基于Qt的船用雷達(dá)簡(jiǎn)單模擬目標(biāo)生成及顯示

彭葉飛 劉 亮 張龍敏 梁 猛

（陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部，陜西 寶雞 721006）

基于Qt的船用雷達(dá)簡(jiǎn)單模擬目標(biāo)生成及顯示

彭葉飛 劉 亮 張龍敏 梁 猛

（陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部，陜西 寶雞 721006）

使用Qt多線程及2D繪圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)船用雷達(dá)簡(jiǎn)單模擬目標(biāo)生成及顯示軟件。為雷達(dá)顯控終端研制和調(diào)試提供快捷、低成本的生成摸擬目標(biāo)數(shù)據(jù)的方法。

Qt；多線程；2D繪圖；雷達(dá)目標(biāo)模擬

0.引言

在雷達(dá)顯控終端的研制和調(diào)試中，使用真實(shí)目標(biāo)提供回波數(shù)據(jù)成本高，而通過軟件實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，能更快捷、靈活及低成本地進(jìn)行雷達(dá)顯控終端的研制和調(diào)試。

隨著多處理器系統(tǒng)的普及，應(yīng)用程序中越來越多地采用多線程技術(shù)，使應(yīng)用程序在處理數(shù)據(jù)密集事件時(shí)，也能對(duì)圖形用戶界面保持響應(yīng)。本文在Windows系統(tǒng)上利用Qt的圖形界面繪圖及多線程技術(shù)，采用C++編程，實(shí)現(xiàn)船用雷達(dá)簡(jiǎn)單模擬目標(biāo)生成及顯示功能軟件。

1.系統(tǒng)介紹

軟件由方位生成、目標(biāo)生成、圖像生成及界面顯示等模塊。方位生成主要模擬天線旋轉(zhuǎn)時(shí)的方位信息；目標(biāo)生成實(shí)現(xiàn)生成具有運(yùn)動(dòng)模擬目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)；圖像生成實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)的功能；界面顯示實(shí)現(xiàn)回波圖像的顯示功能。

回波數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為一維數(shù)組，大小為［距離×方位］（采用距離為1024，方位為4096），每個(gè)數(shù)組元素表示回波在該位置處的幅度值。

2.Qt多線程

2.1線程創(chuàng)建、啟動(dòng)

具有圖形界面的Qt程序中，主線程由GUI線程充當(dāng)，可擁有一個(gè)或多個(gè)非GUI線程作為次線程，以處理數(shù)據(jù)密集事件。軟件中界面顯示作為GUI線程，目標(biāo)生成、方位生成及圖像生成作為次線程。

Qt中通過子類化QThread并且重新實(shí)現(xiàn)run（）函數(shù)創(chuàng)建線程，run（）函數(shù)中為事件處理循環(huán)，通過調(diào)用start（）啟動(dòng)線程。

2.2線程同步及通信

QMutex類提供一種保護(hù)一個(gè)變量或一段代碼的方法，使同一時(shí)間只有一個(gè)線程使用它。目標(biāo)生成和圖像生成對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，使用QMutex進(jìn)行回波數(shù)據(jù)保護(hù)及同步。線程間通過信號(hào)槽機(jī)進(jìn)行通信。

3.目標(biāo)的生成及顯示

3.1方位生成

根據(jù)雷達(dá)天線掃描周期，創(chuàng)建新線程定時(shí)產(chǎn)生方位，通過信號(hào)發(fā)送方位至目標(biāo)生成及圖像生成線程。

若方位更新周期為30ms，雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分，方位值范圍為0～4095（取正北為方位0，方位從0以順時(shí)針方向增長(zhǎng)），則每周期方位變化值可近似為41。

3.2目標(biāo)生成

離散時(shí)間系統(tǒng)下，勻速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)方程用矩陣可表示為：

X（k+1）=F（k）X（k）

其中X（k）和F（k）分別為狀態(tài)向量和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，如下：

模擬目標(biāo)包含位置、大小、航速和航向等狀態(tài)信息，用距本船（雷達(dá)）距離、距船艏（或正北）方位表征目標(biāo)位置，計(jì)算目標(biāo)各掃描周期內(nèi)的位置及大小。為方便計(jì)算，將位置、航速和航向信息轉(zhuǎn)換至直角坐標(biāo)系，計(jì)算目標(biāo)下一周期位置。

目標(biāo)只需在每個(gè)雷達(dá)掃描周期內(nèi)更新一次。線程啟動(dòng)前，計(jì)算目標(biāo)初始位置及下周期的位置并存儲(chǔ)，線程啟動(dòng)后，結(jié)合接收到方位，提取目標(biāo)位置更新回波數(shù)據(jù)，再計(jì)算下周期該目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)生成功能。

3.3圖像生成

Qt中QImage類提供了與硬件無關(guān)的圖像表示方法，它支持在非GUI線程中使用，允許在次線程中實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)到圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，完成圖像生成功能。

