四創(chuàng)電子股份有限公司 姜艷艷

雷達終端軟件的主要功能之一就是實時回波顯示的功能，本文主要論述一種連續(xù)波測云雷達的回波顯示技術(shù)，在QT平臺下調(diào)用類庫如QPinter類及OpenGl技術(shù)等實現(xiàn)高性能、高可靠性雷達終端軟件的顯示功能。

近年來，計算機圖形技術(shù)及雷達探測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，對雷達軟件的穩(wěn)定性、可移植性的要求也相應(yīng)提高。因此QT在雷達終端軟件的應(yīng)用中得以越來越多，QT是奇趣科技公司的產(chǎn)品，是基于C++圖形用戶界面的應(yīng)用程序框架，它可以提供應(yīng)用程序開發(fā)者建立圖形用戶界面所需的所有功能。QT面向?qū)ο蟮目蚣埽哂胸S富的API，可以真正實現(xiàn)組件編程。QT具有優(yōu)良的跨平臺特性，可在Windows，Linux，UNIX等操作系統(tǒng)間移植；同時Qt具有封裝機制，模塊化程度非常高，可重用好，支持進行2D/3D圖形渲染，支持OpenGL技術(shù)等。

雷達終端軟件主要界面包括回波顯示區(qū)、控制面板區(qū)、A顯信息窗口、三維顯示區(qū)等，回波顯示區(qū)可實時顯示及瀏覽雷達回波數(shù)據(jù)，基于VS開發(fā)的軟件，通常采用Direct2D、DirecDraw等技術(shù)顯示雷達回波，DirectDraw是微軟DirectX的部件.是2D圖形的引擎，不僅兼容GDI編程，還可以直接對顯存進行操作。QT提供了二維繪圖系統(tǒng)，主要由QPainter等三個繪圖類構(gòu)成了QT繪圖系統(tǒng)的基礎(chǔ)。QT的三維繪圖技術(shù)OpenGL，可建立三維圖形的場景。本軟件采用QPainter進行繪圖顯示雷達回波數(shù)據(jù)，采用OpenGL技術(shù)完成三維回波圖的顯示。

1 2D繪圖

QPainter是QT提供底層的繪圖類，QPainter類可允許開發(fā)人員進行各種的圖形操作，使用其優(yōu)化的函數(shù)來完成圖形用戶界面的繪制，包括圖形、文本、圖像的顯示，及其他操作如漸變、圖形渲染、矢量圖形等。QPainter包含三種繪圖設(shè)備，在繪圖時要首先創(chuàng)建繪圖設(shè)備，重新定義繪圖事件paintEvent()，在此函數(shù)內(nèi)設(shè)置繪圖筆屬性，畫刷屬性，字體樣式等。QPainter在自己的坐標(biāo)系統(tǒng)進行坐標(biāo)變換，其包含的繪圖函數(shù)，使用的是整數(shù)坐標(biāo)。需要注意的是，使用完繪圖設(shè)備要對其進行銷毀。

雷達回波圖形的方位刻度，時間刻度等可由QPainter繪制，通過調(diào)用drawline()函數(shù)繪制VPT掃描、RHI掃描的刻度，調(diào)用drawEllipse()函數(shù)繪制PPI掃描的圓形刻度，調(diào)用drawText()函數(shù)繪制刻度文本及注釋文本。

使用獨立的QImage類實現(xiàn)回波像素的顯示，QImage在I/O操作速度快，并且給出了訪問像素的接口。通過調(diào)用成員函數(shù)setPixel()，將回波數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的像素點，根據(jù)回波數(shù)據(jù)的RGB值，繪制像素點的顏色。雷達回波數(shù)據(jù)顯示需經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為雷達的極坐標(biāo)；為實現(xiàn)高效的圖像繪制，采用雙緩存技術(shù)。

1.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于雷達終端軟件接收的數(shù)據(jù)是采用地理坐標(biāo)，雷達終端軟件顯示坐標(biāo)為極坐標(biāo)系，在進行回波顯示繪圖時，首先要進行坐標(biāo)換算。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理就是將視圖中心點與屏幕中心點的偏移和比例尺進行計算就可以得到屏幕坐標(biāo)。兩種坐標(biāo)如圖1所示。

圖1 地理坐標(biāo)

圖2 雷達極坐標(biāo)系

地理坐標(biāo)如圖1所示，坐標(biāo)原點表示雷達位置，x軸指向的是正北方向，雷達所在位置與目標(biāo)探測點的直線距離R表示斜距，雷達方位角為坐標(biāo)原點與目標(biāo)的直線距離在水平面投影點，與x軸的夾角，雷達俯仰角表示原點與目標(biāo)的距離與z軸之間的夾角。雷達終端軟件顯示坐標(biāo)為極坐標(biāo)系，顯示屏的左上角表示坐標(biāo)原點o，圖形的像素位置可由坐標(biāo)原點計算，水平坐標(biāo)由左向右增大，垂直坐標(biāo)由上向下增大，不表征高度信息。因此在雷達數(shù)據(jù)顯示時，首先對雷達數(shù)據(jù)將三維的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維的極坐標(biāo)，并映射兩種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為：通過這種變換，有的掃描模式還需要結(jié)合地球曲率進行計算，可將雷達回波數(shù)據(jù)在屏幕極坐標(biāo)系顯示。

