[发明专利]一种模拟船用雷达的目标船回波2D成像方法

权利要求书

1.一种模拟船用雷达的目标船回波2D成像方法，其特征在于，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(x_t,y_t)、速度v、角速度ω、航向θ_t，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(x₀,y₀)，本船航向为θ₀，目标船在地面坐标系下位置为(x_T,y_T)；

(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k_x和k_y，设目标船的实际长度和宽度为L_Tx和L_Ty，目标船的航向为θ_T，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(x_TS,y_TS)，将该坐标点由雷达坐标系变换至地面坐标系，变换后坐标(x_{TS_g},y_{TS_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(x_{TS_p},y_{TS_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(x_{TS_p1},y_{TS_p1})和(x_{TS_p2},y_{TS_p2})，如该条边与扫描线存在交点，则交点的横坐标x_ps满足：

x_ps＝x_{TS_p1}-y_{TS_p1}·(x_{TS_p2}-x_{TS_p1})/(y_{TS_p2}-y_{TS_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x_ps＝x_{TS_p1}-y_{TS_p1}·(x_{TS_p2}-x_{TS_p1})/(y_{TS_p2}-y_{TS_p1})获得该扫描线与目标船两个交点横坐标值x_{ps_max}和x_{ps_min}，x_{ps_max}和x_{ps_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x_ps＝x_{TS_p1}-y_{TS_p1}·(x_{TS_p2}-x_{TS_p1})/(y_{TS_p2}-y_{TS_p1}))即可确定当前正在处理的扫描线上x_{ps_min}和x_{ps_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，[x_{ps_min},x_{ps_max}]区间外的各点幅值为0，[x_{ps_min},x_{ps_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T_mtsock，雷达显控台扫描一周的时间为T_scan，雷达模拟回波刷新周期T_updata满足：

T_updata＝0.4·T_scan

对T_mtsock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L_BK，设置场景显示缩放比例k_BTR，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N_pmax为：

N_pmax＝L_BK/(2*k_BTR+0.5)

在[0,N_pmax]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(x_pix,y_pix)表示，(x_pix,y_pix)满足：

其中x_BK和y_BK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D_offset，D_offset满足：

D_offset＝3·(L_BK·(L_BK-y_pix-1)+x_pix)

通过调整D_offset，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k_BTR放大或缩小雷达可视区域的显示半径。

2.根据权利要求1所述的一种模拟船用雷达的目标船回波2D成像方法，其特征在于，步骤一所述参数包括：

(1)扫描线角度等分数量N_d；

(2)雷达模拟回波扫描一周的时间T_c；

(3)当前扫描线的方位角θ_cs；

(4)每根扫描线包含的点数N_sp；

(5)每个扫描点代表的物理距离D_pp；

(6)定时器仿真步长T_simu；

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N_d·T_simu/T_c条，这些扫描线按照方位角递增方式，逐条处理，即θ_cs＝k·2π/N_d，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、N_sp和D_pp，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；

步骤一所述坐标系定义为：

(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。