微波散射特性測量軟件設計與實現

張浙東，許心瑜，張玉石

（中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島266107）

微波散射特性測量軟件設計與實現

張浙東，許心瑜，張玉石

（中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島266107）

針對地海面背景不同極化、不同角度的大規模電磁散射特性數據采集與管理的需求，提出設計開發一套集硬件控制、數據采集與管理為一體的自動測量軟件。為此，從系統的功能需求出發，采用面向對象的建模理論和UML建模技術，結合UDP網絡協議、SELECT模型和多線程編程技術，實現微波散射特性自動測量軟件。經用戶的實際使用檢驗，極大地提高電磁散射特性測量效率。

散射特性；面向對象；UML；多線程；SELECT模型

0 引言

雷達回波與被雷達發射電磁波所照射的背景性質（如草地、沙漠、灌木叢、海浪等）有著直接的聯系[1]。相同的背景對不同波段的電磁波存在不同的影響效果，不同的背景對相同波段的電磁波也存在著不同的影響效果。不同的地、海背景雷達回波是影響雷達目標[1]檢測性能的重要影響因素，因此，開展對不同波段、不同背景類型的電磁散射特性的研究，對提升雷達的目標檢測性能具有重要意義。

為了對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不同背景進行長期的大規模試驗數據獲取，包括涉及影響地海面散射特性眾多參數，如不同波段、不同極化、不同方位角、不同入射角、不同季節等條件下的海量數據采集試驗。而微波散射特性測試系統[3]就是為了滿足這種需求而研發的移動測量平臺，設備不但具備便利部署的特點，同時也開發了一套自動測量軟件，實現對系統的遠程控制、數據采集以及數據管理等。

1 系統硬件設計

系統主要由遠程主控計算機、矢量網絡分析儀[4]、伺服、極化控制、溫度監控、系統平衡控制、視頻監控單元以及控制網絡組成。遠程主控計算機是系統的大腦，利用網絡實現對相關設備的控制、數據采集與管理；矢量網絡分析儀是系統的核心單元，接收遠程控制指令，按照設定的脈沖參數，實現信號的接收與發射；通過對極化控制單元的控制，實現系統不同極化方式（HH、VV、VH、HV）的切換；通過對伺服方位和俯仰角度的轉動，實現對不同方位角、不同俯仰角的天線波束指向的控制；溫度監控由數字溫度傳感器與風冷設備組成，實時溫度傳感器的數據并確定是否啟動風冷設備，確保系統正常的環境工作溫度；系統平衡由傾角儀和制動器[5]（共有四個制動器組成，采用等高十字交叉分別制動的設計方式）組成，實時監視傾角儀角度，利用制動器實現天線波束指向角與伺服指向角度的一致性設計；視頻監控單元實時采集天線照射區域的視頻實況，為后期數據分析服務。

系統軟件采用VisualC++[6]功能強大的集成開發環境，實現面向對象類、界面等方面的設計開發；利用UDP網絡協議，并采用異步方式結合Winsock提供的6種I/O模型中的SELECT（選擇）[7]模型，實現對不同設備控制與管理；采用多線程編程以及同步技術，確保設備通訊控制、數據采集及管理的平行運行；采用Access數據庫[8]以及ADO接口實現對數據的管理與訪問。

系統設計結硬件構如圖1所示。

圖1 系統硬件設計結構圖

2 軟件系統設計

2.1 散射特性測量典型流程

散射特性測量是一項比較復雜的功能，涉及到對各個設備單元的控制、信號的發射與接收、數據的處理與存儲。為了更加清晰的描述各個設備之間的協同工作關系，提出采用UML[9-10]中的用例場景描述方法，實現對散射特性測量流程進行詳細描述。具體散射特性測量流程如表1所示。

操作員關閉制動器，控制伺服回到初始位置狀態，打開制動器，開始平衡調整，并實時提取傾角儀數據，當傾角儀顯示的縱傾角與橫傾角的角度小于某一數據值時，關閉制動器，完成平衡調整；平衡調整完成后，操作員設定散射特性測量參數（包括頻率、帶寬、極化、入射角范圍、方位角范圍、角度步進值等），按照“改變極化—改變入射角—改變方位角—數據采集—保存數據”的順序進行散射特性自動測量；在散射特性測量過程中，系統實時監視收發單元模塊的工作溫度，通過風冷的方式控制收發單元的工作溫度。

2.2 軟件類結構設計

在軟件類結構設計過程，本文以矢量網絡分析儀、伺服、極化控制、溫度監控、系統平衡控制、視頻監控單元等各個硬件單元為基礎，采用類圖的方式來描繪系統中各個對象的類型、接口以及它們之間的靜態結構和關系。

