一种模拟船用雷达的目标船回波2D成像方法与流程

本发明涉及一种2d成像方法，特别是一种模拟船用雷达的目标船回波2d成像方法，属于通信信息模拟技术领域。

背景技术：

船用雷达是安装在船舶上的用于实时监视本船周围一定区域的目标探测工具，为船舶的定位、辅助避障、危险态势预估等任务提供重要的信息来源，因此在船桥上通常会配置用于实时显示回波成像信息的雷达显控台，为船舶驾控人员提供周围目标船、岛屿及其他物标成像信息，尤其是目标船实时处于动态变化状态，其成像信息对本船极其重要。而在未连接雷达天线等硬件设施的情况下，通常无法测试雷达显控台成像效果，即使连接雷达硬件，也很难灵活地为显控台提供不同工况的回波成像信息。

在无雷达硬件时，为了灵活测试雷达显控台性能，可采用计算机模拟目标船回波信号的方式。相比岛屿、静态浮标和大面积的陆地等成像，本船周围的目标船处于实时运动状态，且数量可多可少，利用虚拟仿真方式模拟其回波成像，可为雷达显控台提供动态的、数量可调整的回波成像，更适合测试雷达显控台的成像性能，大大降低连接雷达实体带来的人力和物力上的投入，同时也可缩短雷达显控台的研发和测试周期。有些学者也做过这方面的研究工作，如赵言伟等人在文献《海面上电大尺寸目标的双站合成孔径雷达成像模拟》中，研究了海面上大尺寸目标成像原理，建立了双站合成孔径雷达成像模型；郭丁等人在文献《极化合成孔径雷达海面成像模拟及分析》中，通过速度聚束模型与bragg散射模型，模拟海洋场景目标成像效果，其他学者多采用类似的方法开展雷达成像的研究。但是，前人的研究存在如下问题：一方面，以上回波成像往往从雷达的数字信号处理角度开展机理性分析和建模，并不能直接为雷达显控台提供目标船的经纬度、航向等信息；另一方面，以上雷达信号模拟方法，很难快速灵活地为雷达显控台提供扫描周期、扫描点对应的物理距离等实时性指标。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种为船桥雷达显控台提供灵活的、可设置多工况的目标船回波成像信号，用于协助测试雷达显控台的信号处理等相关功能的模拟船用雷达的目标船回波2d成像方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种模拟船用雷达的目标船回波2d成像方法，包括以下步骤：

步骤一：设定雷达回波成像参数及坐标系，以扫描线方式模拟雷达回波；

步骤二：构建船舶航行模拟单元，通过组播通信方式提供船舶模拟运动状态：

在地面坐标系下，建立船舶运动学模型，船舶运动状态包括位置(xt,yt)、速度v、角速度ω、航向θt，具体如下所示：

上式中：x0和y0为本船和目标船上一时刻横纵坐标，θ0为船舶上一时刻航向角，δt为仿真步长；

步骤三：雷达模拟数据预处理：

(1)坐标变换

将目标船位置由地面坐标系转换至雷达坐标系下，雷达坐标系下的目标船位置满足：

其中，本船在地面坐标系下位置为(xo,yo)，本船航向为θo，目标船在地面坐标系下位置为(xt,yt)；

(2)目标船二维形状构建

定义目标船成像长度和宽度的缩放因子kx和ky，设目标船的实际长度和宽度为ltx和lty，目标船的航向为θt，利用一个五边形来表示目标船的位置和姿态的回波成像信息，所述五边形有一个内角为锐角，所述五边形锐角内角对应的顶点表示目标船航向，设五边形中其中一点的坐标为(xts,yts)，将该坐标点由雷达坐标系变换至地面坐标系，变换后坐标(xts_g,yts_g)满足：

