中国指挥与控制学会会刊 
随着信息化武器装备的广泛使用,基于“电磁、网络”无形空间的斗争日益激烈,谁获得“电磁、网络”空间的控制权,谁将获得战场的主动权,战场的信号密度十分密集,信号形式也很复杂。战场电磁环境就是作战区域内通信、雷达、电子战等设备所形成的环境。如何系统而直观地描述战场电磁环境一直是电磁频谱监测的难题,也是制约指挥员正确把握电磁频谱信息进行准确、高效指挥的关键环节。
战场区域电磁环境表征是对作战空间内电磁信号的时域、频域、空域、能域等电磁环境要素的理解和可视化,即将战场空间的各种电磁信号的时、频、空、能域的信息组合起来以显示空间内电磁能量的状态。考虑到多维电磁频谱信息表征的复杂性,分别对能-空域、能-频域以及频-空域信息相结合进行表征是个不错的选择。本文提出的战场区域电磁环境可视化表征方法,就是针对能-空域表征在一定作战区域内雷达、电子战、导航、通信等电子设备整体辐射能量分布情况,反映当前时刻、指定频率下不同地理位置、不同地面高度的电磁能量全空域分布特性。
1 表征方法
在连续空间中定量表征电磁场效应在理论上是可行的,但受计算开销和存储开销的制约,实现起来难度很大,离散化分区可以解决这一问题。以网格的方式划分作战区域,将对战场电磁环境的表征转化为对离散点电磁效应集合的表征。网格划分的粒度越细,电磁环境模拟的精度越高,但会增加计算开销和存储开销,因此有必要针对不同的应用场景制定合适的网格划分粒度,以达到开销和精度的平衡。战场区域电磁环境可视化表征方法如下。
首先,网格化处理表征区域。对战场作战区域进行离散化分区,将作战区域划分为m个网格,记为W={Wk},其中k=1,…,m。每个网格可以近似估计为一个点,可以用每个网格中心点的经纬度信息表示该网格的位置信息,则每个网格位置可以记为Wk(long,lati),其中long表示该网格中心点的经度,lati表示该网格中心点的纬度。
然后,进行区域辐射能量分布计算。战场区域能量分布计算可以转化为战场区域内每个网格的能量值计算,记为E={Ek},其中k=1,…,m。每个网格的能量值Ek是通过叠加所有工作在指定频点f的电子设备在该网格处的能量值计算得到的。在计算之前,作为能量分布计算的输入需要获取作战区域内所有电子设备的工作状态信息和工作频谱信息,将所有工作状态正常、工作频点为f的电子设备筛选出来,记为Y={yi},i=1,…,n。因此,每个网格的能量值Ek是通过叠加集合Y内的电子设备在该网格处的能量值计算得到的,即Ek= Ek(i)。每个电子设备在每个网格处的能量值Ek(i)是根据该设备的发射功率Pt、天线增益Gt等信息并结合电波传播模型计算得到的。
最后,进行区域电磁频谱数据可视化。其中,包括电磁频谱数据二维可视化和三维可视化。
2 电子设备辐射能量分布计算
计算每个电子设备在各个网格处的能量值是进行区域辐射能量分布计算的基础。图1 为电子设备在各网格处的能量分布的计算方法。
Step 1 进行距离解算。根据电子设备和每个网格的位置信息(经纬度),计算电子设备到表征区域内各个网格的实际距离D。为了能够精确求解距离解算问题,计算公式采用经典的Bowring公式[1]。
Step 3 根据路径损耗公式,计算该电子设备的场强值到各个网格中心点的路径损耗Lb,计算公式如下:
Lb=139.3-Ek+20log f
Step 4 根据该电子设备的发射功率Pt、天线增益Gt等参数,计算该电子设备到每个网格的剩余能量值,即该电子设备到各个网格的能量值P,计算公式如下:
P=Pt+Gt-Lb
以上方法针对的是全向天线工作的设备,若设备存在方向性,则计算方法上有一些不同。首先有三个角度是已知的,设备的俯仰角、方位角以及波束角。俯仰角和方位角主要是用来确定此时设备发射中心轴所指向的方位,当电子设备位置和发射方向已知,我们就可以确定以电子设备位置为起点的向量。然后求得由电子设备所在位置指向各网格的所有向量,进而通过向量夹角公式计算得到上述所有向量与设备发射中心轴向量的夹角,与波束角大小进行比较,如果小于波束角,那么证明此网格能够被设备发射信号覆盖,因此需要通过此网格所对应的向量夹角根据方向图得到发射功率,进而通过之前计算过的路损值按照公式(1)得到此网格处的能量大小,采用以上办法遍历表征区域中的所有网格之后就可以得到由于设备方向性影响之下的空间能量值大小。
