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    微波散射特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2017-09-20 03:13:06張浙東許心瑜張玉石
    現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2017年22期
    關(guān)鍵詞:句柄調(diào)用極化

    張浙東,許心瑜,張玉石

    (中國(guó)電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島266107)

    微波散射特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    張浙東,許心瑜,張玉石

    (中國(guó)電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?;夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島266107)

    針對(duì)地海面背景不同極化、不同角度的大規(guī)模電磁散射特性數(shù)據(jù)采集與管理的需求,提出設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套集硬件控制、數(shù)據(jù)采集與管理為一體的自動(dòng)測(cè)量軟件。為此,從系統(tǒng)的功能需求出發(fā),采用面向?qū)ο蟮慕@碚摵蚒ML建模技術(shù),結(jié)合UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、SELECT模型和多線程編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)微波散射特性自動(dòng)測(cè)量軟件。經(jīng)用戶的實(shí)際使用檢驗(yàn),極大地提高電磁散射特性測(cè)量效率。

    散射特性;面向?qū)ο?;UML;多線程;SELECT模型

    0 引言

    雷達(dá)回波與被雷達(dá)發(fā)射電磁波所照射的背景性質(zhì)(如草地、沙漠、灌木叢、海浪等)有著直接的聯(lián)系[1]。相同的背景對(duì)不同波段的電磁波存在不同的影響效果,不同的背景對(duì)相同波段的電磁波也存在著不同的影響效果。不同的地、海背景雷達(dá)回波是影響雷達(dá)目標(biāo)[1]檢測(cè)性能的重要影響因素,因此,開(kāi)展對(duì)不同波段、不同背景類(lèi)型的電磁散射特性的研究,對(duì)提升雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)性能具有重要意義。

    為了對(duì)不同背景電磁散射特性[2]的研究,最直接和最有效的一種方法是對(duì)不同背景進(jìn)行長(zhǎng)期的大規(guī)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取,包括涉及影響地海面散射特性眾多參數(shù),如不同波段、不同極化、不同方位角、不同入射角、不同季節(jié)等條件下的海量數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。而微波散射特性測(cè)試系統(tǒng)[3]就是為了滿足這種需求而研發(fā)的移動(dòng)測(cè)量平臺(tái),設(shè)備不但具備便利部署的特點(diǎn),同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)測(cè)量軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)管理等。

    1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程主控計(jì)算機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀[4]、伺服、極化控制、溫度監(jiān)控、系統(tǒng)平衡控制、視頻監(jiān)控單元以及控制網(wǎng)絡(luò)組成。遠(yuǎn)程主控計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的大腦,利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集與管理;矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是系統(tǒng)的核心單元,接收遠(yuǎn)程控制指令,按照設(shè)定的脈沖參數(shù),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收與發(fā)射;通過(guò)對(duì)極化控制單元的控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同極化方式(HH、VV、VH、HV)的切換;通過(guò)對(duì)伺服方位和俯仰角度的轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方位角、不同俯仰角的天線波束指向的控制;溫度監(jiān)控由數(shù)字溫度傳感器與風(fēng)冷設(shè)備組成,實(shí)時(shí)溫度傳感器的數(shù)據(jù)并確定是否啟動(dòng)風(fēng)冷設(shè)備,確保系統(tǒng)正常的環(huán)境工作溫度;系統(tǒng)平衡由傾角儀和制動(dòng)器[5](共有四個(gè)制動(dòng)器組成,采用等高十字交叉分別制動(dòng)的設(shè)計(jì)方式)組成,實(shí)時(shí)監(jiān)視傾角儀角度,利用制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)天線波束指向角與伺服指向角度的一致性設(shè)計(jì);視頻監(jiān)控單元實(shí)時(shí)采集天線照射區(qū)域的視頻實(shí)況,為后期數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