步骤四：解算雷达扫描线上各点与目标船的相对位置关系，确定扫描线各点的幅值，包括以下步骤：

步骤1：构建扫描线坐标系，确定扫描线与目标船相关位置关系：

建立扫描线坐标系，扫描线坐标系是将雷达坐标系旋转，使当前被处理的扫描线指向地面坐标系的x轴方向，将目标船的外形轮廓五边形的坐标点由地面坐标系变换至扫描线坐标系，假设雷达扫描线与本船艏向方向的夹角为φ，则变换后坐标(xts_p,yts_p)满足：

经过上式处理后，得到当前正在处理的扫描线与各目标船五边形的相对关系，即确定扫描线与五边形是否存在交点；

步骤2：求解正在处理的扫描线与目标船五边形的交点坐标：

通过得到五边形的两个相邻顶点坐标为(xts_p1,yts_p1)和(xts_p2,yts_p2)，如该条边与扫描线存在交点，则交点的横坐标xps满足：

xps＝xts_p1-yts_p1·(xts_p2-xts_p1)/(yts_p2-yts_p1)

不考虑扫描线仅通过五边形一个顶点以及扫描线与五边形一条边重合的情况，扫描线与五边形相交时，有且仅有两个交点，在扫描线坐标系中，利用xps＝xts_p1-yts_p1·(xts_p2-xts_p1)/(yts_p2-yts_p1)获得该扫描线与目标船两个交点横坐标值xps_max和xps_min，xps_max和xps_min分别表示较大横坐标值和较小横坐标值；

步骤3：更新扫描线上各点的幅值：

通过xps＝xts_p1-yts_p1·(xts_p2-xts_p1)/(yts_p2-yts_p1))即可确定当前正在处理的扫描线上xps_min和xps_max之间的所有扫描点为目标船占据的回波成像，更新该扫描线上各点幅值，[xps_min,xps_max]区间外的各点幅值为0，[xps_min,xps_max]区间内的各点幅值为255；

步骤五：模拟发送雷达回波成像信息，截取成像数据；

步骤六：雷达回波成像信息可视化，包括以下步骤：

步骤1：在数据通道中提取成像数据，降频抽样选取成像信息

设船舶航行模拟单元的组播通信周期为tmtsock，雷达显控台扫描一周的时间为tscan，雷达模拟回波刷新周期tsimu满足：

tsimu＝0.4·tscan

对tmtsock降频抽样，同时刷新频率高于雷达显控台；

步骤2：选择全黑的图片作为背景图片，按照像素绘制雷达回波成像信息

选择预先制作的方形全黑图片作为雷达回波成像的背景图片，该图片边长为lbk，设置场景显示缩放比例kbtr，用以表示1个雷达回波图像像素对应的屏幕显示像素数量，则雷达原始图像中可显示的最大像素数npmax为：

npmax＝lbk/(2*kbtr+0.5)

在[0,npmax]区间内，遍历每个雷达像素点，求取每个像素点相对于背景图片中心的坐标值，用(xpix,ypix)表示，(xpix,ypix)满足：

其中xbk和ybk分别为背景图片中心点在屏幕坐标系上的坐标，i为遍历到的像素点id号；

计算背景图片对应雷达回波成像像素的偏移量doffset，doffset满足：

doffset＝3·(lbk·(lbk-ypix-1)+xpix)

通过调整doffset，确定每一根雷达扫描线在背景图片上的对应像素位置，根据各扫描点的幅值数据，在黑色背景图片上绘制成像信息，如扫描点幅值为0，则保持图片该点位置处像素的rgb三值均为0，如扫描点幅值为255，则图片该点位置处像素为r＝255，r＝255，b＝0，使目标船呈现黄色五边形图案，并且通过调整kbtr放大或缩小雷达可视区域的显示半径。

