Geodeformación por radar

La geodeformación de radar consiste en ajustar las imágenes de radar georreferenciadas y los datos de vídeo para que sean coherentes con una proyección geográfica . Esta deformación de imagen evita cualquier restricción al mostrarla junto con vídeo de múltiples fuentes de radar o con otros datos geográficos, incluidos mapas escaneados e imágenes satelitales que puedan proporcionarse en una proyección específica. Existen muchas áreas donde la geodeformación ofrece ventajas únicas:

• Señal de vídeo de radar única mostrada junto con mapas de diferentes proyecciones geográficas. Por ejemplo:
  • Mercator
  • UTM
  • estereográfico
• Se muestran simultáneamente múltiples señales de vídeo de radar:
  • Tener la capacidad de procesamiento necesaria para hacerlo en una sola computadora.
  • Adaptación de la proyección de todas las señales de radar, lo que permite la visualización geográficamente correcta y la superposición precisa de esos vídeos.
• Corrección de alcance oblicuo : un sistema de radar 3D moderno puede medir la altura de un objetivo y, por lo tanto, es posible corregir el vídeo del radar con el alcance real corregido del objetivo. La corrección de alcance oblicuo también permite compensar la altura de la torre del radar, por ejemplo, en radares de vigilancia marítima.

El vídeo de radar muestra los ecos de las ondas electromagnéticas que un sistema de radar ha emitido y recibido como reflejos posteriormente. Estos ecos se muestran normalmente en una pantalla de ordenador con un código de colores que representa la intensidad del reflejo. Durante este proceso de visualización, se deben resolver dos problemas. El primero surge del hecho de que, por lo general, la antena de radar gira sobre su posición y mide las distancias de los ecos de reflexión desde su posición en una dirección. Esto significa que los datos de vídeo del radar se presentan en coordenadas polares . En sistemas más antiguos, la imagen orientada polarmente se mostraba en los denominados indicadores de posición en planta (PPI). El PPI utiliza un barrido radial que pivota alrededor del centro de la presentación. Esto da como resultado una imagen similar a un mapa del área cubierta por el haz de radar. Se utiliza una pantalla de larga persistencia para que la visualización permanezca visible hasta que el barrido vuelva a pasar.

La orientación hacia el objetivo se indica mediante la posición angular del objetivo con respecto a una línea imaginaria que se extiende verticalmente desde el origen del barrido hasta la parte superior de la pantalla. La parte superior de la pantalla corresponde al norte verdadero (cuando el indicador funciona en modo de orientación verdadera) o al rumbo del barco (cuando el indicador funciona en modo de orientación relativa).

Para su visualización en una pantalla de ordenador moderna, las coordenadas polares deben convertirse a coordenadas cartesianas . Este proceso, denominado conversión de escaneo de radar, se presenta con más detalle en la siguiente sección. El segundo problema a resolver surge del hecho de que un sistema de radar se ubica en el mundo real y mide las posiciones de los ecos en dicho mundo. Estos ecos deben mostrarse junto con otros datos del mundo real, como posiciones de objetos, mapas vectoriales e imágenes satelitales, de forma coherente. Toda esta información se refiere a la superficie curva de la Tierra, pero se muestra en una pantalla plana. El establecimiento de una relación entre las posiciones terrestres reales y los píxeles de visualización se conoce comúnmente como georreferenciación.

Parte del proceso de georreferenciación consiste en proyectar la superficie terrestre tridimensional sobre una pantalla bidimensional. Este proceso de proyección geográfica puede realizarse de diversas maneras, pero cada fuente de datos tiene su propia proyección "natural". Por ejemplo, los datos de vídeo de radar cartesiano procedentes de una fuente de radar en la superficie terrestre se georreferencian mediante una proyección de radar. Al utilizar esta proyección, los píxeles del vídeo de radar cartesiano pueden visualizarse directamente en la pantalla del ordenador (transformándose linealmente según la posición actual en la pantalla y, por ejemplo, el nivel de zoom). Surge un problema si, por ejemplo, también se desea mostrar un mapa satelital junto con los datos de vídeo de radar. La proyección geográfica "natural" de una imagen satelital depende de la órbita, la posición y otros parámetros del satélite. En este caso, la imagen satelital debe reproyectarse a una proyección de radar o el vídeo de radar debe utilizar la proyección satelital. Esta reproyección geográfica también se denomina deformación geográfica o Geo Warping , donde cada píxel de la imagen debe transformarse de una proyección a otra. Este artículo describe con mayor detalle la Geo Warping de imágenes de vídeo de radar en tiempo real. También demostrará que la geodeformación de vídeo de radar se realiza de forma más eficiente cuando se integra con el proceso de conversión del escaneo de radar.

