基于Qt的船用雷達簡單模擬目標生成及顯示

彭葉飛 劉 亮 張龍敏 梁 猛

（陜西長嶺電子科技有限責任公司產品開發部，陜西 寶雞 721006）

基于Qt的船用雷達簡單模擬目標生成及顯示

彭葉飛 劉 亮 張龍敏 梁 猛

（陜西長嶺電子科技有限責任公司產品開發部，陜西 寶雞 721006）

使用Qt多線程及2D繪圖技術實現船用雷達簡單模擬目標生成及顯示軟件。為雷達顯控終端研制和調試提供快捷、低成本的生成摸擬目標數據的方法。

Qt；多線程；2D繪圖；雷達目標模擬

0.引言

在雷達顯控終端的研制和調試中，使用真實目標提供回波數據成本高，而通過軟件實現模擬目標回波數據，能更快捷、靈活及低成本地進行雷達顯控終端的研制和調試。

隨著多處理器系統的普及，應用程序中越來越多地采用多線程技術，使應用程序在處理數據密集事件時，也能對圖形用戶界面保持響應。本文在Windows系統上利用Qt的圖形界面繪圖及多線程技術，采用C++編程，實現船用雷達簡單模擬目標生成及顯示功能軟件。

1.系統介紹

軟件由方位生成、目標生成、圖像生成及界面顯示等模塊。方位生成主要模擬天線旋轉時的方位信息；目標生成實現生成具有運動模擬目標的回波數據；圖像生成實現回波數據轉換為圖像數據的功能；界面顯示實現回波圖像的顯示功能。

回波數據設計為一維數組，大小為［距離×方位］（采用距離為1024，方位為4096），每個數組元素表示回波在該位置處的幅度值。

2.Qt多線程

2.1線程創建、啟動

具有圖形界面的Qt程序中，主線程由GUI線程充當，可擁有一個或多個非GUI線程作為次線程，以處理數據密集事件。軟件中界面顯示作為GUI線程，目標生成、方位生成及圖像生成作為次線程。

Qt中通過子類化QThread并且重新實現run（）函數創建線程，run（）函數中為事件處理循環，通過調用start（）啟動線程。

2.2線程同步及通信

QMutex類提供一種保護一個變量或一段代碼的方法，使同一時間只有一個線程使用它。目標生成和圖像生成對回波數據進行讀寫，使用QMutex進行回波數據保護及同步。線程間通過信號槽機進行通信。

3.目標的生成及顯示

3.1方位生成

根據雷達天線掃描周期，創建新線程定時產生方位，通過信號發送方位至目標生成及圖像生成線程。

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

3.2目標生成

離散時間系統下，勻速直線運動目標狀態方程用矩陣可表示為：

X（k+1）=F（k）X（k）

其中X（k）和F（k）分別為狀態向量和系統狀態轉移矩陣，如下：

模擬目標包含位置、大小、航速和航向等狀態信息，用距本船（雷達）距離、距船艏（或正北）方位表征目標位置，計算目標各掃描周期內的位置及大小。為方便計算，將位置、航速和航向信息轉換至直角坐標系，計算目標下一周期位置。

目標只需在每個雷達掃描周期內更新一次。線程啟動前，計算目標初始位置及下周期的位置并存儲，線程啟動后，結合接收到方位，提取目標位置更新回波數據，再計算下周期該目標位置，實現目標生成功能。

3.3圖像生成

Qt中QImage類提供了與硬件無關的圖像表示方法，它支持在非GUI線程中使用，允許在次線程中實現回波數據到圖像數據的轉換，完成圖像生成功能。

圖像生成應能實時反應天線掃描過區域內圖像的變化，由于完全刷新整幅圖像數據占用資源過多，因此只需更新兩次天線信號之間回波數據發生變化的區域。

設置所顯示圖像大小，為回波數據的每個位置計算其對應圖像上的坐標。圖像中心對應回波數據密集，遠離中心稀疏，即圖像中一個像素既可能有多個回波數據與之對應，也可能與其周圍像素共享一個回波數據。圖像生成線程啟動前，計算圖像數據與回波數據位置對應表，線程啟動后查找對應表快速讀取回波數據生成圖像。結合回波數據（［1024×4096］）和圖像數據［800×800］大小分析，回波數據中一位置（用E表示），在圖像數據中均有與之對應處，記為P，當E處值發生變化時，對應圖像中P處像素值也發生變化，且圖像中每一點均能在回波數據中有一個或多個數據與之對應，則用下式表示P處圖像數據值：

其中Vp表示圖像數據P處值，VEn表示回波數據En處值，N表示對應圖像位置P處回波數據個數且大于0。使用setPixel函數設置圖像像素，根據方位更新圖像數據。

3.4 界面顯示

QWidget類是Qt中所有用戶界面對象的基類，通過繼承QWidget，重新實現虛函數paintEvent，使用QPainter快速、方便地將圖像繪制在屏幕上。

Qt繪圖設備默認坐標系統是坐標原點位于左上角，X軸向右增長，Y軸向下增長，而基于雷達回波數據轉換后的圖像數據的坐標系統以雷達為坐標原點，X軸向右增長，Y軸向下增長。通過仿射變換能方便實現對物體實施縮放、旋轉、平移操作。二維向量的變換可用一個3×3的矩陣來表示。在QTransform中定義變換矩陣及將一點變換為另一點公式如下：

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，（x′，y′）是變換后點。

雷達圖像大小設置為800×800，Qt默認左上角作為坐標原點，通過設置變換矩陣參數，使Qt以圖像中心位置（400，400）作為直角坐標系原點進行繪圖，變換矩陣系數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計，而QPixmap主要用于繪圖，針對屏幕顯示而最佳化設計。為提高UI響應速度，軟件在次線程中使用QImage將圖像加載，在GUI線程中轉換為QPixmap進行顯示。

界面顯示作為GUI線程，接收方位、圖像數據，通過定時器將方位線、圖像進行更新，實現回波數據顯示功能。

4.軟件測試

在PC上編譯軟件程序并運行，測試模擬扇區效果、若干運動目標圖像顯示情況，測試結果如圖1所示，其中左為扇區效果圖，中為模擬目標初始圖像，右為目標運動一段時間后圖像。

結論

本文介紹一種基于Qt多線程船用雷達簡單模擬目標生成及顯示的軟件。經測試，軟件達到預期效果，實現模擬目標數據生成及顯示功能，為雷達顯控終端提供快捷、低成本、靈活可控的模擬目標數據，對雷達回波顯示及導航跟蹤算法驗證具有良好作用。

［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：電子工業出版社，2011.

［3］何友，修建娟，張晶煒，關欣.雷達數據處理及應用［M］.北京：電子工業出版社，2006.

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