基于QT的數字熒光頻譜顯示技術研究

王謙誠,李 強,周 元,萬 岳

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

實時頻譜分析技術(RTSA)[1]是目前最強大的電磁頻譜監測與分析技術,在捕獲帶寬內,可以監測所有的瞬態信號、動態信號、射頻脈沖,提高了猝發信號的截獲能力。用戶應用數字熒光頻譜顯示技術繪制數字熒光頻譜圖,從而觀測當前的電磁頻譜信息。數字熒光頻譜顯示技術是RTSA最顯著的功能,能夠通過顯示畫面中顏色差異直觀地向用戶展示各種信號發生的概率。

數字熒光頻譜數據量大,每幀數據量不低于1 MB,為了滿足人眼的感官要求,數字熒光頻譜通常每秒刷新25～30幀,要在一次刷新時間內,軟件處理接收到全部數據后并完成圖形繪制[2]。高頻率的刷新會導致瞬態信號在圖形界面上一閃而過,無法被人眼捕獲;一些弱強度信號也容易被忽略。本文頻譜圖的刷新率為30 幀/s,通過數字余暉技術觀測信號變化軌跡,并提出一種顯示強度修正方法來整體提高顯示強度。此外,顯示軟件對跨平臺和可移植性要求不斷提高,本文采用具備跨平臺開發能力的Qt作為開發工具,利用Qt中開放式圖表繪制庫完成數字熒光頻譜圖的繪制。

1 數字熒光頻譜顯示原理

數字熒光頻譜顯示畫面基于實時頻譜接收機計算生成的位圖矩陣(bitmap)[3]。實時頻譜接收機將信號頻譜圖化分成密集的矩陣,其中列標定頻譜軌跡幅度值,行標定頻率軸上的各個頻率點,每個矩陣單元的繪制內容為該單元頻率-幅度信息對在單位時間內的頻譜命中次數。將這些命中次數按比例著色顯示,生成可以用眼睛直接區分出正常信號、突發瞬變信號以及背景噪聲的圖片。

在具體的工程實現中位圖矩陣由上千個行和列組成,本節使用11*10矩陣說明其基本原理。如圖1(a)所示,單個頻譜映射到位圖矩陣中之后含有多個空矩陣,這些空矩陣意味著該次頻譜變換結果中沒有和它們相符合的頻率-幅度信息對;圖1(b)顯示的是再進行9次頻譜變換累積后映射到位圖矩陣后的結果。

(a)更新1次

數字熒光頻譜包含了一段時間內頻率、幅度及命中次數的三維信息,提供這段時間內所有信號的頻譜態勢。為了進一步提升視覺效果,通常采用不同顏色區分信號的命中概率,如圖2所示。命中概率值越大,顏色越接近暖色系;命中概率值越小,越接近冷色系;當命中概率為0時,顯示為黑色。

圖2 位圖矩陣著色后的效果示意

2 數字熒光頻譜的繪制方法

2.1 Qt中的QCustomPlot庫

Qt是一個跨平臺的C++圖形界面開發框架。QCustomPlot是用戶繪圖和數據可視化的Qt C++庫,能繪制出高品質的圖表,提高實時可視化應用程序的性能,且具有文檔記錄功能。

QCustomPlot的使用不依賴于任何構件,只需在工程中加入頭文件qcustomplot.h和類文件qcustomplot.cpp,再將界面類(Qwidget)提升為QCustomPlot類,即可使用。QCustomPlot的繪制圖層共分為6個:背景層、網格層、繪圖層、坐標軸層、圖例層和overlay層,用于完成不同顯示內容的渲染,見圖3。

圖3 QCustomPlot繪制分層架構

2.2 QCPColorMap繪制方法

QCPColorMap為QCustomPlot中的色譜圖功能。QCPColorMap繪制方法大致分為以下4步:

(1)初始化圖紙

設置整個色譜圖的大小,如設置一個m*n個點的色譜圖,代碼為qColorMap->data()->setSize(m,n);

(2)創建色度圖標尺

色度圖標尺用于確定輸入數據的范圍,根據最大最小法量化顯示數據,并將其映射成不同的顏色,代碼為QCPColorScale.setRange(min,max);qColorMap->setColorScale( QCPColorScale);

(3)定義二維數組緩存數據

存儲數據格式代碼為QList>value_lofar;

每一個QVector類型數據為位圖矩陣單列數據;

(4)輸入數據并顯示

定時讀取緩存數據,利用setCell()函數,按數據橫、縱坐標的位置顯示在界面上,具體代碼為setCell(i,j,qRound(value_lofar[i][j])。

完成讀取后,調用replot()函數實時刷新圖像。

3 數字圖像處理

3.1 數字余暉處理

數字余暉技術是熒光頻譜圖中用于觀測信號變化軌跡的一種顯示技術,實時頻譜分析在概率密度統計處理的基礎上,加入了數字余暉功能來突出顯示觀測到的信號。余暉可使熒光在顯示器上暫存一定時間,便于觀測信號;數字余暉技術也有助于觀測到信號的變化過程。

