Радарное гео-деформирование

Геодеформация радара — это корректировка с географической привязкой радиолокационных изображений и видеоданных для приведения их в соответствие с географической проекцией . Такое искажение изображения позволяет избежать каких-либо ограничений при его отображении вместе с видео из нескольких радиолокационных источников или с другими географическими данными, включая отсканированные карты и спутниковые изображения , которые могут быть предоставлены в определенной проекции. Есть много областей, где геодеформация имеет уникальные преимущества:

Единый видеосигнал радара отображается вместе с картами различных географических проекций. Например
Несколько видеосигналов радара отображаются одновременно:
- Наличие вычислительной мощности для этого на одном компьютере.
- Адаптация проекции всех радиолокационных сигналов, обеспечивающая географически правильное отображение и точное наложение этих видео.
Коррекция наклонной дальности : современная радиолокационная система 3D может измерять высоту цели и, следовательно, можно корректировать радиолокационное видео по реальной скорректированной дальности цели. Коррекция наклонной дальности также позволяет компенсировать высоту радиолокационной вышки, например, для радаров морского наблюдения.

Введение

Радиолокационное видео представляет эхо электромагнитных волн, которые радарная система излучает и впоследствии принимает в виде отражений. Эти эхосигналы обычно отображаются на экране компьютера с помощью схемы цветового кодирования, показывающей силу отражения. В ходе такого процесса визуализации необходимо решить две проблемы. Первая проблема возникает из-за того, что обычно антенна радара поворачивается вокруг своего положения и измеряет расстояния отраженного эха от своего положения в одном направлении. Фактически это означает, что радиолокационные видеоданные представлены в полярных координатах . В старых системах полярно-ориентированное изображение отображалось в так называемых индикаторах положения плана (PPI). PPI-область использует радиальную развертку, вращающуюся вокруг центра презентации. В результате получается карта местности, охваченная лучом радара. Используется экран с длительным сохранением , поэтому дисплей остается видимым до тех пор, пока развертка не пройдет снова.

Направление на цель определяется угловым положением цели по отношению к воображаемой линии, идущей вертикально от начала развертки до верхней части прицела. Верхняя часть прицела — это либо истинный север (когда индикатор работает в режиме истинного пеленга), либо курс судна (когда индикатор работает в режиме относительного пеленга).

Для визуализации на экране современного компьютера полярные координаты необходимо преобразовать в декартовы координаты. Этот процесс, называемый преобразованием радиолокационного сканирования, более подробно представлен в следующем разделе. Вторая проблема, которую необходимо решить, возникает из-за того, что радиолокационная система размещается в реальном мире и измеряет положение эхо-сигналов в реальном мире. Эти эхо-сигналы должны последовательно отображаться вместе с другими данными реального мира, такими как положения объектов, векторные карты и спутниковые изображения. Вся эта информация относится к искривленной земной поверхности, но отображается на плоском дисплее компьютера. Создание связи между реальными положениями Земли и отображаемыми пикселями обычно называется географической привязкой или, сокращенно, географической привязкой.

Частью процесса географической привязки является отображение 3D-поверхности земли на 2D-дисплее. Этот процесс географической проекции можно выполнить разными способами, но разные источники данных имеют свою «естественную» проекцию. Например, видеоданные декартового радара от радиолокационного источника на поверхности земли имеют географическую привязку с помощью так называемой радиолокационной проекции. При использовании этой радиолокационной проекции декартовы видеопиксели радара могут отображаться непосредственно на экране компьютера (только линейно преобразуясь в соответствии с текущим положением на экране и, например, текущим уровнем масштабирования). Теперь возникает проблема, если, например, вместе с видеоданными радара должна быть показана спутниковая карта. «Естественной» географической проекцией спутникового изображения будет спутниковая проекция, которая зависит от орбиты, положения и других параметров спутника. Теперь либо спутниковое изображение необходимо перепроецировать на радиолокационную проекцию, либо радиолокационное видео должно использовать спутниковую проекцию. Эту географическую перепроекцию еще называют географическое деформирование или географическое деформирование , при котором каждый пиксель изображения необходимо преобразовать из одной проекции в другую. В этой статье более подробно описывается географическое искажение радиолокационных видеоизображений в реальном времени. Это также покажет, что географическое искажение радиолокационного видео выполняется наиболее эффективно, когда оно интегрировано с процессом преобразования радиолокационного сканирования.

