雷達陣地三維數字化系統的設計與實現
——基于國產三維激光掃描儀的雷達陣地快速勘測應用

李光偉,曹 原,才長帥

（空軍裝備研究院雷達與電子對抗研究所，北京，100085）

雷達陣地三維數字化系統的設計與實現
——基于國產三維激光掃描儀的雷達陣地快速勘測應用

李光偉,曹 原,才長帥

（空軍裝備研究院雷達與電子對抗研究所，北京，100085）

雷達裝備性能的發揮常常受制于雷達陣地周圍地理環境，因而根據地理環境合理選擇雷達陣地架設點是充分發揮雷達系統性能和有效遂行戰斗任務的重要前提。雷達陣地三維數字化系統以基于國產三維激光掃描儀所獲取的地形數據為基礎，構建三維高程地形模型，可以有效地計算雷達架設點的遮蔽數據以及斷面數據，從而為精確、快速地勘選雷達陣地提供重要的輔助作用。

雷達陣地勘選；三維激光掃描；點云數據

0 引言

三維激光掃描儀作為一種新型的非接觸式海量高精度數據獲取手段，在國內外已經得到了廣泛的應用。點云數據的后處理也成為目前應用研究的熱點，尤其在三維幾何建模中的地位十分重要。目前，國內在文物保護、變形監測、數字城市等領域對三維激光掃描技術的應用比較成熟，但在雷達陣地快速勘選方面的應用還處于研究階段。商用點云數據處理軟件，包括Geomagic、Polyworks、Imageware等雖然已獲得較為廣泛的應用，但這些軟件在處理大面積復雜地形數據時，計算效率非常低。

影響雷達陣地勘選的因素多且復雜，可以歸納為陣地地形條件、雷達工作環境、人員生存環境、雷達戰術性能等因素，地形因素又包括雷達反射面、地形遮蔽角、道路狀況等子因素。雷達裝備性能的發揮受地形條件的影響明顯，傳統的陣地勘選方法是人工實地勘測，主要缺點是費時費力。但是為了保證所架設雷達系統的探測性能，就必須對周邊地形起伏進行詳細勘測。在精細勘測基礎上，合理選擇雷達系統架設位置，并對使用過程中陣地的變化情況嚴密監測，這是保證雷達系統有效遂行戰斗任務的重要前提，同時合理選擇雷達系統架設位置更能精確、高效地發揮雷達陣地偵察、預警、作戰的整體威力。三維激光掃描儀快速精確獲取的地形數據在雷達陣地勘測中具有重要的參考作用，然而這些地形數據并不能直接輔助雷達架設地點的選取，需要對點云數據進行后處理，在完成地形的三維建模基礎上，再對相關數據進行分析。

雷達陣地三維數字化系統，是基于國產三維激光掃描儀所獲取的m范圍內的地形數據和高分辨率相機獲取的雷達陣地平面圖形數據，實現點云數據預處理、陣地數字地表模型的自動生成以及天際線自動設別等功能；進而根據近區遮蔽數據、中距離遮蔽數據、遠區遮蔽數據，計算雷達陣地的遮蔽數據、斷面數據和探測威力；從而為雷達架設點精確快速勘選創造條件，確保所架設雷達的實際探測性能。

1 系統原理及功能模塊

1.1 工作原理

本系統工作原理如圖1所示。

圖 1 系統工作原理圖

雷達陣地三維數字化系統的主要工作步驟包括：以遠程三維激光掃描儀對m內的雷達陣地進行掃描，獲得陣地三維點云數據；再經點云數據預處理獲得陣地的三維地表模型；根據陣地三維地表模型，計算雷達陣地近區遮蔽角，根據陣地全景圖像，計算中距離遮蔽角，從而根據戰區地圖，計算遠區遮蔽角，綜合雷達陣地近區、中距離和遠區遮蔽數據，得到雷達陣地遮蔽角；建立雷達模型、地面反射/繞射模型，根據陣地三維地表模型和雷達陣地遮蔽，計算不同型號雷達在陣地上的遮蔽、地面反射/繞射和雷達波瓣分裂情況，計算雷達探測覆蓋范圍；最終給出雷達陣地選擇和雷達裝備架設決策建議。