圖像生成應(yīng)能實(shí)時(shí)反應(yīng)天線掃描過區(qū)域內(nèi)圖像的變化，由于完全刷新整幅圖像數(shù)據(jù)占用資源過多，因此只需更新兩次天線信號(hào)之間回波數(shù)據(jù)發(fā)生變化的區(qū)域。

設(shè)置所顯示圖像大小，為回波數(shù)據(jù)的每個(gè)位置計(jì)算其對(duì)應(yīng)圖像上的坐標(biāo)。圖像中心對(duì)應(yīng)回波數(shù)據(jù)密集，遠(yuǎn)離中心稀疏，即圖像中一個(gè)像素既可能有多個(gè)回波數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng)，也可能與其周圍像素共享一個(gè)回波數(shù)據(jù)。圖像生成線程啟動(dòng)前，計(jì)算圖像數(shù)據(jù)與回波數(shù)據(jù)位置對(duì)應(yīng)表，線程啟動(dòng)后查找對(duì)應(yīng)表快速讀取回波數(shù)據(jù)生成圖像。結(jié)合回波數(shù)據(jù)（［1024×4096］）和圖像數(shù)據(jù)［800×800］大小分析，回波數(shù)據(jù)中一位置（用E表示），在圖像數(shù)據(jù)中均有與之對(duì)應(yīng)處，記為P，當(dāng)E處值發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)圖像中P處像素值也發(fā)生變化，且圖像中每一點(diǎn)均能在回波數(shù)據(jù)中有一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng)，則用下式表示P處圖像數(shù)據(jù)值：

其中Vp表示圖像數(shù)據(jù)P處值，VEn表示回波數(shù)據(jù)En處值，N表示對(duì)應(yīng)圖像位置P處回波數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)且大于0。使用setPixel函數(shù)設(shè)置圖像像素，根據(jù)方位更新圖像數(shù)據(jù)。

3.4 界面顯示

QWidget類是Qt中所有用戶界面對(duì)象的基類，通過繼承QWidget，重新實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)paintEvent，使用QPainter快速、方便地將圖像繪制在屏幕上。

Qt繪圖設(shè)備默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)是坐標(biāo)原點(diǎn)位于左上角，X軸向右增長(zhǎng)，Y軸向下增長(zhǎng)，而基于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)以雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸向右增長(zhǎng)，Y軸向下增長(zhǎng)。通過仿射變換能方便實(shí)現(xiàn)對(duì)物體實(shí)施縮放、旋轉(zhuǎn)、平移操作。二維向量的變換可用一個(gè)3×3的矩陣來表示。在QTransform中定義變換矩陣及將一點(diǎn)變換為另一點(diǎn)公式如下：

其中m11和m22表示水平和垂直方向的比例；m12和m21表示水平和垂直方向的扭曲程度；m13和m23表示水平和垂直投影，m33為投影因子，（x，y）是變換前的點(diǎn)，（x′，y′）是變換后點(diǎn)。

雷達(dá)圖像大小設(shè)置為800×800，Qt默認(rèn)左上角作為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過設(shè)置變換矩陣參數(shù)，使Qt以圖像中心位置（400，400）作為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)進(jìn)行繪圖，變換矩陣系數(shù)m11為1，m22為-1，m31和m32均為400，m33為1，其余均為0。

在Qt中，QImage主要是為圖像I/O、圖片訪問和像素修改設(shè)計(jì)，而QPixmap主要用于繪圖，針對(duì)屏幕顯示而最佳化設(shè)計(jì)。為提高UI響應(yīng)速度，軟件在次線程中使用QImage將圖像加載，在GUI線程中轉(zhuǎn)換為QPixmap進(jìn)行顯示。

界面顯示作為GUI線程，接收方位、圖像數(shù)據(jù)，通過定時(shí)器將方位線、圖像進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)顯示功能。

4.軟件測(cè)試

在PC上編譯軟件程序并運(yùn)行，測(cè)試模擬扇區(qū)效果、若干運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像顯示情況，測(cè)試結(jié)果如圖1所示，其中左為扇區(qū)效果圖，中為模擬目標(biāo)初始圖像，右為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后圖像。

結(jié)論

本文介紹一種基于Qt多線程船用雷達(dá)簡(jiǎn)單模擬目標(biāo)生成及顯示的軟件。經(jīng)測(cè)試，軟件達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)生成及顯示功能，為雷達(dá)顯控終端提供快捷、低成本、靈活可控的模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)回波顯示及導(dǎo)航跟蹤算法驗(yàn)證具有良好作用。

［1］ Jasmin Blanchette， Mark Summerfield. C++ GUI Qt4編程（第二版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］蔡志明，盧傳富，李立夏.精通Qt4編程（第二版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］何友，修建娟，張晶煒，關(guān)欣.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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