表1 散射特性測量流程描述

系統類圖如圖2所示。系統主要由以下類組成：CMainFrame（主控類），CMeasScatter（散射特性自動測量控制類）、CPNXMeas（收發單元控制類）、CDataMan?age（數據管理類）、CSysMonitor（系統設備管理類）、CPo?larMonitor（極化監控類）、CFanMonitor（風扇監控類）、CBrakeMonitor（制動器監控類）、CTempMonitor（溫度監視類）、CNetwapaView（圖像采集設備管理類）、CServo?Monitor（伺服管理類）、CIMMonitor（傾角儀監視類），CMUMonitor是CPolarMonitor、CFanMonitor、CBrake?Monitor、CTempMonitor的父類，實現對硬件的相關通訊與控制。從系統類圖中也可以看出，系統主要分成兩大部分，以CMeasScatter為主的散射特性測量管理部分，通過對收發單元的控制實現對數據的采集，調用數據管理類實現對采集數據與測量參數的管理；以CSys?Monitor為主的設備管理部分，實現對相關設備任務調配、消息分發等，并配合CMeasScatter完成散射特性測量。

2.3 關鍵軟件功能實現

（1）矢量網絡分析儀遠程控制

矢量網絡分析儀提供了兩種二次開發命令控制方式，分別為基于SCPI（Stand Commands for Programma?ble Instrumentation）和基于COM（Component Object Model）。這兩種命令開發方式都是獨立于硬件的通用接口語言，用戶在設計開發時只需要調用其提供的標準命令，與平臺硬件無關。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電纜價格昂貴且傳輸距離有限；而COM命令方式可以基于以太網實現遠距離控制，還具有開發簡單、傳輸速度快、可移植性號好等優點。在編程語言方面，可以采用VB、VC或Agilent VEE等。本文中采用VC＋COM方式實現對矢量網絡分析的遠程控制。矢量網絡分析儀控制[11]主要在CPNXMeas類中實現，基本步驟如下：

①利用CoCreateInstance函數創建COM對象，利用COM對象的QueryInterface函數創建矢量網絡分析控制對象；

//創建COM組件對象m_pUnk

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

//創建矢量網絡分析儀控制對象m_PNA

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

②設置測量參數，如測量模式、測量通道、功率、中心頻率、中頻帶寬、掃描點數等；

//設置測量模式為，如設為S21

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

//獲取當前的測量通道

m_pNA->get_ActiveChannel（&m_pChan）;

案例教學法[4]是一種以案例為基礎的教學法，教師在教學過程中扮演著設計者的角色，組織學生積極參與討論，對案例進行分析和討論，提出問題并得出合理的解決方案。在此過程中，學生身臨其境將自己帶入案例中，分析、討論并表達自己的見解，將所學知識得到了應用，使學生積極主動地學習，培養了學生的獨立判斷分析食品質量和安全管理的能力。

//設置功率,中心頻率,帶寬以及點數

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

//設置中頻帶寬

m_pPulseMeasCon->put_AutoIFBandWidth（false）;

m_pChan->put_IFBandwidth（m_lIFBandWidth）;

圖2 系統類圖

③調用Single函數，啟動矢量網絡分析儀進行單次掃描；

④處理、顯示和保存數據

調用getScalar函數提取數據，調用ShowSin?gleSweepData函數在遠程控制計算機顯示回波數據，調用AccumulateData函數對掃描數據進行積累處理。循環調用步驟（3），直至積累完成。調用SaveData函數保存數據。

⑤完成測量，退出對矢量網絡分析儀的控制。

（2）設備監視與控制

系統在運行過程中，需要監視與控制的設備比較多，如果采用多線程多套接字的方式實現，那么將導致系統擴展性能的下降。而VC通信模式中的SELECT模型就可以解決這個問題。為此，提出了采用多線程＋SELECT模型的方式，即設備控制與狀態監視采用不同的線程進行分離設計實現對系統控制的實時性。設備狀態監視線程與設備控制線程織之間，通過事件同步機制，協調各個設備之間的協同工作。如對傾角儀的控制相關代碼封裝在CIMMonitor線程類中、對溫度與極化設備的控制封裝在CMUMonitor線程類中、對伺服的控制封裝在CServoMonito線程類中。而對不同設備的狀態監視采用SELECT模型實現，相關代碼封裝在CSysMonitor線程類中。設備控制線程由狀態監視線程類CSysMonitor的實例進行啟動與維護。設備控制與監視的基本步驟如下：