本发明还包括：

步骤一中的参数包括：

(1)扫描线角度等分数量nd；

(2)雷达模拟回波扫描一周的时间tc；

(3)当前扫描线的方位角θcs；

(4)每根扫描线包含的点数nsp；

(5)每个扫描点代表的物理距离dpp；

(6)定时器仿真步长tsimu；

通过定时发送的方式向雷达显控台发送回波成像数据，每个仿真步长中更新的扫描线数为nd·tsimu/tc条，这些扫描线按照方位角递增方式，逐条处理，即θcs＝k·2π/nd，单位为弧度，其中k为扫描线的序号；根据目标船相对于本船的距离、nsp和dpp，确定扫描线上所有扫描点与目标船的交叉情况，回波成像的扫描点幅值存在0或255两种状态，无目标的扫描点幅值为0，有目标的扫描点幅值为255，初始化时所有的扫描点幅值全部为0；

步骤一中的坐标系定义为：

(1)雷达坐标系：该坐标系为动态的平面直角坐标系和极坐标系的叠加，坐标系原点为本船实时的中心位置，直角坐标系y轴为本船的实时艏向方向，直角坐标系x轴指向船舶右舷，极坐标0°线与直角坐标系y轴重合，俯视坐标系时，雷达扫描方向顺时针方向为正；在该坐标系下，每个点共有4个变量，分别为平面直角坐标系下的位置(x,y)，以及极坐标系下的角度θ和距离d，雷达扫描一周的初始扫描线从极坐标0°线开始计算；

(2)地面坐标系：该坐标系为平面直角坐标系，坐标原点固定为本船初始位置，x轴指向东方，y轴指向北方

本发明有益效果：为了给雷达显控台提供成像测试信号，本发明提出一种模拟船用雷达回波成像的方法，并设计船舶航向模拟单元来提供相关的虚拟船舶运动状态，通过网络通信实时发送模拟目标船回波成像信息，并设置人机交互接口，为船桥雷达显控台提供通用的验证成像测试信号。与以往的同类型方法相比，本发明提出的方法，一方面可以为雷达显控台直接提供目标船的模拟经纬度、航向等信息，另一方面，可以更加容易的为雷达显控台提供自定义设置的等，快速灵活地为雷达显控台提供扫描周期、回波成像的数量、尺寸、位置和姿态等指标。

附图说明

图1为回波成像计算流程；

图2为雷达坐标系示意图；

图3为船舶外形五边形示意图；

图4为目标船在雷达坐标系下示意图；

图5为目标船由雷达坐标系变换至扫描线坐标系下的示意图；

图6为扫描线与目标船存在两个交点情况；

图7为雷达回波模拟器可视化界面；

图8为船桥雷达显控台接收回波信息界面；

图9为雷达显控台扫描周期测试效果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明船用雷达的目标船回波成像计算流程如图1所示。本发明制定雷达回波成像参数，确定以扫描线的方式模拟雷达回波形式，然后利用建立的船舶航行模拟单元，实时计算输出本船和目标船的运动状态，并通过雷达模拟数据预处理模块，转化为目标船的轮廓坐标，结合雷达扫描线信息，实时解算扫描线与目标船相对位置坐标，确定扫描线各点的幅值。在此基础上，同时开展基于组播的分包通信和模拟雷达回波成像的可视化工作。

本发明具体过程如下：

步骤一：设定雷达回波成像参数及坐标系，以扫描线方式模拟雷达回波

针对需要模拟的雷达硬件信息，定义制定模拟雷达回波过程的相关通用参数，包括如下变量：

(1)扫描线角度等分数量nd；

(2)雷达模拟回波扫描一周的时间tc；

(3)当前扫描线的方位角θcs；

(4)每根扫描线包含的点数nsp；

(5)每个扫描点代表的物理距离dpp；

(6)定时器仿真步长tsimu。

本发明采用定时发送的方式向雷达显控台发送回波成像数据，每个仿真步长中更新的扫描线数为nd·tsimu/tc条，这些扫描线按照方位角递增方式，逐条处理，即θcs＝k·2π/nd，单位为弧度，其中k为扫描线的序号。根据目标船相对于本船的距离、nsp和dpp，可确定扫描线上所有扫描点与目标船的交叉情况，回波成像的扫描点存在0或255两种状态，即无目标的扫描点幅值为0，有目标的扫描点幅值为255，初始化时所有的扫描点幅值全部为0。本发明通过以上变量，实现对雷达回波成像的基本模拟功能。