Esta sección describe los principios del proceso de conversión de escaneo de radar (RSC).

El radar proporciona sus datos medidos en coordenadas polares (ρ,θ) directamente desde la antena giratoria. ρ define la distancia objetivo/eco y θ el ángulo objetivo en coordenadas polares del mundo. Estos datos se miden, digitalizan y almacenan en un almacén de coordenadas polares o mapa de píxeles polar . La tarea principal del RSC es convertir estos datos a coordenadas cartesianas (x, y) para la visualización, creando los píxeles necesarios. El proceso RSC se ve influenciado por la configuración actual de zoom, desplazamiento y rotación, que define qué parte del "mundo" será visible en la imagen. Como se detalla más adelante, el proceso RSC también tiene en cuenta la proyección geográfica utilizada cuando las imágenes de vídeo del radar se transforman mediante Geo Warped.

El algoritmo OpenGL RSC se implementa mediante una conversión de escaneo inverso que calcula, para cada píxel de la imagen, el valor de amplitud de radar más adecuado en el almacenamiento polar. Este método genera una imagen óptima sin los artefactos característicos de los algoritmos de relleno de radios directos . Al aplicar un filtrado bilineal entre píxeles adyacentes en el almacenamiento polar durante el proceso de conversión, OpenGL RSC logra una imagen de visualización de radar de muy alta calidad para cada nivel de zoom, creando imágenes nítidas de los ecos del radar.

Esta sección ilustra cómo se georreferencian los datos de vídeo del radar y cómo se muestran en la pantalla de un ordenador.

El sensor de radar se sitúa en la superficie terrestre a una altura h sobre el suelo. Mide la distancia directa d al objetivo (y no, por ejemplo, la distancia a la que se encuentra el objetivo del radar si uno se desplazara sobre la superficie terrestre). Esta distancia se utiliza en el plano de visualización tras ajustarla al nivel de zoom actual mediante el convertidor de escaneo de radar (RSC). Ahora bien, es necesario aclarar cómo se georreferencian los datos de vídeo del radar. Esto significa, básicamente, que si queremos mostrar un objeto geográfico del mundo real (como, por ejemplo, un faro) que se encuentra en la misma posición que el objetivo del radar, este también aparecerá en la misma posición en el plano de visualización. Esto se consigue calculando la distancia desde el sensor de radar hasta el objeto correspondiente y utilizando dicha distancia en el plano de visualización. La posición del objeto se suele expresar en coordenadas geográficas (latitud, longitud y altura sobre la superficie terrestre). En otras palabras, el uso de una proyección de radar con datos geográficos se realiza simulando un proceso de medición de radar con objetos del mundo real y utilizando el alcance y el acimut resultantes en el plano de visualización.

La segunda imagen a la derecha muestra un ejemplo de proyección de radar con el centro de proyección (COP) en latitud 50,0° y longitud 0,0°, que coincide con la posición del radar. Las líneas discontinuas representan las líneas de igual latitud y longitud superpuestas al mapa de fondo. Las líneas continuas indican igual alcance y igual acimut con respecto a la posición del radar. Una característica de la proyección de radar es que las líneas de igual alcance son círculos y las de igual acimut son líneas rectas. Esto es necesario para mostrar el vídeo del radar de forma coherente con otros datos del mapa cuando se utiliza una proyección de radar cuyo centro debe coincidir con la posición del radar.

Esta sección explica el proceso real de geodeformación o reproyección aplicado a vídeo de radar en tiempo real. Supongamos que queremos mostrar vídeo de radar sobre una imagen satelital. Como ejemplo, utilizamos la proyección CIB, que se emplea para mostrar datos satelitales en formato CIB (Controlled Image Base) .

