Геоискажение радара

This article does not cite any sources. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Radar geo-warping" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (February 2016) (Learn how and when to remove this message)

Геоискажение радара — это настройка геопривязанных радарных изображений и видеоданных для соответствия географической проекции . Это искажение изображения позволяет избежать любых ограничений при его отображении вместе с видео с нескольких источников радаров или с другими географическими данными, включая отсканированные карты и спутниковые изображения, которые могут быть предоставлены в определенной проекции. Существует много областей, где геоискажение имеет уникальные преимущества:

• Единый видеосигнал радара отображается вместе с картами различных географических проекций. Например
  • Меркатор
  • УТМ
  • стереографический
• Одновременно отображаются несколько видеосигналов радаров:
  • Наличие вычислительной мощности для выполнения этой задачи на одном компьютере.
  • Адаптация проекции всех радиолокационных сигналов, обеспечивающая географически правильное отображение и точное наложение этих видео.
• Коррекция наклонной дальности : современная 3D-радиолокационная система может измерять высоту цели, и, следовательно, можно корректировать видеосигнал радара по реальной скорректированной дальности цели. Коррекция наклонной дальности также позволяет компенсировать высоту вышки радара, например, для морских радаров наблюдения.

Видео радара представляет эхо электромагнитных волн, которые система радара излучает и принимает в качестве отражений впоследствии. Эти эхо обычно отображаются на экране компьютера с цветовой схемой кодирования, отображающей силу отражения. В процессе такой визуализации необходимо решить две проблемы. Первая проблема возникает из-за того, что антенна радара обычно поворачивается вокруг своей позиции и измеряет расстояния отраженного эха от своей позиции в одном направлении. Это фактически означает, что данные видео радара представлены в полярных координатах . В старых системах полярно-ориентированное изображение отображалось в так называемых индикаторах положения плана (PPI). PPI-scope использует радиальную развертку, вращающуюся вокруг центра представления. Это приводит к картографическому изображению области, охваченной лучом радара. Используется экран с длительным послесвечением , так что дисплей остается видимым до тех пор, пока развертка не пройдет снова.

Пеленг на цель указывается угловым положением цели по отношению к воображаемой линии, проходящей вертикально от начала развертки до верхней части прицела. Верхняя часть прицела — это либо истинный север (когда индикатор работает в режиме истинного пеленга), либо курс судна (когда индикатор работает в режиме относительного пеленга).

Для визуализации на современном экране компьютера полярные координаты должны быть преобразованы в декартовы координаты. Этот процесс, называемый преобразованием радиолокационного сканирования, более подробно представлен в следующем разделе. Вторая проблема, которую необходимо решить, возникает из того факта, что радиолокационная система размещается в реальном мире и измеряет реальные позиции эхо-сигналов. Эти эхо-сигналы должны отображаться вместе с другими данными реального мира, такими как позиции объектов, векторные карты и спутниковые изображения, согласованным образом. Вся эта информация относится к искривленной поверхности Земли, но отображается на плоском дисплее компьютера. Создание ссылки из реальных позиций Земли в пиксели отображения обычно называется географической привязкой или, короче, геопривязкой.

Частью процесса геопривязки является отображение трехмерной поверхности земли на двухмерном дисплее. Этот процесс географической проекции может быть выполнен многими способами, но разные источники данных имеют свою собственную «естественную» проекцию. Например, декартовы данные видео радара от источника радара на поверхности земли геопривязываются с помощью так называемой радиолокационной проекции. При использовании этой радиолокационной проекции декартовы пиксели видео радара могут быть напрямую отображены на экране компьютера (только будучи линейно преобразованными в соответствии с текущим положением на экране и, например, текущим уровнем масштабирования). Теперь возникает проблема, если, например, спутниковая карта должна быть показана вместе с видеоданными радара. «Естественная» географическая проекция спутникового изображения будет спутниковой проекцией, которая зависит от орбиты спутника, положения и других параметров. Теперь либо спутниковое изображение должно быть перепроецировано в радиолокационную проекцию, либо радиолокационное видео должно использовать спутниковую проекцию. Эта географическая перепроекция также называется географическим искажением или геоискажением , где каждый пиксель изображения должен быть преобразован из одной проекции в другую. В этой статье более подробно описывается геодеформация радарных видеоизображений в реальном времени. Также будет показано, что геодеформация радарного видео выполняется наиболее эффективно, когда она интегрирована с процессом преобразования радарного сканирования.

