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沿海建筑遮挡对船舶交通雷达的影响的建模与仿真研究
摘要：
沿海高层建筑的雷达波反射特性形成了一定的屏蔽区域，使得船舶交通服务难以控制船舶在有遮挡水域的动态。为了研究沿海建筑物遮挡对船舶交通雷达的影响，根据建筑物的结构特点和雷达的相对高度，建立了船舶交通雷达遮挡面积的表达式模型。然后建立坐标系，根据几何关系计算出遮挡区域的范围和高度。根据雷达电磁波衍射理论，计算出了目标高度。最后，以蛇口雷达上的太子湾巡航建筑物为例，通过数值计算模型计算并可视化了遮蔽面积和高度，并通过实际船舶试验和观测进行了验证。建筑高度60米，覆盖蛇口雷达的遮蔽面积973090m2。研究结果不仅可以用来分析建筑物对现有船舶交通雷达站的影响，而且可以为船舶交通雷达站的选址提供重要的参考。
关键词：
沿海建筑、船舶交通雷达、遮蔽、电磁波衍射、实船试验
收到日期:2018年2月7日;接受日期:2018年8月13日
处理编辑:Nicolas Garcia-Aracil
通讯作者：
甘浪雄，航运学院，武汉理工大学
武汉 430036 ，中国
电子邮件：1913958499@qq.com
郑元洲，湖北省内河航运技术重点实验室
武汉 430036，中国
电子邮件：zhengyuanzhou0909@163.com
介绍：
船舶交通服务(VTS)是一个以交通信息为基础，完成交通控制，进而对船舶航行动态进行监控的系统。雷达分系统是VTS的一部分。VTS雷达的电磁波属于微波，在空间中均匀传播。当雷达电磁波遇到障碍物时，会产生屏蔽和衍射现象。随着港口的快速发展，沿海高层建筑物会对雷达电磁波产生强烈的反射，形成一定的遮蔽区，即雷达遮挡区，使得VTS难以控制船舶在遮蔽水域的动态，增加了海上监管的难度。因此，有必要研究沿海建筑对港口VTS雷达监控的遮蔽影响。
用于雷达屏蔽面积的计算，D Mu等人1基于悬索桥的特点，通过案例分析，提出了悬索桥对VTS雷达屏蔽面积的计算模型。Z Zhou等人2研究了基于数字高程模型(DEMs)的雷达地形遮挡面积计算方法，通过定义地形遮挡点来确定雷达的盲区，最终得到不同高度下的雷达探测能力范围。B Ren等人3总结了雷达屏蔽面积产生的原因，提出了一种数字地图处理方案，得到了一种快速计算雷达地形屏蔽面积的方法。仿真结果证明了该方法的可行性。H Wu4 提出了一种处理图像叠加的方法，可以快速找到阴影对象。利用真实图像和雷达图像的叠加，可以确定被遮挡物体的位置。提出了一种预测雷达场监视屏蔽区形成原因的方法。
HT Xue等人5 提出了一种基于转台履带式目标的雷达地面遮蔽面积计算模型，以快速计算飞机器低空穿越时的雷达地面遮蔽面积。通过实例计算，得到了地形遮挡面积在不同高度下的分布曲线和可视化模型。
目前，关于沿海建筑对VTS雷达的遮挡影响的研究较少。传统的研究方法是利用几何光学计算屏蔽面积的大小。但问题是这些方法只考虑了障碍物，没有考虑电磁波的衍射。
在雷达电磁波衍射模型方面，X Ma等人6提出了基于电磁波衍射的计算模型，减少了计算屏蔽面积的量，简化了仿真的复杂性。
Z Zheng7研究了电磁波的衍射规律，推导出了边峰衍射和圆峰衍射的公式。为研究电磁波遇到障碍物时的衍射提供了很好的参考。基于雷达性能参数和雷达衍射理论，H Guo8定量分析了风电机遮挡对岸基雷达方位角、距离和高度探测的影响。K Liu等人9基于雷达衍射理论分析了雷达回波的特性和性能参数，研究了风力发电装置对导航雷达的影响。
在三维(3D)建模方面，J Li和Y Liu10阐述了建筑的三维模型。结合3ds MAX和AutoCAD技术的优点，将其引入到建筑的三维建模中。在三维建模的基础上，对整个建模过程进行了介绍，实现了对建筑三维模型的真实性和准确性的要求。
YP Pang11介绍了舰载雷达功能仿真系统的研制过程，讨论了利用3ds MAX软件实现舰载雷达跟踪、搜索、制导功能三维动画制作的方法。论证了驱逐舰建模的方法和技术，讨论了模型精度与计算速度之间的平衡问题。
J Zhang12以某雷达为例进行建模与场景设计，从建模、灯光布置、渲染调整等方面论证了三维仿真软件应用中存在的问题及解决方法。
在阴影效应的验证中，X Mou等人13 通过实船仿真试验，探讨了万州三桥对海上雷达的影响，并预测了万州三桥对海上雷达的影响。
针对于解决当前雷达屏蔽区域检测困难、结果不准确的问题，提出了一种船舶交通管制雷达屏蔽区域的计算与验证方法。本文建立了雷达掩蔽区数学表达式模型，并引入建筑物三维模型定量计算了雷达掩蔽区面积和高度。同时，用实船试验对结果进行了验证。研究结果不仅可以用来分析现有建筑对现有VTS雷达的影响，还可以用来评估邻近沿海建筑对拟建雷达站的影响，为新建VTS雷达站的选址提供重要的理论参考。
