lgF2-27.56

（3）1．2受到干擾時(shí)雷達(dá)探測(cè)垂直面數(shù)據(jù)修正1．2．1從傳播損失到探測(cè)范圍以功率形式表示的最基本的雷達(dá)方程為：

（4）式中：Pt，Pr分別為雷達(dá)發(fā)射和接收功率；Gt，Gr分別為雷達(dá)發(fā)射和接收增益；λ為波長(zhǎng)；σ為雷達(dá)目標(biāo)截面積；R為傳播距離；Ls為系統(tǒng)損失；L為傳播損失。從式（4）可以看出，當(dāng)發(fā)射功率和雷達(dá)目標(biāo)反射截面積一定時(shí)，雷達(dá)接收功率和傳播損失有確定的關(guān)系。當(dāng)雷達(dá)接收功率大于雷達(dá)最小可檢測(cè)功率Simin時(shí)，即可探測(cè)到目標(biāo)。雷達(dá)最小可檢測(cè)功率Simin是雷達(dá)系統(tǒng)在一定發(fā)現(xiàn)概率下的固有性能。于是，可以通過(guò)傳播損失值直接確定雷達(dá)的探測(cè)范圍，把Simin作為閾值，L≤Simin的區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)區(qū)域，L>Simin的區(qū)域?yàn)槊^(qū)。1．2．2考慮電子干擾時(shí)對(duì)APM模型的改進(jìn)由APM模型可得到雷達(dá)電磁波二維垂直面上的傳播損失，如圖2所示。APM模型未考慮電子干擾的情況。實(shí)際上，由于電磁波傳播的獨(dú)立性，電子干擾并不影響雷達(dá)傳播損失，電子干擾是一種通過(guò)強(qiáng)