В этом разделе описываются принципы процесса преобразования радиолокационного сканирования (RSC).

Радар предоставляет свои измеренные данные в полярных координатах (ρ,θ) непосредственно с вращающейся антенны. ρ определяет расстояние цели/эхо-сигнала, а θ — угол цели в полярных мировых координатах. Эти данные измеряются, оцифровываются и сохраняются в полярном хранилище координат или полярной растровой карте . Основная задача RSC — преобразовать эти данные в декартовы (x, y) координаты отображения, создавая необходимые пиксели отображения. На процесс RSC влияют текущие настройки масштабирования, сдвига и поворота, определяющие, какая часть «мира» должна быть видна на изображении отображения. Как подробно описано ниже, процесс RSC также учитывает текущую используемую географическую проекцию, когда видеоизображения радара подвергаются геодеформации.

OpenGL RSC реализован с использованием подхода обратного сканирования, который вычисляет для каждого пикселя изображения наиболее подходящее значение амплитуды радара в полярном хранилище. Этот подход генерирует оптимальное изображение без каких-либо артефактов, известных из алгоритмов заполнения спиц вперед . Применяя билинейную фильтрацию между соседними пикселями в полярном хранилище во время процесса преобразования, OpenGL RSC в конечном итоге достигает очень высокого визуального качества изображения на дисплее радара для каждого уровня масштабирования, создавая плавные изображения эхо-сигналов радара.

В этом разделе показано, как видеоданные радара привязываются к местности и отображаются на экране компьютера.

Датчик радара располагается на поверхности земли на высоте h над землей. Он измеряет прямое расстояние d до цели (а не, например, расстояние цели от радара, если бы он двигался по поверхности земли). Это расстояние затем используется в плоскости отображения после настройки на текущий уровень масштабирования отображения преобразователем сканирования радара (RSC). Теперь необходимо прояснить, как данные видео радара имеют географическую привязку. Это в основном означает, что если мы хотим отобразить географический объект реального мира (например, маяк), который находится в том же реальном положении, что и цель радара, то он также должен отображаться в том же положении в плоскости отображения. Это реализуется путем расчета расстояния от датчика радара до соответствующего объекта реального мира и использования этого расстояния в плоскости отображения. Положение объекта реального мира обычно указывается в географических координатах (широта, долгота и высота над поверхностью земли). Другими словами, использование проекции радара с географическими данными выполняется путем моделирования процесса измерения радара с объектами реального мира и использования полученного диапазона и азимута в плоскости отображения.

На втором рисунке справа показан пример проекции радара с центром проекции (ЦП) на широте 50,0° и долготе 0,0°, что также является позицией радара. Пунктирные линии — это линии равной широты и равной долготы поверх фоновой карты. Сплошные линии показывают равнодальность и равноазимут относительно позиции радара. Особенностью проекции радара является то, что линии равной дальности представляют собой круги, а линии равноазимута — прямые линии. Это необходимо для согласованного отображения видео радара с другими данными карты при использовании проекции радара, где центром проекции должно быть положение радара.

This section does not cite any sources. Please help improve this section by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (August 2018) (Learn how and when to remove this message)

В этом разделе объясняется фактический процесс геодеформации или повторного проецирования применительно к видео радара в реальном времени. Предположим, мы хотим отобразить видео радара поверх спутникового изображения. В качестве примера мы используем проекцию CIB, которая используется для отображения спутниковых данных в формате CIB (Controlled Image Base) .

