基于Qt的雷達(dá)顯示及手機(jī)客戶端設(shè)計*

侯彭亮，郭 蘋，王展鵬，王 靜

（西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

雷達(dá)顯控終端是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，作為雷達(dá)系統(tǒng)人機(jī)交互的接口，主要負(fù)責(zé)控制雷達(dá)系統(tǒng)并顯示雷達(dá)回波、雷達(dá)狀態(tài)等信息的任務(wù)，而雷達(dá)PPI 顯示則是最常見的雷達(dá)顯示方式之一，其仿真水平直接影響到整個終端系統(tǒng)的效果[1-3]。傳統(tǒng)的雷達(dá)顯控終端是使用通用計算機(jī)來負(fù)責(zé)雷達(dá)PPI 顯示和控制，功能和界面比較豐富，但是在進(jìn)行外場試驗(yàn)測試時，在惡劣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對計算機(jī)的操作將更加困難，不利于某些特定環(huán)境下的推廣和使用，其應(yīng)用場景逐漸受到限制。隨著雷達(dá)技術(shù)以及Android 智能設(shè)備的快速發(fā)展，便攜可移動式雷達(dá)PPI 顯示控制軟件的開發(fā)勢在必行。

針對傳統(tǒng)雷達(dá)PPI 顯示控制方法的缺陷，且得益于Qt在軟件界面開發(fā)過程中的優(yōu)良特性，本文給出基于Qt的雷達(dá)PPI 顯控及手機(jī)客戶端的實(shí)現(xiàn)方式，分別采用以X86 處理器為核心的Windows系統(tǒng)和以ARM 處理器為核心的Android系統(tǒng)的軟件平臺，在此基礎(chǔ)上使用圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt在Windows系統(tǒng)和Android系統(tǒng)下分別開發(fā)雷達(dá)PPI 顯示端和手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)下使用手機(jī)客戶端通過TCP/IP 協(xié)議遠(yuǎn)程控制雷達(dá)PPI 顯示端工作，整個系統(tǒng)的兼容性、可移植性和可維護(hù)性得以極大提升，為跨平臺操作提供便利。該手機(jī)客戶控制端與傳統(tǒng)顯控終端控制端相比具有很好的可靠性和便捷性。

Qt 是一種基于C++的跨平臺圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，主要是用于面向?qū)ο蟮目蚣?，可以擴(kuò)展且具有優(yōu)良的跨平臺特性[4-6]。QML 是Qt 推出的Qt Quick技術(shù)的核心之一，是一種聲明式語言，開發(fā)人員可以輕松地在QML 中構(gòu)建流體動畫用戶界面，并且可以選擇將這些用戶界面連接到任何后端C++庫[7-9]。

1 雷達(dá)PPI 顯控總體框架設(shè)計

雷達(dá)探測信息不僅包括目標(biāo)回波等原始視頻信號，還包括目標(biāo)回波信號經(jīng)過數(shù)字化處理變成數(shù)據(jù)后由計算機(jī)加工形成更加豐富的二次信息[10]。因此，雷達(dá)顯控終端主要完成對雷達(dá)工作狀態(tài)的控制以及雷達(dá)獲取的情報和目標(biāo)信息（包括目標(biāo)位置、特征參數(shù)、運(yùn)動狀況等信息）的顯示。

雷達(dá)PPI 顯示是以雷達(dá)為中心點(diǎn)按照距離和方位顯示雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的目標(biāo)分布情況，這種情況與通常的地面地圖具有相對應(yīng)關(guān)系，可以提供360°范圍內(nèi)全部平面信息。根據(jù)雷達(dá)顯控終端的功能需求，將PPI 顯示端與控制端分別基于Windows系統(tǒng)和Android系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)顯示與控制的分離，具體的雷達(dá)PPI 顯示工作流程如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)PPI 顯示工作流程

雷達(dá)通過發(fā)射機(jī)發(fā)射信號，經(jīng)過目標(biāo)反射后形成回波并通過接收機(jī)進(jìn)入信號處理機(jī)?；夭ㄐ盘柦?jīng)過一系列的目標(biāo)回波經(jīng)過雷達(dá)信號處理板后，提取出目標(biāo)信息，包括方位、距離、速度和航跡等[11]。而雷達(dá)顯控終端作用是將接收到的雷達(dá)目標(biāo)信息通過目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤等處理后通過可視化將目標(biāo)的方位、距離等重要信息反饋給用戶，同時用戶還能夠通過終端對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行特定化設(shè)置，使雷達(dá)系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境。

基于Qt的雷達(dá)顯控手機(jī)客戶端主要從雷達(dá)PPI 顯示端、手機(jī)控制客戶端及兩者通信三個方面進(jìn)行設(shè)計，軟件總體設(shè)計框圖如圖2 所示。