屏蔽面积的表达式：
根据建筑物的结构特点和建筑物与雷达的相对高度，其屏蔽面积的数学表达式包括有限的连续三维屏蔽面积、有限的不连续三维屏蔽面积、无限的连续三维屏蔽面积和无限的不连续三维屏蔽面积。
- 有限连续三维屏蔽面积的表达模型：
建筑物的结构是连续的，建筑物的高度低于雷达的高度。有限连续屏蔽面积的模型可以表示为A(x, y, z)。这里介绍了雷达屏蔽区域的边界算法，雷达坐标为(x0, y0, h)。假设有一个初始屏蔽面A1，其边界满足F(x, y, z)=0的函数。以屏蔽面上a1(x1, y1, z1)为一个点，雷达过a1点发射线表示为：
屏蔽面积的边界面积表示为：
所以，有限连续屏蔽面A(x, y, z)位于面A1:F(x, y, z) =0和面A2:z=0之间。
- 有限不连续三维屏蔽面积的表达模型：
建筑物的结构是不连续的，建筑物的高度低于雷达的高度。有限不连续屏蔽区模型可以表示为B(xi, yi, n, z, n, z0, z1,hellip;,znn, k1, k2,hellip;,kn)。采用多组方法。设雷达点坐标为b(0,0, h)。设屏蔽区域水平投影上随机点的坐标为(xi, yi, 0)，屏蔽高度为Bin。屏蔽区B1初始面交点处有n个坐标点:F(x, y, z)=0, yxi-xyi=0。 Bn: (xB1,yB1,zB1)， (xB2,yB2,zB2)，hellip;， (xBn,yBn,zBn)，其中n是有限的。
点b、Bin、Bn都在同一直线上，由方程式(xBn/ xi=y Bn/yi =(zBn-h)/(zn-h)得到Zn。屏蔽区域的高度kn=zn-zn-1，得到B。
- 无限连续三维屏蔽面积的表达模型：
建筑物的结构是连续的，建筑物的高度高于雷达的高度。无限连续屏蔽区模型可表示为C(x0,y0,phi;0,rho;0,alpha;,Delta;)。采用极坐标法。雷达点坐标为c0:(x0, y0, h)。设屏蔽区F(x, y, z)=0的水平投影C1上随机点c1的坐标为(x0,y0,phi;0,rho;0)，其中phi;0为c1与c0的角度，rho;0为c1到雷达水平投影点的距离。
屏蔽起始面上点的高度表示为hi，和hi的纵坐标解为：
取phi;=phi;0 alpha;在线上
取rho;=rho;0 Delta;在延长线上：
得到了无限连续屏蔽面积C的表达式模型。
- 无限不连续三维屏蔽面积的表达模型 :
建筑物的结构是不连续的，建筑物的高度高于雷达或建筑群的高度，形成无限不连续的三维屏蔽区。模型可以用A、B、C三种方法的组合来表示。
屏蔽面积的数值计算
坐标系的建立
首先，确定屏蔽区域覆盖的地理范围。根据面积的大小，建立一个矩形R，它正好覆盖了屏蔽面积的范围。对于无限屏蔽面积，可以适当减小矩形R的面积。在此基础上，建立了矩形R、建筑物和雷达的映射关系。为了简化计算，建立统一的坐标系，如图1所示。以雷达位
图1 .建筑物和雷达的三维示意图
置为坐标原点，西、南、空间三个方向为轴。在坐标系中，O点为雷达水线面基点。O1是雷达天线的发射点。建筑为不规则形体，一部分高于雷达天线发射点，另一部分低于雷达天线发射点。
黄海的基准面选择了XOY基准面,雷达和建筑物的实际地理坐标采用北京54坐标系统的X和Y坐标，雷达天线发射点坐标点(X0, Y0, Z0)和建筑物角点的坐标是(X1, Y1, Z1)。将天线发射点坐标切换为(0,0,0)时，将建筑物角点坐标切换为(X1-X0, Y1-Y0, Z1-Z0)。
建筑物垂直屏蔽线的确定
雷达电磁波沿直线传播时，受到建筑物的遮挡。阴影为屏蔽区域，如图2所示。定义直线PP1和QQ1为垂直方向的屏蔽线。
图2.垂直屏蔽线的确定
为了确定建筑物的垂直屏蔽线，我们将图1中屏蔽区域的O点和随机点H连接起来，在点P和点Q处用连接线相交平面BCC1B1和平面ACC1A1，画出垂线PP1和QQ1。随着线，OH从点C逆时针旋转到点A, QQ1的高度总是大于PP1。只要建筑物处于雷达电磁波垂直照射范围内，就会出现两种情况:
情况1：如图3所示，直线O1Q1的斜率大于直线O1P1的斜率，即kO1Q1gt;kO1P1。HH1的屏蔽高度由线段QQ1决定，与斜率是否大于0无关。建筑物的垂直屏蔽线为QQ1, H点的屏蔽高度为垂线HH1的高度，即H0。
图3情况1示意图
情况2：如图4所示，O1Q1直线的斜率小于O1P1直线的斜率，即kO1Q1lt;kO1P1。HH1的屏蔽高度由线段PP1决定。建筑物的垂直屏蔽线为PP1, H点的屏蔽高度为垂线HH1的高度，即H0。
图4 情况2示意图
屏蔽高度的几何计算模型
以雷达天线为
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