坐标系定义如下：

(1)雷达坐标系：该坐标系为动态的平面直角坐标系和极坐标系的叠加，坐标系原点为本船实时的中心位置，直角坐标系y轴为本船的实时艏向方向，直角坐标系x轴指向船舶右舷，极坐标0°线与直角坐标系y轴重合，俯视坐标系时，雷达扫描方向顺时针方向为正。注意：在该坐标系下，每个点共有4个变量，分别为平面直角坐标系下的位置(x,y)，以及极坐标系下的角度θ和距离d。雷达扫描一周的初始扫描线从极坐标0°线开始计算，详见图2。

(2)地面坐标系：该坐标系为平面直角坐标系，坐标原点固定为本船初始位置，x轴指向东方，y轴指向北方。

步骤二、构建船舶航行模拟单元，通过组播通信方式提供船舶模拟运动状态

在地面坐标系下，建立简易的船舶运动学模型，船舶运动状态包括位置(xt,yt)、速度v、角速度ω、航向θt，具体如下所示：

上式中：x0和y0为船舶上一时刻横纵坐标，θ0为船舶上一时刻航向角，δt为仿真步长。

通过上式建立船舶航行模拟单元，模拟本船以及其他目标船的实时状态信息，并设计人机交互接口，可实现通过鼠标和键盘完成新建所有船舶的期望航线信息、调整船舶运动状态、增大/减小/暂停仿真速度等，为雷达模拟自定义的船舶运动状态。以上式为核心，建立船舶航行模拟单元，通过组播通信方式，为雷达回波模拟器提供本船及目标船的运动状态数据。本发明采用组播方式，为雷达回波模拟器定时发送数据，该通信方式可利用一个航行模拟单元同时为多个雷达回波模拟器提供船舶航行状态信息。

以组播的通信方式，利用船舶航行模拟单元，提供本船及目标船的运动状态数据，通信协议包含以下内容：

(1)船舶id号

(2)船舶x、y位置

(3)船舶航向

(4)船舶尺寸

通过船舶id号区分各目标船及本船，船舶位置和姿态信息通过式(1)获得，船舶尺寸为静态输入数据，用于显示雷达回波成像的大小。考虑到本发明中模拟的雷达回波扫描一周需要一定时间，本发明中组播通信仿真步长需要与雷达扫描周期协调配合，此处设雷达扫描周期为tscan，通过与雷达显控台的联合调试经验，本发明设置船舶航行模拟单元组播通信步长tmtsock满足下式：

tmtsock≤0.04·tscan(2)

利用上式可保证船舶航行模拟单元提供及时性的船舶运动状态。

步骤三、雷达模拟数据预处理

根据组播通信传递过来的本船位置和姿态信息，以及“设定雷达回波成像参数及坐标系”中雷达回波成像参数设置情况，首先对这些数据开展预处理工作，便于后续的回波成像计算。

(1)坐标变换

将目标船的位置由地面坐标系转换至雷达坐标系下，在地面坐标系下，设本船位置为(xo,yo)，本船航向为θo，目标船位置为(xt,yt)，则在雷达坐标系下，目标船的位置可通过下式表示：

如果通过上式计算得到的目标船的大于该船的实际长度，对于非高速艇，在现实中这种情况通常是不合理的，因此本发明舍弃这种情况。

(2)目标船二维形状构建

为了能够为雷达显控台提供长宽比合理的回波成像信号，本发明定义目标船成像长度和宽度的缩放因子kx和ky，这两个变量专门用来通过人机交互方式，改变雷达回波成像的尺度，便于测试雷达显控台的成像效果，也可协助确定适合观察的成像尺寸。本发明将利用一个五边形来表示目标船的位置和姿态的回波成像信息，如图3所示，本发明设单位长度为l，l具体指可动态调整，其中ab＝ae＝l，bc＝de＝1.5l，cd＝0.5l，线段be中点f表示船舶重心，fa的方向表示船舶艏向。