如果沒有余暉效果,熒光將在下一個刷新周期消失,因此當熒光頻譜圖刷新速率快于人眼識別時間時,人眼將很難察覺到顯示概率低的信號。在實時頻譜接收機中,概率密度統計后的數值經顏色映射后將命中次數轉變為了顏色概率信息,而不同的余暉會表現出不同的效果,從概率密度圖可以清晰地反映出來。圖4～6分別給出了不同余暉效果下經過3次刷新時間圖像顯示效果的變化情況。

圖4 無余暉效果示意圖

圖 4 為沒有余暉的效果示意,關閉余暉,概率密度余暉處理在每次統計完一幅圖像后進行清屏,這樣在進行下一次密度統計前不會累積之前的數據。

圖5為可變余暉的效果示意,為實現可變余暉,概率密度統計會把上一幅圖像的部分統計數值在下一次統計時疊加上去,可以看出顯示顏色逐漸變淡,調節疊加的數值比例,可以改變信號事件從顯示器上衰退所需的時間長度。

圖5 可變余暉效果示意圖

圖6為無窮余暉的效果示意圖,無窮大余暉可以一直累積統計數據,直到發送清除指令才會進行清屏的操作?？梢钥闯?在新的一次統計到來時不會清除或衰減任何上一次統計的數據,而是將數據全部保留到下一次統計中。由于顏色映射中顏色值保留最大值,所以在無窮大余暉中會一直保持全部信號,從而保證在無窮大余暉下不會漏掉任何信號事件。

圖6 無窮余暉效果示意圖

3.2 顯示強度修正

概率密度統計產生的統計值就是顯示強度值,統計數值與相應的顏色標度對應,數據可以轉化成相應的概率信息。但是在實際使用過程中,由于統計信號本身采用線性量化,用戶關心的猝發信號顯示強度過低,不易察覺。為了提高對猝發信號的人眼視覺發現能力,本文采用對數歸一化映射對概率密度統計矩陣進行平滑處理。

整體提高顯示強度的處理計算公式如下:

(1)

式中,P為顯示強度;NFFT為實時頻譜接收機每秒鐘運算的FFT次數;R為每秒鐘的刷新次數;α為余暉系數;T為當前幀的頻譜概率密度統計結果;Tlast為歷史概率密度統計計算結果。

可以看出,顯示強度受實時頻譜接收機每秒的FFT次數、顯示刷新率和余暉強度限制,也與系統的數據處理能力有關,刷新率R通常設置為30～40 幀/s。

4 數字熒光頻譜顯示效果

本文采用2.4GWIF、Buletooth4.0和Buletooth5.1信號分別繪制低余暉頻譜圖和高余暉頻譜圖:2.4GWIFI信號的帶寬為20 MHz,當傳輸數據量較大時,信號占空比較高;Buletooth4.0信號為跳頻通信,從2 400 MHz到2 480 MHz共80 MHz帶寬,含40個頻點,每個頻點間隔2 MHz,其中有37個頻點用于通信,3個頻點用于廣播頻點(2 402、2 426、2 480);Buletooth5.1協議頻點2 400 MHz到2 480 MHz共80 MHz帶寬,含80個頻點,每個頻點間隔1 MHz。

圖7是在屏幕刷新率30 幀/s時低余暉系數下的2.4GWIFI信號和Buletooth信號的顯示強度修正后的顯示效果;圖8是在屏幕刷新率30 幀/s時高余暉系數下的2.4GWIFI信號和Buletooth信號的顯示強度修正后的顯示效果。

圖7 低余暉系數效果圖

圖8 高余暉系數效果圖

與圖7相比,圖8中的高余暉強度圖中低占空比的Buletooth信號顯示效果更加清晰,2.4GWIFI信號的包絡更鮮明銳利。

本文采用不同調制類型的兩組信號繪制頻譜。圖9是對重復周期50 μs、脈寬13 μs的13位Barke碼脈沖信號的頻譜顯示效果,圖10是對重復周期50 μs、脈寬10 μs、帶寬10 MHz帶寬線性調頻信號的頻譜顯示效果,通過數字熒光頻譜圖可以輕易分辨出雷達信號的調制類型。

圖9 巴克碼脈沖信號效果圖

圖10 線性調頻脈沖信號繪制效果圖

綜上所述,本文方法可以有效顯示各種信號的數字熒光頻譜圖,具備對瞬態信號、動態信號和射頻脈沖等信號的顯示監測能力。

4 結束語

本文基于QT的數字熒光頻譜顯示技術能夠滿足實時頻譜接收機的顯示要求,可應用于國產化平臺,能夠適應現代復雜的戰場電磁環境中各種瞬態、動態、射頻脈沖的捕獲和觀察,有效解決程序的跨平臺問題,滿足現代化雷達國產化需求。目前該頻譜圖預處理程序和顯示處理程序為兩個獨立的程序模塊,將來可將這兩個程序模塊優化合并,進一步方便用戶使用。