①定義各設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象

③將設備監視相應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調用select函數

select（0,&fdSocket,NULL,NULL,NULL）;

⑤用FD_ISSET對設備監視相應套接字進行檢查，如果所關注的套接字句柄在套接字集合fdSocket里，可以調用不同設備控制對象的recvfrom函數讀取緩存中設備的狀態數據，通過PostMessage發送消息進行設備狀態數據的解析與顯示。

⑥而對于設備控制，相對比較簡單，在CSysMonitor的實例中調用AutoStartDeviceMonitorAndControl函數啟動傾角儀控制線程、溫度和極化控制線程以及伺服控制線程，需要控制設備的狀態時，調用相應的函數即可。如控制發射的極化為H極化，則只需將標志位設為MU_SETSENDH，然后調用MUCOMSendHPolar函數切換為H極化，如果狀態監視顯示的結果為H極化，就標志著極化控制成功。而線程之間采用定義CEvent的實例進行同步。

3 應用實例

微波散射特性測試系統軟件界面效果如圖3所示。

圖3 軟件界面效果圖

微波散射特性測試系統以Ka波段對裸地進行散射特性自動測量，測量的入射角度從45°～70°，角度的步進值為5°，方位角度不變，測量的極化類型包括HH極化和VV極化兩種。

圖4 軟件自動采集的實況照片示意圖

軟件自動測量采集的從近至遠實況圖片如圖4所示，完成6個角度2種極化共12組數據的自動測量時間在5分鐘左右，而單次手動測量完成相同參數的數據采集時間在7分鐘左右或更長，測量效率提高了。

圖5 散射系數隨入射角變化曲線圖

對獲取的數據按照相同角度多組數據平均后的散射系數隨入射角變化曲線圖如圖5所示。從圖中可知，散射系數隨著入射角的增大而減小，表征了基本的裸地雜波特性；而大入射角相對于小入射角的散射系數變化較大，是由于裸地比較平整，前向鏡面反射較強，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。

總的來說，系統自動測量獲取的散射特性數據已經正確反映出了背景雜波的特性，軟件自動測量的效率也得到了驗證。

4 結語

本系統在需求分析和系統功能設計的基礎上，采用面向對象的分析方法結合UML建模技術，從結構領域、動態領域等方面實現了散射特性自動測量軟件的建模。采用高效運行語言VC++結合UDP網絡協議、SELECT模型和多線程編程技術等，實現微波散射特性自動測量軟件，為不同背景大規模的散射特性測量提供有力的保障，并提高了測量效率。本系統也存在一些有待改進的地方，如系統平衡調整需要操作員干預，而不能自動完成；數據庫采用Access，雖然使用方便、對數據庫管理人員的要求低，但是也存在對大數據管理效率不高、可擴展性差等缺點。總體來說，微波散射特性自動測量軟件在實際的使用過程中發揮重要作用。

[1]黃培康，殷紅成，許小劍編著.雷達目標特性.北京：電子工業出版社，2005．

[2]Merrill I.Skolnik主編.雷達手冊.王軍等譯.北京：電子工業出版社，2003.

[3]溫芳茹，尹志盈，孫芳等.多波段散射計系統性能的實驗研究.現代雷達，1996，18（4）：51-66，94．

[4]李敬，顧軍，李曉慧.矢量網絡分析儀中頻采集處理設計與實現.應用天地，2016，35（5）：79-82．

[5]劉斌，牟長軍，張玉石，張浙東.某新型散射計抱閘裝置結構設計.電子機械工程，2013，29（2）：44-48．

[6]賽奎春主編.VisualC++工程應用與項目實踐.北京：機械工業出版社，2005．

[7]王艷平，張越編著.Windows網絡與通信程序設計.北京：人民郵件出版社，2008．

[8]范曉平編著.跟著實例學VisualC++6.0訪問數據庫·繪圖·制表.北京：北京航空航天大學出版社，2003．

[9]徐鋒，陳暄等編著.UML面向對象建模基礎.北京：中國水利水電出版社，2006．

[10]溫昱著.軟件架構設計.北京：電子工業出版社，2014．

[11]趙立，魏薇，曾照勇，劉莉.導彈天線罩IPD遠程自動測量系統研究.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，高級工程師，研究方向,為雜波數據分析處理、系統及數據庫設計開發

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，河南新鄉人，碩士，高級工程師，研究方向為海雜波數據處理及特性分析

張玉石（1978-），男，遼寧葫蘆島人，博士，研究員，研究方向為地海雜波測試系統與方法、地海雜波特性與建模等

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