La figura «Geo Warping Radar to CIB Projection» muestra, con líneas discontinuas, el círculo de alcance máximo para una distancia de 111  km (60 millas) utilizando la proyección de radar. Este alcance es típico de los radares de vigilancia costera de largo alcance. Como se indicó en la sección anterior, este círculo también se observa perfectamente en la pantalla del ordenador. La elipse de línea continua muestra el mismo círculo de alcance para la proyección CIB.

Por lo general, los errores que ocurren sin Geo Warping son menores cerca de la posición del radar si al menos el centro de proyección (COP) coincide con dicha posición, como se observa en nuestro ejemplo. De lo contrario, la distribución del error depende tanto de la proyección utilizada como de sus parámetros. Así, en nuestro caso, los errores son más significativos cerca del alcance máximo del radar. El error de proyección CIB corregido en dirección este-oeste a la mitad del alcance del radar es de 2,6  km y de 5,3  km al alcance máximo de 111  km. Un error de 5,3  km es bastante significativo en comparación con la resolución típica de medición radial del radar, que es de 15  m.

La reproyección de coordenadas de la figura explica cómo deben transformarse las coordenadas del radar para que coincidan con las coordenadas de proyección CIB. Las coordenadas mundiales del radar corresponden a la versión cartesiana de los datos medidos por el sensor. Mediante una proyección inversa del radar, estas coordenadas se convierten en coordenadas geográficas que representan la posición de los datos del radar en la superficie terrestre. Finalmente, estas coordenadas se proyectan mediante la proyección CIB (o cualquier otra) para su visualización en la pantalla del ordenador.

Un problema que surge es que la georreferenciación de todos los píxeles de vídeo del radar medidos consume demasiados recursos computacionales como para realizarse en tiempo real. Una posible solución es utilizar tablas de consulta para todos los puntos de la pantalla, pero el recálculo de la tabla de consulta tras, por ejemplo, una operación de zoom, sigue provocando un retraso notable en la visualización del vídeo del radar.

La figura de la cuadrícula de deformación geográfica muestra la solución al problema. El área de cobertura circular del radar se divide en una cuadrícula circular. Solo los puntos de las esquinas de la cuadrícula se deforman geográficamente, lo que reduce drásticamente el tiempo de cálculo. Las coordenadas dentro de una celda de la cuadrícula se calculan mediante una interpolación bilineal ponderada de los puntos de las esquinas de la cuadrícula. Dado que las proyecciones geográficas suelen ser funciones no lineales, esto introduce un cierto error en la posición de la visualización del vídeo del radar. Mantener este error suficientemente por debajo de la resolución de medición del radar garantiza que no suponga una limitación para la calidad de la visualización del vídeo del radar. El tamaño de la celda de la cuadrícula debe calcularse una sola vez para una posición del radar y una proyección dada. Por lo tanto, la cuadrícula se calcula normalmente una sola vez para un radar estático y solo con mayor frecuencia para radares móviles, como los de los barcos.

El convertidor de escaneo de radar OpenGL realiza los cálculos de conversión en la unidad de procesamiento gráfico para lograr un alto rendimiento y una excelente calidad visual. La interpolación de coordenadas bilineal mencionada anteriormente se realiza mediante hardware dedicado en la GPU, por lo que no genera ninguna sobrecarga para el convertidor de escaneo.

Este ejemplo demuestra cómo la deformación geográfica ayuda a mostrar de forma consistente varios vídeos de radar.

Esta figura muestra los efectos visuales en el lado derecho sin distorsión geográfica, donde los objetivos detectados por dos radares no se pueden visualizar correctamente y no queda clara su posición real. Los ecos de los objetivos, rojos y amarillos, son detectados por radares ubicados a unos 50  km de distancia. Los radares también se encuentran a unos 50  km de distancia entre sí. El color rosa semitransparente representa el historial de la trayectoria.

En este escenario, incluso se utiliza una proyección de radar, pero, por supuesto, el centro de proyección (COP) solo puede estar en la posición de uno de los radares. Pueden surgir inconsistencias aún mayores si se utiliza una proyección diferente a la de radar. La vista georreferenciada de la izquierda muestra los ecos de radar visualizados de forma consistente, donde ambos ecos se encuentran exactamente en la posición del objetivo real.