    系統(tǒng)軟件采用VisualC++[6]功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο箢?lèi)、界面等方面的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā);利用UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,并采用異步方式結(jié)合Winsock提供的6種I/O模型中的SELECT(選擇)[7]模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備控制與管理;采用多線程編程以及同步技術(shù),確保設(shè)備通訊控制、數(shù)據(jù)采集及管理的平行運(yùn)行;采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)[8]以及ADO接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理與訪問(wèn)。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)硬件構(gòu)如圖1所示。

    圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

    2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1 散射特性測(cè)量典型流程

    散射特性測(cè)量是一項(xiàng)比較復(fù)雜的功能,涉及到對(duì)各個(gè)設(shè)備單元的控制、信號(hào)的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)。為了更加清晰的描述各個(gè)設(shè)備之間的協(xié)同工作關(guān)系,提出采用UML[9-10]中的用例場(chǎng)景描述方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)散射特性測(cè)量流程進(jìn)行詳細(xì)描述。具體散射特性測(cè)量流程如表1所示。

    操作員關(guān)閉制動(dòng)器,控制伺服回到初始位置狀態(tài),打開(kāi)制動(dòng)器,開(kāi)始平衡調(diào)整,并實(shí)時(shí)提取傾角儀數(shù)據(jù),當(dāng)傾角儀顯示的縱傾角與橫傾角的角度小于某一數(shù)據(jù)值時(shí),關(guān)閉制動(dòng)器,完成平衡調(diào)整;平衡調(diào)整完成后,操作員設(shè)定散射特性測(cè)量參數(shù)(包括頻率、帶寬、極化、入射角范圍、方位角范圍、角度步進(jìn)值等),按照“改變極化—改變?nèi)肷浣恰淖兎轿唤恰獢?shù)據(jù)采集—保存數(shù)據(jù)”的順序進(jìn)行散射特性自動(dòng)測(cè)量;在散射特性測(cè)量過(guò)程中,系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視收發(fā)單元模塊的工作溫度,通過(guò)風(fēng)冷的方式控制收發(fā)單元的工作溫度。

    2.2 軟件類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    在軟件類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程,本文以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、伺服、極化控制、溫度監(jiān)控、系統(tǒng)平衡控制、視頻監(jiān)控單元等各個(gè)硬件單元為基礎(chǔ),采用類(lèi)圖的方式來(lái)描繪系統(tǒng)中各個(gè)對(duì)象的類(lèi)型、接口以及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系。

    表1 散射特性測(cè)量流程描述

    系統(tǒng)類(lèi)圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由以下類(lèi)組成:CMainFrame(主控類(lèi)),CMeasScatter(散射特性自動(dòng)測(cè)量控制類(lèi))、CPNXMeas(收發(fā)單元控制類(lèi))、CDataMan?age(數(shù)據(jù)管理類(lèi))、CSysMonitor(系統(tǒng)設(shè)備管理類(lèi))、CPo?larMonitor(極化監(jiān)控類(lèi))、CFanMonitor(風(fēng)扇監(jiān)控類(lèi))、CBrakeMonitor(制動(dòng)器監(jiān)控類(lèi))、CTempMonitor(溫度監(jiān)視類(lèi))、CNetwapaView(圖像采集設(shè)備管理類(lèi))、CServo?Monitor(伺服管理類(lèi))、CIMMonitor(傾角儀監(jiān)視類(lèi)),CMUMonitor是CPolarMonitor、CFanMonitor、CBrake?Monitor、CTempMonitor的父類(lèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的相關(guān)通訊與控制。從系統(tǒng)類(lèi)圖中也可以看出,系統(tǒng)主要分成兩大部分,以CMeasScatter為主的散射特性測(cè)量管理部分,通過(guò)對(duì)收發(fā)單元的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集,調(diào)用數(shù)據(jù)管理類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)與測(cè)量參數(shù)的管理;以CSys?Monitor為主的設(shè)備管理部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備任務(wù)調(diào)配、消息分發(fā)等,并配合CMeasScatter完成散射特性測(cè)量。