Преобразование радарного сканирования

В этом разделе описываются принципы процесса преобразования радиолокационного сканирования (RSC).

Радар передает измеренные данные в полярных координатах (ρ, θ) непосредственно с вращающейся антенны. ρ определяет расстояние цели/эха, а θ — угол цели в полярных мировых координатах. Эти данные измеряются, оцифровываются и сохраняются в хранилище полярных координат или в полярном растровом изображении . Основная задача RSC — преобразовать эти данные в декартовы (x, y) координаты отображения, создав необходимые пиксели отображения. На процесс RSC влияют текущие настройки масштабирования, сдвига и вращения, определяющие, какая часть «мира» должна быть видна на отображаемом изображении. Как подробно описано ниже, процесс RSC также учитывает используемую в настоящее время географическую проекцию, когда радиолокационные видеоизображения имеют географическую деформацию.

OpenGL RSC реализован с использованием подхода преобразования обратного сканирования, который вычисляет для каждого пикселя изображения наиболее подходящее значение амплитуды радара в полярном хранилище. Этот подход генерирует оптимальное изображение без каких-либо артефактов, известных из алгоритмов прямого заполнения спиц . Применяя билинейную фильтрацию между соседними пикселями в полярном хранилище во время процесса преобразования, OpenGL RSC наконец достигает очень высокого визуального качества изображения радара для каждого уровня масштабирования, создавая плавные изображения радиолокационных сигналов.

Радарная проекция

В этом разделе показано, как видеоданные радара привязаны к географическому положению и отображаются на экране компьютера.

Радарный датчик располагается на поверхности земли на высоте h над землей. Он измеряет прямое расстояние d до цели (а не, например, расстояние, на котором цель находится от радара, если бы цель двигалась по поверхности земли). Это расстояние затем используется в плоскости отображения после настройки преобразователя радиолокационного сканирования (RSC) на текущий уровень масштабирования дисплея. Теперь необходимо уточнить, как привязаны к географической привязке видеоданные радара. По сути, это означает, что если мы хотим отобразить географический объект реального мира (например, маяк), который находится в том же реальном положении, что и радиолокационная цель, он также должен появиться в том же положении в плоскости отображения. Это реализуется путем расчета расстояния от радарного датчика до соответствующего объекта реального мира и использования этого расстояния в плоскости отображения. Положение объекта реального мира обычно задается в географических координатах (широта, долгота и высота над поверхностью земли). Другими словами, использование радиолокационной проекции с географическими данными осуществляется путем моделировать процесс радиолокационных измерений с объектами реального мира и использовать полученную дальность и азимут в плоскости отображения.

На втором изображении справа показан пример радиолокационной проекции с центром проекции (COP) на широте 50,0° и долготе 0,0°, что также является положением радара. Пунктирные линии — это линии одинаковой широты и равной долготы в верхней части фоновой карты. Сплошные линии показывают равную дальность и азимут относительно положения радара. Особенностью радиолокационной проекции является то, что линии равной дальности представляют собой круги, а линии равного азимута представляют собой прямые линии. Это необходимо для согласованного отображения радиолокационного изображения с другими картографическими данными при использовании радиолокационной проекции, где центром проекции должно быть положение радара.

Процесс географической деформации

В этом разделе объясняется фактический процесс географического искажения или повторного проецирования применительно к радиолокационному видео в реальном времени. Предположим, мы хотим отображать радиолокационное видео поверх спутникового изображения. В качестве примера мы используем проекцию CIB, которая используется для отображения спутниковых данных в формате CIB (Controlled Image Base) .