此外，雷達陣地數據數字化管理可將所有在用和備用雷達陣地的三維地形數據，經數據壓縮和分類處理后存入雷達陣地數據庫，為使用者提供雷達陣地地形的統計和查詢；建立與裝備仿真系統的數據接口，提供雷達陣地三維地形數據及雷達探測覆蓋計算結果。

1.2 功能模塊

雷達陣地三維數字化系統軟件包括人機交互軟件模塊、點云數據預處理軟件模塊、三維建模軟件模塊、電波仿真軟件模塊、陣地數據管理軟件模塊和數據接口模塊等，各模塊間信息流程見圖2。各模塊主要功能如下：

1) 人機交互軟件模塊

人機交互軟件模塊提供人機交互界面，完成三維激光掃描儀設備狀態設置、控制、點云數據采集以及與其它軟件模塊的交互等。

2) 點云數據預處理軟件模塊

數據預處理內容包括點云顏色匹配、去噪平滑、簡化以及配準。點云數據去噪是采用數字圖像各種濾波方法去除超出閾值的噪聲點，并盡量保留數據的邊緣和細節，常見的算法有局部平滑法、中值濾波法、拉普拉斯法等。點云數據簡化采用內等距采樣法、距離閾值法、曲率閾值法。此外，采用改進的就近點搜索法（iterative closest point, ICP）算法實現原始點云三維圖像的高精度配準。

3) 點云數據三維模型重建軟件模塊

模型重建模塊實現三角網格模型建立、點云分割、模型適配、模型編輯和紋理匹配等功能，從而重建出一個真實的三維模型。其中，點云數據分割采用基于格網聚類分割方法，模型適配通過執行PCL適配算法實現雷達陣地、植被、房屋建筑、雷達天線罩等模型的自動識別和表面重建。

4) 雷達陣地遮蔽模型

雷達陣地遮蔽由近區遮蔽、中距離遮蔽和遠區遮蔽共同構成。

5) 雷達模型

建立包括所有現役雷達模型的數據庫，每型雷達基本參數包括頻率、功率、信號形式、水平波瓣圖和垂直波瓣圖等。

6) 電波反射、繞射模型

根據設置的雷達參數建立雷達模型，根據三維地表模型計算地面反射系數，此系數為平滑表面的反射系數、地球曲率引起的發散因子、表面粗糙度和表面植被因子的乘積。引入方向圖傳播因子，并將多徑效應對雷達探測距離的影響折算到方向圖傳播因子中，從而計算陣地反射作用下雷達的實際探測距離。

7) 雷達探測覆蓋模型

根據設置的雷達參數和陣地遮蔽情況，考慮雷達波直線傳播方式，計算雷達波覆蓋情況。

2 系統實現及應用

圖 2 雷達陣地測量建模平臺信息流程圖

2.1 系統及算法實現

系統主框架采用開源三維點云處理軟件包Cloudcompare，用Visual C++6.0集成軟件和OpenGL技術編制而成，通過Microsoft visual studio 2010驅動MYSQL數據庫與軟件展示界面的連接。圖3為系統的人機交互界面。

圖 3 系統主界面

系統采用高斯權重插值法進行陣地點云數據的DEM表面建模。設為分析區內網格點的要素值，為各點行列序號，為測站實測要素值(為測站序號)，則插值公式為：

其中，是格點到測站之間的距離；為分析區和影響區半徑內的測站總數；為常數。對于平緩地勢的陣地地形，基于規則格網的高斯權重插值法效果很好，如圖4，但對于有著陡峭斜坡或大量斷裂線的地形形態比較破碎的地區，系統需要通過增加特征點、線和加大密度等進行優化。

