电磁场数据可视化系统设计与实现

1、第23卷第4期vol. 23 no. 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

2、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-research and application on visualization system of spatial electromagnetic environmentmu lan1, ren lei1, wu ying-nian1,2, liu deng-kun1, shen yue-wei1, zhang lin1(1. college of automation science a

3、nd electrical engineering, beihang university, beijing 100191, china;2. college of automation, beijing information science and technology university, beijing l00192, china)abstract: a visualization system of spatial electromagnetic environment was designed and realized. the system realized 2d and 3d

4、 visualization of electromagnetic field with electromagnetic distribution situation, isograms, and propagation direction and path. the application result shows that the prototype system can provide the user an efficient visualization tool of spatial electromagnetic environment.key words: electromagn

5、etic environment; computer simulation; visualization; electromagnetic situation; electromagnetic propagation path引 言收稿日期：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

6、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。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

7、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(advanced refractive effects prediction system，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

8、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

9、间动画实现了电磁态势的推演和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

10、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(parabolic equation, 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与坐标y无关,则有二维波动方程：(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形式，因此可定义沿x轴正向传播的波函数为：(2)将式(2)代入到式(1)中得：(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(4)则可以将(3)式分解为：(5)式中q称为伪

11、微分算子，且：(6)因此得到以下两个关于x的抛物方程：(7)(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时，均匀无源区域内的三维标量波动方程为(9)仍设电磁波主能量沿x轴正向传播，场的谐函数表示为(10)将其代入到(9)式得：(11)式(11)中，横向laplace算子为(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：(13)其中伪微分算子q为(14)式(13)中前后两个乘积项分

12、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。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、电磁数据求解、数据统一建模、解析映射、绘制渲染、人机交互

13、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。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

14、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

15、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>。xlocation，ylocation，zlocation分别为该点的x轴、y轴、z轴坐标；同样，定义power

16、grid=<powernodeset>，powernodeset是能量数据点powernode集合，powernode=<xlocation, ylocation, zlocation, power>，power为该点的电磁能量值。曲线控制点数据模型line由电磁场传播路径path和电磁场等值线isoline构成，即line=<path, isoline>。path=<pathnodeset>，pathnode=<xlocation, ylocation, zlocation, power>；isoline =< isoline

17、nodeset>，isoline node=<xlocation, ylocation, zlocation, power>。同网格数据模型一样，xlocation、ylocation、zlocation分别为点的x轴、y轴、z轴坐标，power为该点的电磁能量值。2.3 解析映射及空间可视化结构生成方法针对不同的模型渲染方式，3d模型顶点由positioncolored、positionnormalcolored、positiontextured、positionnormaltextured 等结构来定义，结构中的“position”、“color”、“normal”、“t

18、exture”字段分别表示该结构中包括顶点位置、顶点颜色、法线向量及纹理坐标等，即图形顶点格式vertexformat=< positioncolored, positionnormalcolored, positiontextured, positionnormaltextured>。包含位置坐标和颜色的结构positioncolored =< position, color>；包含位置坐标、法线向量和颜色的结构positionnormalcolored =< position, color, normal>；包含位置坐标和纹理坐标的结构positiont

19、extured =< position, tu, tv>；包含位置坐标、纹理坐标和、法线向量的结构positionnormaltextured =< position, tu, tv, normal>。其中位置坐标position=< x, y, z >，顶点颜色color=<a, r, g, b>，tu和tv对应用2d笛卡尔坐标定位矩形纹理图片各个像素位置的x和y，该点所在平面的法线向量normal=< nx, ny, nz >。在表示电磁能量态势、电磁场等值线、电磁波传播路径时顶点颜色color用来表现电磁能量的大小。系统根据最大

20、能量值和最小能量值对各顶点颜色的r、g、b各分量按比例赋值，来反映能量的大小。电磁能量计算时会设定阈值，当小于阈值时赋特定最小值，因此当显示能量时小于等于最小值的点认为没有电磁能量到达，令其不可见，设为透明，可见点的能量颜色的透明度由用户交互设置。法线向量为从坐标系统原点到normal表示的点的有向线段，在空间电磁可视化中所有的3d模型的平面由若干的三角形平面组成，因此法线向量表示的该点所构成的三角平面的法线向量。在3d可视化中，法线向量主要用来计算光的反射，根据法线向量来确定用光学原理计算光源照射到三角平面上的入射角和反射角。复杂的地形平面的很多个三角形平面的法线方向是不同，因此入射光线照射