Рисунок Geo Warping Radar to CIB Projection показывает пунктиром максимальный круг дальности для диапазона 111 км или 60 миль с использованием проекции радара. Такой диапазон типичен для прибрежных радаров дальнего действия. Как указано в последнем разделе, это идеальный круг также на экране компьютера. Сплошной эллипс показывает тот же круг дальности для проекции CIB.

Обычно ошибки, возникающие без Geo Warping, наименьшие вблизи положения радара, если, по крайней мере, центр проекции (COP) совпадает с положением радара, как это реализовано в нашем примере. В противном случае распределение ошибок зависит как от используемой проекции, так и от параметров проекции. Таким образом, в нашем случае ошибки наиболее значительны вблизи максимального диапазона радара. Ошибка проекции CIB, исправленная в направлении восток-запад на половине диапазона радара, составляет 2,6 км и 5,3 км на полном диапазоне радара 111 км. Ошибка в 5,3 км весьма существенна по сравнению с типичным разрешением радиального измерения радара 15 м.

Перепроекция координат рисунка объясняет, как координаты радара должны быть преобразованы для соответствия координатам проекции CIB. Координаты мира радара соответствуют декартовой версии данных, измеренных датчиком радара. Используя обратную проекцию радара, эти координаты преобразуются в географические координаты, которые представляют позиции данных радара на поверхности земли. Затем эти координаты окончательно проецируются проекцией CIB (или любой другой) для отображения на экране компьютера.

Проблема, которая возникает, заключается в том, что геодеформация всех измеренных пикселей видео радара требует слишком много вычислительных ресурсов, чтобы выполняться в реальном времени. Возможным решением является использование таблиц поиска для всех точек на экране, но пересчет таблицы поиска после, например, операции масштабирования дисплея все еще вызывает заметную задержку визуализации видео радара.

Рисунок Geo warping grid иллюстрирует решение проблемы. Круговая зона покрытия радара разделена на круговую сетку. Гео-деформация применяется только к угловым точкам сетки, что значительно сокращает время вычислений. Координаты внутри ячейки сетки вычисляются путем взвешенной билинейной интерполяции угловых точек сетки. Поскольку географические проекции обычно являются нелинейными функциями, это вносит определенную погрешность в положение видеоотображения радара. Поддержание этой погрешности достаточно ниже разрешения измерения радара гарантирует, что это не будет ограничением для качества видеоотображения радара. Размер ячейки сетки должен быть вычислен один раз для положения радара и заданной проекции. Таким образом, сетка обычно вычисляется один раз для статического радара и только чаще для движущихся радаров, таких как на кораблях.

Радарно-сканирующий преобразователь OpenGL выполняет вычисления преобразования сканирования на графическом процессоре для достижения высокой производительности и визуального качества. Упомянутая выше билинейная интерполяция координат выполняется на выделенном оборудовании на GPU и, следовательно, не вызывает накладных расходов для сканирующего преобразователя.

В этом примере показано, как геодеформация помогает последовательно отображать несколько видео с радаров.

На этом рисунке показаны визуальные эффекты на правой стороне без геоискажения, когда цели, видимые двумя радарами, не могут быть правильно отображены, и неясно, где на самом деле находится цель. Красные и желтые эхо-сигналы от целей видны радарами, которые находятся на расстоянии около 50 км. Радары также находятся на расстоянии около 50 км друг от друга. Полупрозрачный розовый цвет отображает историю траектории.

В этом сценарии используется даже проекция радара, но, конечно, центр проекции радара (COP) может быть только в позиции одного из радаров. Еще большие несоответствия могут возникнуть, если используется проекция, отличная от проекции радара. Геоискаженный вид слева показывает последовательно отображаемые эхо-сигналы радара, где оба эхо-сигнала радара находятся точно в позиции реальной цели.