圖2 軟件總體設(shè)計框圖

雷達(dá)PPI 顯示端在通用PC 上使用Qt的繪圖工具實(shí)現(xiàn)，主要完成天線、波束、目標(biāo)、目標(biāo)航跡等參數(shù)信息的顯示功能。手機(jī)客戶端使用Qt Quick的QML 腳本語言與Qt Widget的C++代碼交互實(shí)現(xiàn)雷達(dá)PPI 顯示參數(shù)的配置，使用屏幕觸控操作，通過TCP/IP 協(xié)議與雷達(dá)PPI 顯示端建立連接并發(fā)送指令，控制雷達(dá)PPI 顯示端實(shí)現(xiàn)顯示。

雷達(dá)PPI 顯示端主要劃分為網(wǎng)絡(luò)模塊和顯示模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)顯示端和手機(jī)客戶端的遠(yuǎn)程連接；顯示模塊負(fù)責(zé)接收到雷達(dá)數(shù)據(jù)處理板的數(shù)據(jù)后對雷達(dá)目標(biāo)信息的顯示。

手機(jī)客戶端主要功能是對雷達(dá)PPI 顯示端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括雜波顯示與隱藏，天線、波束、目標(biāo)等參數(shù)設(shè)置。在雷達(dá)PPI 顯示端和手機(jī)客戶端分別加入網(wǎng)絡(luò)模塊，通過TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接，完成手機(jī)客戶端對雷達(dá)PPI 顯示端的顯示控制。

2 雷達(dá)PPI 顯示端設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)模塊和顯示模塊設(shè)計

雷達(dá)PPI 顯示，在極坐標(biāo)格式下實(shí)現(xiàn)繪制，方位以正北為基準(zhǔn)，目標(biāo)回波以同心圓表示，圓心是雷達(dá)站，距離沿半徑方向增加。如圖3 所示，雷達(dá)PPI 顯示分為網(wǎng)絡(luò)模塊和顯示模塊。

圖3 雷達(dá)PPI 顯示端設(shè)計圖

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊用于接收到客戶端發(fā)送過來的信息并傳遞給顯示模塊。手機(jī)客戶端通過TCP/IP 協(xié)議創(chuàng)建一個Socket 套接字與雷達(dá)PPI 顯示端建立連接，實(shí)現(xiàn)客戶端與顯示端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，雷達(dá)PPI 顯示端啟動后，設(shè)置PPI 顯示端的IP 地址和端口號，顯示端進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待手機(jī)客戶端的連接。

2.1.2 顯示模塊

雷達(dá)PPI 顯示通常分為四層，其最底層為雜波層，上面依次是經(jīng)緯層、天線層、目標(biāo)層。

PPI 顯示繪制以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制若干同心圓來表示距離，以圓心為起點(diǎn)繪制等角度的輻射直線表示方位。在使用Qt 繪圖時，采用的是直角坐標(biāo)系。繪圖過程中需要進(jìn)行極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，如圖4 所示。

圖4 極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換圖

對于圖4 中的點(diǎn)A，極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換如式（1）、式（2）所示。

雜波是雷達(dá)信號檢測和處理的固有環(huán)境，在雜波背景下進(jìn)行信號處理是雷達(dá)的基本任務(wù)之一[12]。本設(shè)計設(shè)置了一張png 格式的靜態(tài)圖片來模擬雷達(dá)雜波，可以實(shí)現(xiàn)雜波顯示和隱藏。

雷達(dá)PPI 顯示中的經(jīng)緯層用于確定目標(biāo)的位置信息。Qt 中提供了強(qiáng)大的2D 繪圖系統(tǒng)，可以使用相同的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）在屏幕上和繪圖設(shè)備上進(jìn)行繪制若干個同心圓，并把同心圓以30°為角度分割線分為12 等份，同心圓和角度分割線就組成了經(jīng)緯層，且同心圓和角度分割線的交點(diǎn)表示雷達(dá)的作用距離。

天線是雷達(dá)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它決定著雷達(dá)的靈敏度和角度分辨率。本軟件天線掃描方式主要分為兩種：余輝式掃描和扇段式掃描，余輝式掃描使用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)余輝效果；扇段式掃描是指天線波束對平面的一部分掃描，對驅(qū)動系統(tǒng)在整個扇段掃描過程的動態(tài)分析，是雷達(dá)天線驅(qū)動裝置參數(shù)確定和強(qiáng)度校核的前提。扇段式掃描包括波門外扇段、波門顏色，波束顏色等參數(shù)。

雷達(dá)目標(biāo)是雷達(dá)發(fā)射的電磁波與目標(biāo)相互作用所產(chǎn)生的各種信息，目標(biāo)是實(shí)時更新的，需要顯示目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。本軟件的目標(biāo)層包括目標(biāo)顏色、目標(biāo)路徑寬度、目標(biāo)路徑顏色、目標(biāo)位置等參數(shù)設(shè)置。雷達(dá)目標(biāo)信息通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理板發(fā)送到顯示端的共享內(nèi)存，PPI 顯示通過從共享內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的動態(tài)顯示。