圖 4 規則格網DEM及三角網格

雷達遮蔽角是指障礙物頂點和雷達站天線之間的連線與地平線之間的夾角。由于大氣是非均勻媒質，電波在大氣中傳播會發生折射，所以電波射線會向下彎曲。根據雷達原理，在標準大氣條件下，大氣隨高度變化對電波射線的折射率為/m，若地球平均半徑取km，地球等效半徑取km，可得雷達能探測到航空器高度的計算公式為：

其中：（km）為航空器海拔高度與雷達天線海拔高度之差；（km）為雷達站天線至航空器的斜距；（度）為雷達電波射線的仰角；（km）為雷達站天線到障礙物的水平距離。

根據式(3)，田傳江等論證了雷達遮蔽角（度）計算公式：

其中：（km）為障礙物海拔高度與雷達天線海拔高度之差；（km）為雷達站天線至障礙物頂點的斜距。

雷達探測范圍內各個方向上的最大雷達遮蔽角，以及受遮蔽角影響形成的雷達探測盲區，是雷達陣地架設中需要考慮兩個重要因素。如圖 5所示，遮蔽部分的長度為

其中：分別為可視部分的長度；為建筑物高度；為建筑物所在位置地面高度；為中間障礙物高度；為中間障礙物地面高度；o和分別為觀察者身高和所在位置地面高度。

圖 5 雷達遮蔽角示意圖

由式(4)和式(5)可得系統在任意方向上的最大俯仰角為

雷達陣地遮蔽角計算軟件界面如圖 6所示。

圖 6 計算陣地遮蔽角軟件界面

3 應用實例

根據陣地遠距離測量需要，實測案例中選用的是國產脈沖式遠程三維激光掃描儀設備，量程達到1200m（反射率為20%）。對某雷達陣地進行了掃描測試，共架設了5個測試點，2個測試點即完成全陣地掃描，其余3個測試點主要用于補盲。每站測量時間5分鐘，使用中等點密度模式，100m處點云間隔30mm，距離精度4mm。共采集點云有效數據19,213,721點。經點云數據預處理、三維模型重建后，獲得雷達陣地200m范圍內精密模型。

圖 7為雷達站原始點云數據，箭頭所指點云數據距離測量點50m，放大后測量，點云間隔0.028m。

圖 7 雷達站原始點云數據

點云數據處理過程如圖 8所示，其中圖 8(a)的點云數據只顯示地形和樹木，營房、雷達等人工物體已被手動剔除，且部分深藍色區域是由于數碼相機拍攝時曝光過度導致的顏色失真。從圖8(b)和圖 8(c)可以看出利用三維數據構建陣地模型的實際效果。

圖 8 點云數據處理過程：(a) 顏色匹配后點云數據；(b) 建模后陣地地表數據模型（顏色表示海拔高程，由藍到紅表示由低到高）；(c) 陣地等高線模型（示意圖，非真實高程）。

4 結束語

雷達陣地三維數字化系統大大加快了雷達陣地數字化進程，提高了雷達陣地測量速度和精度，為雷達陣地架設點勘選提供了重要的決策依據，為裝備性能發揮提供了數據支持，為雷達裝備陣地優化提供了依據，為增強雷達陣地數據管理能力創造了條件。

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李光偉，男，空軍裝備研究院雷達與電子對抗研究所

Design and Realization of Three-Dimensional Digital System for Radar Position——An application of rapid survey for radar positions based on domestic three-dimensional laser scanners

Li Guangwei,Cao Yuan,Cai Changshuai
(Radar and Electronic Countermeasure Research Institute,Air Force Equipment Research Academy,Beijing，100085)

The performance of aradar system is usually affected by its surrounding geographical environment. Radar position selection is therefore an essential prerequisite for fully exerting the effect of the radar and efficiently carrying out combat missions.Based on the terrain data obtained by domestic threedimensional laser scanners,three-dimensional digital system for radar position selection can accurately provide the shadowing area and the cross-section of the terrain.Thus it can support to exactly and rapidly select the radar position.

Radar position selection;three-dimensional laser scanning technology;point cloud

E919

A