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）

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，開展對(duì)不同波段、不同背景類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)大的集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο箢?、界面等方面的設(shè)計(jì)開發(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。

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)，打開制動(dòng)器，開始平衡調(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，通過風(fēng)冷的方式控制收發(fā)單元的工作溫度。

2.2 軟件類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在軟件類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，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)，采用類圖的方式來(lái)描繪系統(tǒng)中各個(gè)對(duì)象的類型、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)類圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由以下類組成：CMainFrame（主控類），CMeasScatter（散射特性自動(dòng)測(cè)量控制類）、CPNXMeas（收發(fā)單元控制類）、CDataMan?age（數(shù)據(jù)管理類）、CSysMonitor（系統(tǒng)設(shè)備管理類）、CPo?larMonitor（極化監(jiān)控類）、CFanMonitor（風(fēng)扇監(jiān)控類）、CBrakeMonitor（制動(dòng)器監(jiān)控類）、CTempMonitor（溫度監(jiān)視類）、CNetwapaView（圖像采集設(shè)備管理類）、CServo?Monitor（伺服管理類）、CIMMonitor（傾角儀監(jiān)視類），CMUMonitor是CPolarMonitor、CFanMonitor、CBrake?Monitor、CTempMonitor的父類，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的相關(guān)通訊與控制。從系統(tǒng)類圖中也可以看出，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，提出問題并得出合理的解決方案。在此過程中，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線程類中、對(duì)溫度與極化設(shè)備的控制封裝在CMUMonitor線程類中、對(duì)伺服的控制封裝在CServoMonito線程類中。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線程類中。設(shè)備控制線程由狀態(tài)監(jiān)視線程類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)際的使用過程中發(fā)揮重要作用。

[1]黃培康，殷紅成，許小劍編著.雷達(dá)目標(biāo)特性.北京：電子工業(yè)出版社，2005．

[2]Merrill I.Skolnik主編.雷達(dá)手冊(cè).王軍等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3]溫芳茹，尹志盈，孫芳等.多波段散射計(jì)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究.現(xiàn)代雷達(dá)，1996，18（4）：51-66，94．

[4]李敬，顧軍，李曉慧.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中頻采集處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).應(yīng)用天地，2016，35（5）：79-82．

[5]劉斌，牟長(zhǎng)軍，張玉石，張浙東.某新型散射計(jì)抱閘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).電子機(jī)械工程，2013，29（2）：44-48．

[6]賽奎春主編.VisualC++工程應(yīng)用與項(xiàng)目實(shí)踐.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

[7]王艷平，張?jiān)骄幹?Windows網(wǎng)絡(luò)與通信程序設(shè)計(jì).北京：人民郵件出版社，2008．

[8]范曉平編著.跟著實(shí)例學(xué)VisualC++6.0訪問數(shù)據(jù)庫(kù)·繪圖·制表.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．

[9]徐鋒，陳暄等編著.UML面向?qū)ο蠼；A(chǔ).北京：中國(guó)水利水電出版社，2006．

[10]溫昱著.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2014．

[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