2.2 目標(biāo)顯示更新

為了能夠?qū)崟r動態(tài)地顯示雷達(dá)的觀測結(jié)果，本軟件使用Qt 中時間控制器函數(shù)來實(shí)現(xiàn)天線掃描方式目標(biāo)的路徑動態(tài)等顯示更新。時間控制器函數(shù)提供了重復(fù)和單次觸發(fā)信號的定時器，并且為定時器提供了一個高級別的編程接口，創(chuàng)建一個定時器對象，連接信號到適當(dāng)?shù)牟酆瘮?shù)，并調(diào)用start 函數(shù)開啟定時器，設(shè)置發(fā)出時間事件的時間間隔，在恒定的間隔會發(fā)射信號[13-15]。當(dāng)發(fā)射信號時，導(dǎo)入目標(biāo)信息（包括位置、航跡等），雷達(dá)PPI 顯示端開始工作，并與手機(jī)客戶端連接，動態(tài)顯示目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)和航跡。

3 手機(jī)客戶端的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

手機(jī)客戶端的功能是通過TCP/IP 協(xié)議在以太網(wǎng)下對雷達(dá)PPI 顯示端的遠(yuǎn)程控制，客戶端發(fā)送參數(shù)配置信息到顯示端，顯示端進(jìn)行相應(yīng)的顯示，主要包括與PPI顯示端匹配的網(wǎng)絡(luò)模塊、雜波模塊、天線模塊、波束模塊、經(jīng)緯模塊和目標(biāo)模塊，手機(jī)客戶端設(shè)計圖如圖5 所示。

圖5 手機(jī)客戶端設(shè)計圖

網(wǎng)絡(luò)模塊包括IP 地址和端口文本框，是客戶端與顯示端通過以太網(wǎng)連接所需要的參數(shù)，當(dāng)顯示端開始偵聽，客戶端點(diǎn)擊連接按鈕實(shí)現(xiàn)與顯示端連接。雜波模塊的功能是設(shè)置雜波顯示或隱藏。天線模塊的功能是設(shè)置天線中心顏色和天線掃描方式（扇段式掃描和余暉式掃描）。波束模塊包括波束邊界顏色、波束顏色和波門顏色，分別對應(yīng)顯示端的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的變化。經(jīng)緯模塊是對PPI 顯示端的經(jīng)緯線顏色和雷達(dá)最大作用距離的設(shè)置。目標(biāo)模塊是對目標(biāo)顏色和航跡顏色的設(shè)置。

Android 客戶端設(shè)計基于Qt Quick 中的QML 腳本語言和Qt 中C++代碼交互來實(shí)現(xiàn)。使用QML的控件和堆棧視圖設(shè)計客戶端的各個參數(shù)設(shè)置界面，其中包括QML中的Button（按鈕）控件、Label（標(biāo)簽）控件和ComboBox（組合框）控件，以及QML的布局管理器。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

用戶通過觸摸指令可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入具體模塊頁面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

PC 使用USB 數(shù)據(jù)線與Android設(shè)備連接，通過Qt的Android 編譯器向Android設(shè)備打包發(fā)送APK 文件并安裝。圖6 為Qt for Android 應(yīng)用開發(fā)流程圖。

圖6 Qt for Android 應(yīng)用開發(fā)流程圖

4 顯示端與客戶端通信

在本設(shè)計中手機(jī)客戶端與雷達(dá)PPI 顯示端的通信是基于TCP/IP 傳輸協(xié)議的Socket 套接字實(shí)現(xiàn)的。TCP/IP協(xié)議作為OSI 七層新模型中的第三層和第四層，TCP 層提供了信息的可靠傳輸，IP 層是負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。手機(jī)客戶端通過局域網(wǎng)將參數(shù)設(shè)置信息發(fā)送顯示端，顯示端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分配到顯示模塊進(jìn)行顯示。

圖7 所示為Socket的工作流程。

圖7 Socket工作流程

5 測試

在Windows設(shè)備PC 端和Android設(shè)備手機(jī)端對顯示端和客戶端功能進(jìn)行測試。如圖8 中A 部分所示，通過Android 客戶端對雷達(dá)PPI 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置目標(biāo)顏色為紅色、航跡顏色為黃色、天線中心顏色為綠色，天線掃描方式為扇段式掃描、雜波隱藏。Windows 顯示端如圖8 中B 部分所示，目標(biāo)航跡為黃色，目標(biāo)顏色為紅色，天線中心顏色為綠色，并且顯示雜波，PPI 顯示結(jié)果與手機(jī)客戶端設(shè)置信息一致，這表明手機(jī)客戶端可以實(shí)現(xiàn)對PPI 顯示端的控制。

圖8 客戶端控制PC 顯示

6 結(jié)論

本文顯示端和客戶端程序在Windows 7 和Android9.0平臺下，分別實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)PPI 顯示端和手機(jī)客戶端顯示，軟件運(yùn)行均良好，且可以達(dá)到預(yù)期效果。在實(shí)際應(yīng)用中，得益于Qt的跨平臺性和可移植性高，適應(yīng)性強(qiáng)，兼容性強(qiáng)以及手機(jī)的便攜性、靈活性和性能的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣泛。