虛擬戰(zhàn)場生成是目前研究的一個熱點,其利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建沉浸式的戰(zhàn)場環(huán)境,為指揮員提供強大的輔助決策功能。虛擬戰(zhàn)場包括自然環(huán)境和電磁環(huán)境2個部分,將非可視化的電磁環(huán)境可視化是構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場難點之一。雷達電磁波是電磁環(huán)境的主要構(gòu)成,其在傳播過程中受到復(fù)雜自然環(huán)境的影響,同時也受到復(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。目前由美國海軍發(fā)展的高級傳播模型(Advanced Propagation Model,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)確地估計出雷達電磁波傳播損失情況。但是APM模型未考慮受到電子干擾時的情形,且局限于二維垂直面上的傳播計算。
實際運用中,必須對APM模型進行改進。文獻利用APM模型實現(xiàn)了雷達傳播信息的圓柱體繪制。圓柱體繪制視覺效果好,但每次改變視角都重新計算全部數(shù)據(jù),因此對硬件要求較高。文獻提出虛擬3D策略來構(gòu)造三維雷達的作用范圍。虛擬3D策略繪制速度快,實時性好,但隨著電磁波傳播距離的增大,數(shù)據(jù)誤差難以控制。改進了APM模型,使得APM模型更適用于電子干擾環(huán)境;改進了可視化方法,有效控制電磁傳播距離較遠時的數(shù)據(jù)誤差。視覺化工具函數(shù)庫(Visualization Toolkit,VTK)是一個開源、跨平臺軟件包。它是在三維函數(shù)庫OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法發(fā)展起來的,具有強大的三維圖形功能。充分挖掘其強大的數(shù)據(jù)集對象功能,實現(xiàn)了對大范圍高密度的電磁環(huán)境實時可視化。
1、雷達垂直探測范圈
1.1、雷達探測垂直面數(shù)據(jù)獲取
高級傳播模型(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算量大的缺點,將傳輸區(qū)域分為4個部分:平坦地面FE(FlatEarth)、射線光學(xué)RO(Ray Optics)、拋物方程PE(Parabolic Equation)和擴展光學(xué)XO(Extended Optics),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)境的不同進行建模,模型在精確度和計算效率方面實現(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模型來計算各個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的資料見文獻。傳播因子F的定義為空間某點的實際電場強度E與在自由空間傳播條件下天線方向圖最大方向?qū)?zhǔn)該點時產(chǎn)生的場強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 受到干擾時雷達探測垂直面數(shù)據(jù)修正
1.2.1 從傳播損失到探測范圍
以功率形式表示的最基本的雷達方程為:
(4)
式中:Pt,Pr分別為雷達發(fā)射和接收功率;Gt,Gr分別為雷達發(fā)射和接收增益;λ為波長;σ為雷達目標(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)射功率和雷達目標(biāo)反射截面積一定時,雷達接收功率和傳播損失有確定的關(guān)系。當(dāng)雷達接收功率大于雷達最小可檢測功率Simin時,即可探測到目標(biāo)。雷達最小可檢測功率Simin是雷達系統(tǒng)在一定發(fā)現(xiàn)概率下的固有性能。于是,可以通過傳播損失值直接確定雷達的探測范圍,把Simin作為閾值,L≤Simin的區(qū)域為探測區(qū)域,L>Simin的區(qū)域為盲區(qū)。
1.2.2 考慮電子干擾時對APM模型的改進
由APM模型可得到雷達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。實際上,由于電磁波傳播的獨立性,電子干擾并不影響雷達傳播損失,電子干擾是一種通過強干擾信號進入雷達接收機,從而降低雷達信噪比,達到降低雷達的威力和精度,使其不能正常工作的一種干擾方式。若把電子干擾降低的雷達信噪比等效到雷達傳播損失值上,就可以極大地簡化計算過程。