电磁场数据可视化系统设计与实现

第23卷第4期系统仿真学报©Vol.23No.42011年4月JournalofSystemSimulationApr.,2011空间电磁环境可视化系统的研究与应用穆兰1,任磊1,吴迎年1,2,刘登坤1，沈月伟1,张霖1(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;2.北京信息科技大学自动化学院,北京100192)摘要：设计并实现了一个空间电磁环境可视化系统，能够对空间电磁环境中的地形与电磁数据进行统一建模，解析并作可视化映射，从二维、三维空间等多个维度对电磁场进行可视化处理，实现了电磁分布态势、等值线、传播方向路径等多种形式的电磁环境可视化方法，该系统能够为用户提供一种更为高效的空间电磁环境可视化分析工具。关键词：电磁环境；计算机仿真；可视化；电磁态势；电磁传播路径中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1004-731X(2011)04-ResearchandApplicationonVisualizationSystemofSpatialElectromagneticEnvironmentMULan1,RENLei1,WUYing-nian1,2,LIUDeng-kun1,SHENYue-wei1,ZHANGLin1(1.CollegeofAutomationScienceandElectricalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China;2.CollegeofAutomation,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijingl00192,China)Abstract:Avisualizationsystemofspatialelectromagneticenvironmentwasdesignedandrealized.Thesystemrealized2Dand3Dvisualizationofelectromagneticfieldwithelectromagneticdistributionsituation,isograms,andpropagationdirectionandpath.Theapplicationresultshowsthattheprototypesystemcanprovidetheuseranefficientvisualizationtoolofspatialelectromagneticenvironment.Keywords:electromagneticenvironment;computersimulation;visualization;electromagneticsituation;electromagneticpropagationpath引言1电子战已经成为现代战争的主要形式和手段，无论战场通讯、作战指挥还是战场直接对抗，电磁波都发挥着重要的作用。然而当前对电磁场强度的测量大多依靠专门的接收或探测设备，对于大范围电磁场覆盖情况的检测，将是浩大甚至难以实现的工程。而且，电磁场本身的不可见性大大增加了对其进行分析的难度。因此，对空间电磁环境仿真及其可视化的研究，对于现代电子战具有极其重要的意义，也是当前的研究热点[1-4]。对电磁场进行仿真并可视化的目的是为了辅助用户进行分析与决策，这需要从二维、三维空间等多个维度对电磁场进行可视化处理，并提供直观的可视化形式辅助用户洞悉空间电磁场分布的态势、电磁传播的方向与强度等规律。目收稿日期：2009-01-08修回日期：2010-09-30基金项目：北京市属高等学校人才强教深化计划中青年骨干人才项目(PHR201108258)作者简介：穆兰(1986-)，女，山西人，硕士生，研究方向为现代仿真与虚拟技术；任磊(1979-)，男，山东人，博士后,研究方向为建模与仿真、可视化；吴迎年(1976-),男,河北人,博士生,讲师,研究方向为建模理论与仿真、网络控制系统等；张霖(1966-),男,天津人,博士,教授，博导，研究方向为建模与仿真、复杂系统集成、软件工程等。前，国内外在电磁场的直观图形表示、三维网格消隐、实体显示、三维场等值着色等方面已取得了一定成果[5-8]。由美国空间和海军作战系统中心开发的高级折射效应预测系统(AdvancedRefractiveEffectsPredictionSystem，AREPS)可以得到复杂环境下电波传播特性，目前主要应用于美国海军各基地的指挥自动化、雷达、电子战和军事通信系统，为其战场态势评估提供电磁环境参考数据[9]，但是该系统只实现了二维电磁空间剖面态势表示，并未实现三维电磁可视化。文献[6]使用虚拟现实建模语言(VRML)以等值线和带方向的箭头和来动态表示电磁，但缺乏电磁场强度的连续分布态势。文献[8,10]对基于3D球面的电磁环境体可视化及复杂环境下雷达作用范围等做了相关研究，实现了3D球面地形上的电磁能量体数据的分层网格的渲染，用颜色及颜色透明度来表示电磁能量的强弱；文献[11,12]中实现了电磁环境可视化系统，采用直接体绘制、面绘制、切片绘制的方法对电磁数据进行了可视化。但是二者均未并未体现电磁波的传播方向及传播路径。文献[13]对雷达用五种颜色标注来表示战场电磁威胁等级，但并未表现出空间电磁环境中的电磁分布态势。文献[14]中构建了针对海战场的复杂电磁环境可视化系统，利用多媒体技术生成帧间动画实现了电磁态势的推演和第23卷第4期系统仿真学报Vol.23No.42011年4月JournalofSystemSimulationApr.,2011作战方案部署与仿真。