电磁态势的三维可视化研究

刘鹰 刘笑 马明

摘 要： 针对电磁态势的三维可视化问题，该项目以真实地理环境为依托，采用计算机视觉、三维GIS、电子对抗效能评估技术，研究电磁态势的绘制问题，包括电磁波传播过程、雷达三维探测区域、通信三维作用区域，开发虚拟电磁环境三维仿真系统，对电磁态势进行可视化表现。

关键词： 电磁环境 虚拟仪器 多信号模型

历来，善于指挥作战的将帅都高度重视对战场中“势”的运用和把握。孙子曰：“故善战者，求之于势，不责于人，故能择人而任势。”在目前复杂的环境中，电磁领域是看不见的。电磁环境成为人类生存环境的新要素，认识、把握和利用电磁态势成为信息化的必然要求。电磁态势是指在特定的时空范围内，电磁设备的配置、电磁活动情况及其变化所形成的状态和形势，这种态势在实际中是看不见、摸不着的。现代环境中电磁态势瞬息万变，为有效控制战场，利用已有侦察数据，可视化地显示出不可见的电磁态势十分必要。

一、提出的方案

电磁环境三维仿真系统利用三维GIS技术、计算机图形学技术对真实地理环境中的电磁态势进行空间域和时域的绘制，并将其嵌入利用OSG搭建的三维虚拟战场环境中，使现代战场中的各武器系统、通信系统、雷达系统等发出的强度、频率不同的电磁信号及电磁信号的相互作用的结果可视化地表现出来，实现虚拟现实中电磁态势的三维可视化。

图1 电磁环境可视化表现内容

利用数字高程图和卫星图片，制作三维GIS地图。既包括高山、丘陵、沙漠、平原、海岛、海洋等各种地理环境的可视化，又包括云、雨、雾、风、雪等各种气象条件的三维可视化。

三维视景引擎的目的是对作战实体、以地形地貌、气象和电磁环境为主的战场环境进行渲染和表现。目前主流的三维渲染引擎包括：OpenGL，DirectX，OSG，Vega Prime等。基于Open Scene Graph的三维电磁态势显示系统，首先要求制作一个虚拟作战实体模型，尽可能地接近现实的样式。作战实体模型的制作属于三维建模范畴，场景中的物体多为直线条的组成，结合3DSMAX2009的特点，采用多边形建模，它简单、编辑灵活，对硬件的要求很低，而且几乎没有什么模型是不能通过多边形建模完成的。

其次建好作战实体模型后，配置基于Open Scene Graph三维引擎程序的环境，包括系统环境的配置和VisualC++2010的配置，后编写基于漫游程序代码，载入建好的作战实体模型，达到虚拟漫游功能的相关要求。

三维GIS技术可以通过地形的模拟变换改变虚拟战场的环境，让受训人员在不同的场景中体验不一样的作战环境，从而为实地战场做好充分准备。另外，GIS技术在电磁辐射源相关空间数据的获取、管理、分析、模拟和显示等方面也起到了不可替代的作用，并且在战场电磁态势可视化和进行电磁态势评估方面具备广阔的应用前景。

在技术手段上，本项目可以利用高清卫星图片、高分辨率DEM数据、二维矢量数据等信息资源，基于三维GIS引擎，创造出包含地形地貌和常规地理信息的三维地理战场环境。为便于为上层应用提供灵活的地理环境背景支撑，可以采用LOD模式，分类、分层组织管理地理要素，实现各地图图层动态加载、显示和隐藏的灵活控制。

三维GIS面临的最大难点是海量数据处理。由于地理数据量相当庞大，因此现实中开发人员会对海量数据提出一些比较完善的解决方案，促进图形学相关软件与硬件不断相结合，完成人们假想的比较完善的海量数据解决方案。由于Open Scene Graph的各种优异特性，因此，如果使用它解决海量数据问题，那么基于Open Scene Graph便是非常理想的虚拟现实漫游系统。海量地形数据往往分为两个部分：一个是大高程图，另一个是大纹理。如何处理高程图与纹理成为解决海量地形数据问题的关键因素。一种理想的解决方案可以描述如下：当场景中需要显示某一块地形时，就载入内存，渲染输出；当场景中的地形从显示到不显示时，所占有的内存会立即得到释放；远处的场景是模糊的，在近处是清晰的才会有适当大的开销。

二、仿真结果

1.地理GIS

使用OSG完成上述解决方案，这样OSG就具备了处理海量地形数据的能力，海量地形据的瓶颈被打破后，OSG引擎的优势便会更加明显。采用OSG最终开发的三维GIS如图2所示。

（a）全球三位GIS图全景 （b）山区GIS

图2 OSG制作的三维GIS效果图

2.电磁环境

理论上，雷达的探测空域由雷达方程决定。图中给出了某雷达的作用区域图。我们这里采用环形网状的曲线表示雷达的作用区域边界。当目标（飞机）处于曲线所构成的曲面内时，雷达可以探测到目标；当目标处于曲面以外时，雷达“看不到”目标。

当雷达受到某个方向的干扰时，会产生探测空域上的凹口（图3），给出了雷达受到干扰之后的探测空域。图中的凹口处表示探测距离的缩短。在绘制探测曲线时，这里采用经纬度的方式分别进行绘制。雷达探测曲线采用环形网状表示。

图3 地面雷达探测区域

参考文献：

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