    2.3 關(guān)鍵軟件功能實(shí)現(xiàn)

    (1)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程控制

    矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了兩種二次開(kāi)發(fā)命令控制方式,分別為基于SCPI(Stand Commands for Programma?ble Instrumentation)和基于COM(Component Object Model)。這兩種命令開(kāi)發(fā)方式都是獨(dú)立于硬件的通用接口語(yǔ)言,用戶在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)只需要調(diào)用其提供的標(biāo)準(zhǔn)命令,與平臺(tái)硬件無(wú)關(guān)。但是,這兩種命令方式也存在差異,SCPI命令是基于GPIB電纜,其中GPIB電纜價(jià)格昂貴且傳輸距離有限;而COM命令方式可以基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制,還具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、傳輸速度快、可移植性號(hào)好等優(yōu)點(diǎn)。在編程語(yǔ)言方面,可以采用VB、VC或Agilent VEE等。本文中采用VC+COM方式實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析的遠(yuǎn)程控制。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制[11]主要在CPNXMeas類(lèi)中實(shí)現(xiàn),基本步驟如下:

    ①利用CoCreateInstance函數(shù)創(chuàng)建COM對(duì)象,利用COM對(duì)象的QueryInterface函數(shù)創(chuàng)建矢量網(wǎng)絡(luò)分析控制對(duì)象;

    //創(chuàng)建COM組件對(duì)象m_pUnk

    CoCreateInstance(CLSID_Application,0,CLSCTX_ALL, IID_IUnknown,(void**)&m_pUnk);

    //創(chuàng)建矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制對(duì)象m_PNA

    m_pUnk->QueryInterface(IID_IApplication,(void**)&m_pNA);

    ②設(shè)置測(cè)量參數(shù),如測(cè)量模式、測(cè)量通道、功率、中心頻率、中頻帶寬、掃描點(diǎn)數(shù)等;

    //設(shè)置測(cè)量模式為,如設(shè)為S21

    m_pNA->CreateMeasurement(1,_bstr_t("S21"),1,1);

    //獲取當(dāng)前的測(cè)量通道

    m_pNA->get_ActiveChannel(&m_pChan);

    案例教學(xué)法[4]是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法,教師在教學(xué)過(guò)程中扮演著設(shè)計(jì)者的角色,組織學(xué)生積極參與討論,對(duì)案例進(jìn)行分析和討論,提出問(wèn)題并得出合理的解決方案。在此過(guò)程中,學(xué)生身臨其境將自己帶入案例中,分析、討論并表達(dá)自己的見(jiàn)解,將所學(xué)知識(shí)得到了應(yīng)用,使學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí),培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立判斷分析食品質(zhì)量和安全管理的能力。

    //設(shè)置功率,中心頻率,帶寬以及點(diǎn)數(shù)

    ChannelSetup(m_pChan,true,1,m_dblPower,m_dblCenter? Freq,m_dblSpanFreq,m_lPointNum));

    //設(shè)置中頻帶寬

    m_pPulseMeasCon->put_AutoIFBandWidth(false);

    m_pChan->put_IFBandwidth(m_lIFBandWidth);

    圖2 系統(tǒng)類(lèi)圖

    ③調(diào)用Single函數(shù),啟動(dòng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行單次掃描;

    ④處理、顯示和保存數(shù)據(jù)

    調(diào)用getScalar函數(shù)提取數(shù)據(jù),調(diào)用ShowSin?gleSweepData函數(shù)在遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)顯示回波數(shù)據(jù),調(diào)用AccumulateData函數(shù)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行積累處理。循環(huán)調(diào)用步驟(3),直至積累完成。調(diào)用SaveData函數(shù)保存數(shù)據(jù)。