21、将反射不同的明暗效果，从而呈现出立体感。本系统的光照的效果通过图形卡的硬件加速来实现，这样节省了系统的资源开支。2.4 绘制渲染方法空间电磁环境的绘制与渲染主要分为顶点处理和像素处理两个主要功能模块的执行。顶点处理就是把三维电磁环境的所有顶点经过世界变换、观察变换、投影变换为计算机显示器窗口上的顶点，顶点包括位置坐标属性以及根据设定的光源及材质生成的颜色属性。像素处理根据顶点颜色使用渐变过渡的算法进行颜色混合，填充整个平面，从而实现电磁环境的绘制渲染。本系统使用高级着色语言hlsl定义处理顶点着色和像素着色的方法写入文件中，转换为能在图形卡gpu中运行的代码完成3d图形的渲染，可编程流水线的使

22、用加强了顶点处理和像素处理的能力。为了不仅表现出地势高低的变化，而且使地形更加逼真，本系统对地形采用了根据地形高度和倾斜度产生混合纹理的纹理映射的方法。首先根据地形高度和倾斜度分别计算在每一点的各纹理混合比例，根据纹理混合比例计算出每点混合后的颜色值，在计算出该点的各种材质的纹理比例后，各材质对应点处的r、b、g值乘以各自的纹理比例即可计算出该点渲染的纹理颜色r、b、g值，从而将纹理覆盖到三维地形模型的表面，实现地形的纹理渲染。系统还应用规则矩形格网自动绘制等值线的原理，利用能量模型的矩形格网点的能量值内插出格网边上的等值点，并将这些等值点按顺序连接，生成随地势变化的电磁场分布的曲面上或是电磁

23、场能量在空间剖面x-z坐标平面上f(x，y)=c的轨迹分布线。这里的c为可视化系统中能量等值线的上的点的能量值，根据等值线能量值c的能量大小不同，各等值线的颜色也不同，由红色到蓝色，表示的电磁能量逐渐降低。3 应用实例本文所设计的空间电磁环境可视化系统实现了电磁能量分布态势、电磁场等值线、电磁波传播路径等的显示，空间电磁环境可视化系统的运行界面如图3所示。以某地区的空间电磁环境可视化为例，该地区所采用的规则网格数字高程模型数据尺寸为63810*59850，分辨率为90米。图3 空间电磁环境可视化系统的运行界面电磁场最主要的特征的便是能量的强弱，并且随着电磁波的传播，电磁能量也在变化，因此用颜色

24、来表示电磁场的强弱，可以比较好的出反映出电磁场分布情况。本系统从电磁态势二维空间剖视和电磁三维地面分布态势两个角度对电磁场分布进行描述，这样可以让使用者不仅了解地面附近的电磁强弱覆盖情况，并且可以直观地看到空中的电磁场覆盖情况，从而从二维、三维空间等多个维度为使用者提供了决策依据。图4和图5分别为二维空间剖面电磁能量分布态势和地面覆盖电磁能量分布态势图，红色点为发射机的位置。图4 空间剖面电磁能量分布态势图图5 地面覆盖电磁能量分布态势图图6 电磁场等值线图（根据图5的电磁能量分布绘制）图6为根据图5中的地面覆盖电磁能量分布绘制出的电磁场等值线图。用等值线对电磁场能量数据进行描述，可通过等值线

25、的疏密程度来判断电磁能量的变化趋势，可让使用者更加直观方便的观测和分析电磁分布情况。图7为显示部分接收点的电磁波传播路径图。可视化系统实现了发射点、接收点、中间传输点、传播路径、各接收点接收能量大小、传播路径能量大小的显示，结合地形生成，达到电磁波传播的三维模拟逼真显示效果，便于分析电磁环境对能量损耗的影响。图7 电磁波传播路径图4 结论本文通过对基于pe方法的电磁波传播求解模型的分析，建立了电磁场数据可视化映射模型；研究并设计了空间电磁环境可视化系统的体系结构，设计了其中的主要组成部分：电磁环境参数设置、数据统一建模、解析映射、绘制渲染、人机交互等模块；研究并实现了电磁环境可视化的关键技术，

26、包括空间电磁环境数据的统一模型的构建方法、解析映射及空间可视化结构的生成方法、以及电磁环境的绘制渲染方法等；设计并实现了一个空间电磁环境可视化系统。通过应用实例实验，表明该系统能够从二维、三维空间等多个维度对电磁场进行可视化处理，实现了电磁环境可视化的分布态势图、等值线图、传播方向路径图等多种可视化方法，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。但目前本系统对于更大规模的地形和电磁的显示的资源调度仍然存在一定问题，因此下一步将要解决更大规模数据的实时可视化和复杂三维体数据可视化问题。参考文献：1 吴迎年, 张霖, 张利芳. 电磁环境仿真与可视化研究j. 系统仿真学报, 20

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