1.2 雙緩存圖像處理

由于雷達數(shù)據(jù)較大，繪制過程需要一定時間，甚至?xí)霈F(xiàn)閃爍，為避免這種現(xiàn)象，在雷達數(shù)據(jù)繪制時采用雙緩存技術(shù)，即為了節(jié)省系統(tǒng)開銷，使用QPainter創(chuàng)建臨時的繪圖設(shè)備，先將雷達數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，根據(jù)回波顏色繪制到臨時的繪圖設(shè)備上，然后使用QPainter創(chuàng)建回波繪圖設(shè)備，將臨時的繪圖設(shè)備拷貝到回波繪圖設(shè)備，并調(diào)用updata()更新屏幕，經(jīng)對比這種技術(shù)能極大的提高繪圖效率，用戶看不到圖像的擦除、更新和顯示處理過程，避免由于圖元頻繁更新引起的閃爍現(xiàn)象。

2 3D繪圖技術(shù)OpenGL

雷達常用的掃描，如平掃、高掃、體掃、時間高度掃描等，可在二維繪圖顯示。但是雷達高掃模式僅能觀測到某方位方向水平到雷達頂空的部分空域的回波，為了能全面觀測多方位的空域回波，可由多個方位的高掃組成多方位高掃（HSRHI），需要軟件在二維云回波顯示的基礎(chǔ)上，增加三維云回波立體顯示.如圖3為雷達HSRHI掃描三維徑向速度圖。QT的OpenGL（Open Graphics Library）提供的構(gòu)造幾何圖元的方式，為實現(xiàn)雷達圖像顯示提供了豐富接口。

圖3 OpenGl繪制三維回波

Qt集成的OpenGL模塊，是繪制三維圖形的標(biāo)準(zhǔn)API，是圖形硬件的軟件接口，可以在不同的操作系統(tǒng)如Windows、Unix、Linux、OS/2之間進行移植，得到了廣泛的應(yīng)用。QGLWidget是QT封裝的一個部件，提供了構(gòu)建OpenGL的場景，通過對QGLWidget子類化，結(jié)合OpenGL命令開發(fā)適合用戶圖形的窗口部件。當(dāng)創(chuàng)建一個QGLWidget子對象時，系統(tǒng)調(diào)用成員函數(shù)實現(xiàn)初始化，繪制當(dāng)前場景，及部件大小位置變化時的場景重繪。

在創(chuàng)建三維圖像時，使用OpenGL提供函數(shù)的構(gòu)造幾何圖元，有必要時可調(diào)用函數(shù)定義刻度頂點坐標(biāo)、刻度頂點顏色、紋理圖、紋理坐標(biāo)等。通過這種方式，構(gòu)造HSRHI場景，根據(jù)軟件設(shè)置的多個方位高掃模式，在三維HSRHI場景顯示多方位高掃數(shù)據(jù)，更加直觀顯示各方位空域的高掃回波數(shù)據(jù)。

3 實例分析

圖4為2019年7月31號合肥地區(qū)探測到的實際回波，雷達工作于垂直探測模式，固定仰角指向90°。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為高度。軟件進行時間高度積累顯示，以固定時間間隔顯示新的徑向數(shù)據(jù)，每當(dāng)新的數(shù)據(jù)到來時，時間軸會更新為最新時間，通過雙緩存技術(shù)將之前的數(shù)據(jù)拷貝，并向前移動到對應(yīng)的時間刻度位置。掃描時間段結(jié)束后，將掃描時間段內(nèi)的鏈表數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)文件。雷達終端軟件具備瀏覽數(shù)據(jù)文件的功能，可根據(jù)數(shù)據(jù)格式讀取并將數(shù)據(jù)重新繪制顯示。

圖4 回波圖像顯示

從圖中可以看出，天氣狀況為降雨，從地面到15km均有回波，10km處回波較強?；赒T繪圖機制，雷達終端軟件可實時顯示的回波圖像，能清楚分辨云雨邊界信息及云內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，可用于后期分析云的形成消散等。

結(jié)論：通過QT豐富的類庫及OpenGL等技術(shù)，實現(xiàn)雷達終端軟件回波圖像的二維及三維顯示，能清楚反映當(dāng)前的天氣狀態(tài)及云邊界、云高云低、零度層等信息。軟件具有高效性及穩(wěn)定性，界面簡潔，具有較強的人工交互性，并可實現(xiàn)跨平臺性能，可滿足雷達終端軟件對云回波的顯示要求。