设目标船的实际长度和宽度为ltx和lty，目标船的航向为θt，五边形中其中一点的坐标为(xts,yts)，利用下式将该坐标点由雷达坐标系变换至地面坐标系，变换后坐标通过下式表示：

根据上式可确定在本船位置和航向确定的极坐标系下，各目标船的位置和航向状态情况。

步骤四、解算雷达扫描线上各点与目标船的相对位置关系，确定扫描线各点的幅值

考虑到雷达扫描一周的线数、每根扫描线上的点数、模拟场景中目标船数量等因素，如果采用遍历所有扫描点，并逐个判断各点是否位于代表各目标船的五边形内，计算量巨大，严重影响雷达模拟回波为显控台提供的成像信息，甚至导致仿真过程卡顿现象。

为解决上述问题，本发明提出基于坐标变换的边界数据解算方法，降低上述过程的计算量，主要实现步骤如下：

step1：构建扫描线坐标系，确定扫描线与目标船相关位置关系。

本发明提出扫描线坐标系的概念，该坐标系是对雷达坐标系进行旋转，使当前被处理的扫描线指向地面坐标系的x轴方向，图4为雷达坐标系，顺时针旋转雷达坐标系，得到下图5所示的扫描线坐标系。

以场景中一个目标船为例，目标船外形轮廓五边形的坐标点由地面坐标系变换至扫描线坐标系，则变换后坐标(xts_p,yts_p)可通过下式计算：

上式中，φ为雷达扫描线与本船艏向夹角。

经过上式处理后，可以得到当前正在处理的扫描线与各目标船五边形的相对关系，即可确定扫描线与五边形是否存在交点。

step2：求解正在处理的扫描线与目标船五边形的交点坐标。

通过式(5)得到五边形的两个相邻顶点坐标为(xts_p1,yts_p1)和(xts_p2,yts_p2)，如该条边与扫描线存在交点，则交点的横坐标xps可表示为下式：

xps＝xts_p1-yts_p1·(xts_p2-xts_p1)/(yts_p2-yts_p1)(6)

注意：本发明不考虑扫描线仅通过五边形一个顶点及与五边形一条边重合的情况，扫描线与五边形相交时，有且仅有两个交点，如图6扫描线坐标系下的相交情况所示。

通过图5方式，在扫描线坐标系中，利用上式可获得该扫描线与目标船两个交点a和b的横坐标值，这里用xps_max和xps_min分别表示b点横坐标(较大值)和a点横坐标(较小值)。

step3：更新扫描线上各点的幅值

通过式(6)即可确定当前正在处理的扫描线上xps_min和xps_max之间的所有扫描点为目标船占据的回波成像，更新该扫描线上各点幅值，[xps_min,xps_max]区间外的各点幅值为0，[xps_min,xps_max]区间内的各点幅值为255。

通过上述step1至step3步骤，可计算每根扫描线与所有目标船的相对位置关系，无需遍历所有扫描点与所有目标船五边形的二维空间关系，仅需从一维角度计算扫描线与五边形的两个交点即可，大大减少计算量，同时保证计算的准确性。

步骤五、模拟发送雷达回波成像信息，截取成像数据，保证网络通信不丢失数据包

这里需要注意一点，除了上一步介绍的扫描点幅值信息外，本发明提出的方法为雷达显控台提供的通信信息还包括底噪值、扫描线时间、采样距离等其他实时状态，因此实际通信量较大，本发明采用广播的方式向外发送雷达回波成像信息。考虑到每个网络通信包中包含1472及以下的字节，该条件下通常不会出现丢失通信数据包问题，本发明对扫描线幅值及其他状态信息进行截取处理，每个通信包包含1471个字节的数据包，另外再增加一个“\n”字节作为数据包的结尾字节。通过以上通信方式，一方面可不用像tcp网络通信那样需要校验接收数据而影响通信速率，另一方面本发明可为多台显控台提供回波成像信息，并保证不丢失数据包。