    ⑤完成測(cè)量,退出對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制。

    (2)設(shè)備監(jiān)視與控制

    系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,需要監(jiān)視與控制的設(shè)備比較多,如果采用多線程多套接字的方式實(shí)現(xiàn),那么將導(dǎo)致系統(tǒng)擴(kuò)展性能的下降。而VC通信模式中的SELECT模型就可以解決這個(gè)問(wèn)題。為此,提出了采用多線程+SELECT模型的方式,即設(shè)備控制與狀態(tài)監(jiān)視采用不同的線程進(jìn)行分離設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視線程與設(shè)備控制線程織之間,通過(guò)事件同步機(jī)制,協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備之間的協(xié)同工作。如對(duì)傾角儀的控制相關(guān)代碼封裝在CIMMonitor線程類(lèi)中、對(duì)溫度與極化設(shè)備的控制封裝在CMUMonitor線程類(lèi)中、對(duì)伺服的控制封裝在CServoMonito線程類(lèi)中。而對(duì)不同設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視采用SELECT模型實(shí)現(xiàn),相關(guān)代碼封裝在CSysMonitor線程類(lèi)中。設(shè)備控制線程由狀態(tài)監(jiān)視線程類(lèi)CSysMonitor的實(shí)例進(jìn)行啟動(dòng)與維護(hù)。設(shè)備控制與監(jiān)視的基本步驟如下:

    ①定義各設(shè)備的套接字句柄并初始化,如傾角儀套接字句柄m_LocalIMSocket、極化和溫控套接字句柄m_LocalMUSocket、伺服控制套接字句柄m_LocalServo?Socket;

    ②定義套接字集合并初始化

    fd_set fdSocket;//定義套接字集合

    FD_ZERO(&fdSocket);//初始化套接字集合對(duì)象

    ③將設(shè)備監(jiān)視相應(yīng)的套接字句柄分配給套接字集合

    FD_SET(m_LocalIMSocket,&fdSocket);//將傾角儀套接字句柄添加至集合

    FD_SET(m_LocalMUSocket,&fdSocket);//將極化與溫度套接字句柄添加至集合

    FD_SET(m_LocalServoSocket,&fdSocket);//將伺服套接字句柄添加至集合

    ④調(diào)用select函數(shù)

    select(0,&fdSocket,NULL,NULL,NULL);

    ⑤用FD_ISSET對(duì)設(shè)備監(jiān)視相應(yīng)套接字進(jìn)行檢查,如果所關(guān)注的套接字句柄在套接字集合fdSocket里,可以調(diào)用不同設(shè)備控制對(duì)象的recvfrom函數(shù)讀取緩存中設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù),通過(guò)PostMessage發(fā)送消息進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的解析與顯示。

    ⑥而對(duì)于設(shè)備控制,相對(duì)比較簡(jiǎn)單,在CSysMonitor的實(shí)例中調(diào)用AutoStartDeviceMonitorAndControl函數(shù)啟動(dòng)傾角儀控制線程、溫度和極化控制線程以及伺服控制線程,需要控制設(shè)備的狀態(tài)時(shí),調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可。如控制發(fā)射的極化為H極化,則只需將標(biāo)志位設(shè)為MU_SETSENDH,然后調(diào)用MUCOMSendHPolar函數(shù)切換為H極化,如果狀態(tài)監(jiān)視顯示的結(jié)果為H極化,就標(biāo)志著極化控制成功。而線程之間采用定義CEvent的實(shí)例進(jìn)行同步。

    3 應(yīng)用實(shí)例

    微波散射特性測(cè)試系統(tǒng)軟件界面效果如圖3所示。

    圖3 軟件界面效果圖

    微波散射特性測(cè)試系統(tǒng)以Ka波段對(duì)裸地進(jìn)行散射特性自動(dòng)測(cè)量,測(cè)量的入射角度從45°~70°,角度的步進(jìn)值為5°,方位角度不變,測(cè)量的極化類(lèi)型包括HH極化和VV極化兩種。