3 区域电磁环境数据场可视化
3.1 二维可视化
将二维平面网格化,通过二维坐标表征地理位置,用以模拟当前状态下电子设备在海面的分布情况。接收到输入的电子设备位置(经纬度)后,首先应该确定网格化的二维平面参考点所对应的经纬度,然后根据电子设备位置信息换算出舰船在网格化的二维平面中所对应的坐标即可将电子设备分布在二维平面中。能量强度的表征可以参考等高线不同颜色标记不同高度的方法利用颜色来表征信号能量强度的大小,相当于将第三维坐标用颜色的不同展现出来。如图2 所示。
3.2 三维可视化[7]
由于电磁环境计算出的电磁强度只是一个标量值,需要对标量值赋予一定的颜色、透明度以及几何形体之后,才可以形象地表达出三维标量数据场的特征。
颜色的格式有RGBA四个分量,R代表红色,G代表绿色,B代表蓝色,A代表透明度,取值范围在0~1.0之间,映射成无符号后范围为0~255。根据三位数据场的标量值,不同颜色应该有不同的映射方式。通过电磁环境数据场的计算,可以很容易得出数据场中最大电磁强度fremax和最小电磁强度fremin,可以定义红色代表该区域中电磁强度值很强,蓝色代表中等电磁强度,绿色代表电磁强度弱,透明度alpha由输入来控制,设置一个阈值threshold,当alpha值大于这个阈值时,显示这部分颜色,当小于这个阈值时,则不进行显示。对应的映射函数如下所示。
红色分量对应的映射函数:
蓝色对应的映射函数:
绿色对应的映射函数:
透明度对应的映射函数:
以上主要将空间能量信息转化成为图形颜色信息,实现区域电磁环境的可视化,而若想更加直观地通过计算机展示区域电磁环境则需要基于图形处理工具例如OpenGL对图形界面展示进行更好的渲染,才能够更加方便指挥者观察。目前针对电磁环境图形渲染主要有以下三种图形绘制技术。
1)直接体绘制
体绘制的基本过程是:对数据进行分类,给不同类的数据赋予不同的色彩和非透明度;根据体绘制的光学模型,对数据场中的数据进行绘制。在绘制过程中,涉及到数据点的投影变换、数据的插值计算、排序和色彩合成等操作。直接体绘制算法的实质就是将离散分布的三维数据场按照一定的规则转换为图形设备的二维离散信号,即生成每个像素点颜色的RGB值。简而言之,体绘制技术的实质就是一个三维离散数据场的重新采样和图像合成的过程。
2)面绘制
面绘制方法首先由3D数据场构造中间几何元素,即构造表示场分布的曲线、曲面等,用3D几何形状反映场的信息,并将面上的数据属性映射为可视元素,然后用传统的图形学方法实现可视化图像的输出。这种方法构造出的可视化图形虽然不能反映整个原始数据场的全貌及细节,但是可以对感兴趣的某层曲面产生清晰的图像,而且可以利用现有的图形硬件实现大规模的绘制功能,速度较快。
3)切片绘制
考虑到面绘制和体绘制的优缺点,还可以采用切片技术(slice)实现规则体数据的可视化。即用一个或多个平面沿不同方向去切开模拟空间某个(或几个)感兴趣的部位,根据切面上各网格点上的电磁场量的值,按一定的规则设置相应的颜色和透明度,从而在切面上生成形象直观的电磁场量分布图像。利用切片技术不仅能表达原始数据场的细节信息,达到很好的视觉效果,而且不需要大量的计算开销,给观察和分析规则体数据提供了一个有效而简单的手段。切片法体绘制的基本原理是用切片切割的方式将用户感兴趣的空间实体展现出来,观察并分析其内部的变化规律。为了实现对体数据空间全方位、多角度的展现,提供多种切片切割的方向和方式。
以海战场为例,本文提出的战场区域电磁环境表征方法采用切片绘制的方式进行渲染,三维可视化效果如图3 所示。
4 结束语
本文提出的战场区域电磁环境可视化表征方法可以实现战场上电子设备在当前时刻、指定频率下对于整个作战区域能量分布情况的可视化。该方法对表征区域进行网格化处理,这种离散化分区在保证表征精度的同时节省了计算开销和存储开销,该方法也很好地运用了经典公式和ITU标准,提高了其可行性和准确性。但是,本文提出的区域辐射能量分布计算方法是理论化的,并未考虑实际战场中可能存在的自然、人为、民用等非战场电子设备产生的电磁辐射因素。在实际应用中,可以通过电磁频谱感知设备获取的电磁频谱监视信息进行修正,弥补该方法的不足。