文献[15]利用VTK实现了电磁标量场和电磁矢量场的三维可视化。文献[16]使用平面插值实现颜色映射来表示电磁分布态势。然而，目前仍然缺乏集成的空间电磁环境可视化系统，能够全面支持电磁场二维和三维可视化，以及对于电磁分布态势、等值线、传播方向路径等可视化算法的全面支持。针对以上问题，本文研究并实现了一个空间电磁环境可视化系统。该系统主要基于PE电磁场求解模型，建立了电磁场数据可视化映射模型；研究了系统的体系结构与关键技术；最后给出了系统的应用实例,通过应用实例说明了系统的功能及可视化效果。本系统通过电磁能量分布态势、电磁场等值线和电磁波传播路径等多种表现形式给用户提供了更全面的决策依据。1电磁环境可视化模型1.1电磁场求解模型抛物方程(ParabolicEquation,PE)方法是利用电磁场波动方程的抛物线近似形式来计算电波传播的方法,以下为文献[17]所给出的抛物方程模型。1.1.1二维问题考虑直角坐标系中三维波动方程中的任意电磁场分量ψ与坐标y无关,则有二维波动方程：22220220knxz(1)式中k0为真空中的波常数，n为媒质折射指数。求解波动方程所用的谐函数通常为0ikxe形式，因此可定义沿x轴正向传播的波函数为：0(,)(,)ikxuxzexz(2)将式(2)代入到式(1)中得：222200222(1)0uuuikknxxz(3)假设电波传播过程中，媒质折射指数n几乎不随距离x变化，即2()/0nx(4)则可以将(3)式分解为：00(1)(1)0ikQikQuxx(5)式中Q称为伪微分算子，且：222201(,)Qnxzkz(6)因此得到以下两个关于x的抛物方程：0(1)ikQux(7)0(1)ikQux(8)式(7)是直角坐标系中，电磁波前向传播的抛物方程，后向传播式（8）在PE方法中被忽略。对Q作不同的近似形式即可得到不同计算仰角、不同精度的二维抛物方程模型。1.1.2三维问题直角坐标系下，当电磁场时谐因子为ite时，均匀无源区域内的三维标量波动方程为22200kn(9)仍设电磁波主能量沿x轴正向传播，场的谐函数表示为0(,,)(,,)ikxuxyzexyz(10)将其代入到(9)式得：22220022(1)0tuuikuknuxx(11)式(11)中，横向Laplace算子为22222tyz(12)仍假设电波传播过程中媒介折射指数n几乎不随距离x变化，即式(4)，则式(11)可分解为：00((1))((1))0ikQikQuxx(13)其中伪微分算子Q为220111tQnk(14)式(13)中前后两个乘积项分别表示电波的前向传播和后向传播。将Q作合适的近似后即可得不同计算仰角、不同精度的三维抛物方程。1.2电磁场可视化映射模型电磁环境数据可视化实现主要包括：电磁环境数据建模、电磁统一模型数据的解析映射、电磁环境绘制渲染。电磁环境数据流动如图1所示，电磁可视化过程首先对电磁环境原始数据进行统一建模，再经过解析映射及绘制渲染，将原始数据转换成易于被理解或接受的图像数据显示出来；同时，用户可根据可视化过程的分析结果与整个可视化过程各模块进行交互操作。数据建模绘制渲染空间电磁环境原始数据统一模型数据可视化结构空间电磁环境解析映射图1电磁环境可视化映射模型图2系统体系结构与关键技术空间电磁环境可视化系统由电磁环境参数设置、电磁数第23卷第4期Vol.23No.42011年4月穆兰，等：空间电磁环境可视化系统的研究与应用Apr.,2011据求解、数据统一建模、解析映射、绘制渲染、人机交互等模块构成。通过对电磁环境数据建模，经过解析与可视化映射生成可视化结构，并对其进行绘制渲染，实现空间电磁环境的可视化。2.1系统体系结构图2所示为电磁场数据可视化系统体系结构。地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地Direct3D地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地地图2空间电磁环境可视化系统体系结构图基于.NET框架，空间电磁可视化系统采用三层架构设计，系统应用从下至上分别为：数据访问层、业务逻辑层、表示层。空间电磁环境可视化系统首先进行空间电磁环境参数设置，计算出电磁数据，然后将地形数据和电磁数据进行读入映射转换，通过数据建模生成统一的空间电磁环境数据模型，包括矩形网格数据模型、三角网格数据模型和曲线控制点数据模型，再对其经过解析与可视化映射生成空间电磁环境可视化结构，并对可视化结构进行绘制与渲染，以电磁场强分布态势、电磁等值线、电磁波传播路径等来表现环境中的电磁分布情况，使用者还可根据已显示的图像与系统进行交互，对渲染图像可进行缩放、旋转、平移等操作，从多角度观察电磁场分布情况。2.2空间电磁环境数据统一模型构建电磁环境可视化除了分析电磁强弱，展现电磁态势，还应包括电磁场所处的相对地形、地貌的情况。本系统目前可视化的数据包括地形数据、电磁场接收点能量分布数据和电磁波传播路径控制点数据。从建模数据格式划分，电磁环境数据建模又分为矩形网格数据建模、三角网格数据建模和曲线控制点数据建模。矩形网格数据包括地形矩形网格数据和电磁场能量矩形网格数据；三角网格数据包括地形三角网格数据；曲线控制点数据包括电磁场传播路径控制点数据和电磁场等值线数据。矩形网格数据模型Grid由地形网格TerrainGrid和电磁能量网格PowerGrid构成，即Grid=TerrainGrid,PowerGrid。定义TerrainGrid=TerrainNodeSet，TerrainNodeSet是地形数据点TerrainNode集合，TerrainNode=xLocation,yLocation,zLocation。xLoca