На рисунке географического преобразования радара в проекцию CIB показан пунктирный круг максимальной дальности для дальности 111 км или 60 миль с использованием радиолокационной проекции. Такая дальность характерна для береговых обзорных радиолокаторов большой дальности. Как говорилось в последнем разделе, на экране компьютера это идеальный круг. Сплошной эллипс показывает тот же круг дальности для проекции CIB.

Обычно ошибки, возникающие без географического искажения, наименьшие вблизи положения радара, если хотя бы центр проекции (COP) совпадает с положением радара, как это реализовано в нашем примере. В противном случае распределение ошибок зависит как от используемой проекции, так и от параметров проекции. Таким образом, в нашем случае ошибки наиболее существенны вблизи максимальной дальности радиолокации. Ошибка проекции CIB, скорректированная в направлении восток-запад, на половине дальности действия радара составляет 2,6 км и 5,3 км на полной дальности действия радара 111 км. Ошибка в 5,3 км весьма значительна по сравнению с типичным разрешением радиального радиолокационного измерения в 15 м.

Координатное перепроецирование

рисунка Перепроекция координат объясняет, как необходимо преобразовать координаты радара, чтобы они соответствовали координатам проекции CIB. Мировые координаты радара соответствуют декартовой версии данных, измеренных радарным датчиком. Используя обратную радиолокационную проекцию, эти координаты преобразуются в географические координаты, которые представляют положения радиолокационных данных на поверхности земли. Эти координаты затем окончательно проецируются CIB (или любой другой) проекцией для отображения на экране компьютера.

Возникающая проблема заключается в том, что географическое искажение всех измеренных пикселей радиолокационного видео требует слишком больших вычислительных ресурсов, чтобы его можно было выполнять в реальном времени. Возможным решением является использование справочных таблиц для всех точек на экране, но повторный расчет справочной таблицы после, например, операции масштабирования дисплея по-прежнему вызывает заметную задержку визуализации радиолокационного видео.

рисунка Сетка деформации Geo показывает решение проблемы. Круговая зона действия радара разделена на круговую сетку. Геодеформированы только угловые точки сетки, что значительно сокращает время вычислений. Координаты внутри фрагмента сетки вычисляются путем взвешенной билинейной интерполяции угловых точек сетки. Поскольку географические проекции обычно являются нелинейными функциями, это вносит определенную ошибку в положение изображения радара. Если эта погрешность будет существенно ниже разрешения радиолокационного измерения, это гарантирует, что это не будет ограничением для качества отображения радиолокационного видео. Размер ячейки сетки должен быть вычислен один раз для положения радара и заданной проекции. Таким образом, сетка обычно рассчитывается один раз для статического радара и чаще для движущихся радаров, например, на кораблях.

Конвертер радарного сканирования OpenGL выполняет вычисления преобразования сканирования в графическом процессоре для достижения высокой производительности и качества изображения. Упомянутая выше билинейная интерполяция координат выполняется специальным аппаратным обеспечением на графическом процессоре и, следовательно, не вызывает дополнительных затрат на преобразователь сканирования.

Пример

Этот пример демонстрирует, как географическое искажение помогает последовательно отображать несколько радиолокационных видео.

На этом рисунке справа показаны визуальные эффекты без географического искажения: цели, видимые двумя радарами, не могут быть правильно отображены, и неясно, где на самом деле расположена цель. Красные и желтые эхо-сигналы от целей видны на радарах, находящихся на расстоянии около 50 км. Радары также находятся на расстоянии около 50 км друг от друга. Полупрозрачный розовый цвет отображает историю трека.

В этом сценарии даже используется радиолокационная проекция, но, конечно, центр радиолокационной проекции (ЦП) может находиться только на месте одного из радаров. Еще большие несоответствия могут возникнуть, если используется проекция, отличная от радиолокационной. Гео-искаженное изображение с левой стороны показывает постоянно отображаемые радиолокационные сигналы, причем оба радиолокационных сигнала находятся точно в положении реальной цели.

Ссылки