步骤六、雷达回波成像信息可视化

为雷达显控台提供回波成像信息之外，本发明设计自身模拟雷达回波信息的可视化功能，该功能可以为显控台提供参照的对应成像效果，也便于测试回波成像与船舶航行模拟单元输出的本船和目标船的实时状态，采用以下步骤实现上述功能：

step1：在数据通道中提取成像数据，降频抽样选取成像信息

本发明中船舶航行模拟单元的组播通信周期为tmtsock，同时考虑到雷达显控台扫描一周的时间为tscan，本发明雷达模拟回波刷新周期tsimu满足下式：

tsimu＝0.4·tscan(7)

上式实现了对tmtsock的降频抽样，同时刷新频率高于雷达显控台，可为其提供及时的参照成像效果。

step2：选择全黑的图片作为背景图片，按照像素绘制雷达回波成像信息

本发明选择预先制作的方形全黑图片作为雷达回波成像的背景图片，该图片边长为lbk，设置场景显示缩放比例kbtr，用以表示1个雷达回波图像像素对应的屏幕显示像素数量，则雷达原始图像中可显示的最大像素数npmax表示为下式：

npmax＝lbk/(2*kbtr+0.5)(8)

在[0,npmax]区间内，遍历每个雷达像素点，求取每个像素点相对于背景图片中心坐标值，这里用(xpix,ypix)表示，如下式所示：

上式中：xbk和ybk分别为背景图片中心点在屏幕坐标系上的坐标，i为遍历到的像素点id号。

可通过下式计算在背景图片对应雷达回波成像像素的偏移量doffset，注意每个像素由r、g、b三个值确定。

doffset＝3·(lbk·(lbk-ypix-1)+xpix)(10)

通过调整doffset，确定每一根雷达扫描线在背景图片上的对应像素位置，根据其上各扫描点的幅值数据，在黑色背景图片上绘制成像信息，如扫描点幅值为0，则保持图片该点位置处像素的rgb三值均为0，如扫描点幅值为255，则图片该店位置处像素为r＝255，r＝255，b＝0，最终使目标船呈现黄色五边形图案。并且通过调整kbtr可实现放大或缩小雷达可视区域的显示半径。

算法验证示例及说明

为验证本发明方法的有效性和准确性，下面针对两个方面开展验证工作。雷达显控台来自实际船桥，利用本发明提出的方法来提供雷达模拟回波成像信息，并实现成像的可视化。

1、船舶回波成像位姿对比

本发明方法提供的雷达模拟成像信息可视化界面的目标船成像和实际船桥雷达显控台接收到的目标船成像如图7和图8所示：

对比两图可以看出：一方面，本发明方法生成的目标船回波成像信息与船桥雷达显控台接收到成像的位置和姿态是一致的，另一方面，本发明提出的回波成像方法，可任意设置目标船的成像尺寸，便于显控台观察和调试观察效果。

2、雷达显控台的扫描周期验证

该雷达显控台的扫描周期为2.4秒，利用本发明方法连续发送10个不同圆圈的模拟数据，并统计雷达显控台绘制10个圆圈成像的时间，显控台试验过程界面如图9所示。

按照如上方式，统计10次试验结果，试验数据如下表所示：

表1雷达显示单元成像扫描时间统计表

通过上述数据可知，每个扫描圆圈的时间为2.394秒，与期望的扫描周期2.4秒基本一致，本发明提供的模拟目标船成像方法能够为雷达显控台提供较为准确的雷达模拟数据。