    圖4 軟件自動(dòng)采集的實(shí)況照片示意圖

    軟件自動(dòng)測(cè)量采集的從近至遠(yuǎn)實(shí)況圖片如圖4所示,完成6個(gè)角度2種極化共12組數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)量時(shí)間在5分鐘左右,而單次手動(dòng)測(cè)量完成相同參數(shù)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間在7分鐘左右或更長(zhǎng),測(cè)量效率提高了。

    圖5 散射系數(shù)隨入射角變化曲線圖

    對(duì)獲取的數(shù)據(jù)按照相同角度多組數(shù)據(jù)平均后的散射系數(shù)隨入射角變化曲線圖如圖5所示。從圖中可知,散射系數(shù)隨著入射角的增大而減小,表征了基本的裸地雜波特性;而大入射角相對(duì)于小入射角的散射系數(shù)變化較大,是由于裸地比較平整,前向鏡面反射較強(qiáng),后先散射較弱的原因引起;裸地的HH極化略大于VV極化,是由于入射角在垂直取向散射分量多于水平分量所引起的。

    總的來(lái)說(shuō),系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量獲取的散射特性數(shù)據(jù)已經(jīng)正確反映出了背景雜波的特性,軟件自動(dòng)測(cè)量的效率也得到了驗(yàn)證。

    4 結(jié)語(yǔ)

    本系統(tǒng)在需求分析和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,采用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ńY(jié)合UML建模技術(shù),從結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、動(dòng)態(tài)領(lǐng)域等方面實(shí)現(xiàn)了散射特性自動(dòng)測(cè)量軟件的建模。采用高效運(yùn)行語(yǔ)言VC++結(jié)合UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、SELECT模型和多線程編程技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)微波散射特性自動(dòng)測(cè)量軟件,為不同背景大規(guī)模的散射特性測(cè)量提供有力的保障,并提高了測(cè)量效率。本系統(tǒng)也存在一些有待改進(jìn)的地方,如系統(tǒng)平衡調(diào)整需要操作員干預(yù),而不能自動(dòng)完成;數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access,雖然使用方便、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理人員的要求低,但是也存在對(duì)大數(shù)據(jù)管理效率不高、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)??傮w來(lái)說(shuō),微波散射特性自動(dòng)測(cè)量軟件在實(shí)際的使用過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

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    [11]趙立,魏薇,曾照勇,劉莉.導(dǎo)彈天線罩IPD遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究.航天控制,2010,28(4):81-85.

    Design and Im p lementation ofMeasurement Software forMicrowave Scattering Characteristics

    ZHANGZhe-dong,XUXin-yu,ZHANGYu-shi
    (National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research InstituteofRadiowave Propagation,Qingdao 26610

    For the background of land and sea to different polarization,differentangle needs of large-scale electromagnetic scattering characteristics data acquisition and management,designs and develops the automaticmeasurement software,with hardware control,data acquisition and managementcapabilities.From the system's functional requirementsofusingobject-orientedmodeling theory and UMLmodeling technolo?gy,combined with UDP network protocol,SELECTmodel and multi-threaded programming technology,realizes the automatic measure?ment software ofmicrowave scattering characteristic.By the actual use of the users,this greatly improves the efficiency of electromagnetic scattering characteristicsmeasurement.

    張浙東(1976-),男,浙江紹興人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向,為雜波數(shù)據(jù)分析處理、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

    2017-05-11

    2017-07-257)

    橫向合同

    1007-1423(2017)22-0065-06

    10.3969/j.issn.1007-1423.2017.22.016

    許心瑜(1982-),女,河南新鄉(xiāng)人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)楹ks波數(shù)據(jù)處理及特性分析

    張玉石(1978-),男,遼寧葫蘆島人,博士,研究員,研究方向?yàn)榈睾ks波測(cè)試系統(tǒng)與方法、地海雜波特性與建模等

    Scattering Characteristics;Object-Oriented;UML;Multi-Threaded;SelectModel

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