基于Qt的微波輻射計數據采集系統上位機軟件設計

黃邑燊

（1.中國科學院國家空間科學中心微波遙感技術重點實驗室，北京100190；2.中國科學院國家空間科學中心北京 100190；3.中國科學院大學北京100149）

微波遙感技術廣泛應用于水文、氣象和環境監測等領域。微波輻射計是被動式遙感儀器[1]，根據天線接收到的目標輻射能量信息，通過定標方程得到輻射計輸出電壓與所觀測目標的亮溫的關系，進而研究被觀測目標的輻射特性[2]。全極化微波輻射計是一種新型的微波遙感器，它在雙極化微波輻射計只測量目標輻射信息幅度的基礎上，進一步測量其相位，實現了人們在微波遙感中對電磁波極化信息的全部利用[3]。在微波輻射計系統中，數據采集與系統控制模塊對輻射計接收到的目標的全極化信息進行采集和數字化處理[4]，再進行存儲和管理，因此需要一個便捷和高效的的人機交互軟件來提高對數據的采集和處理速度。

文中設計了一款針對直接檢波和數字相關型通用的上位機軟件，完成數據的采集、處理以及顯示功能。

1 微波輻射計系統簡介

1.1 直接檢波型微波輻射計

微波輻射計的接收機單元采用全功率的工作體制，結構簡單，可靠性高[5]。直接檢波型輻射計接收機的功能是將天線單元接收到的目標輻射信號進行下變頻、放大、濾波、檢波并積分放大至可供數控單元采集量化的電平幅度[6]，數控單元將采集到的電平數據通過網口傳送給上位機。直接檢波型輻射計接收機單元結構圖如圖1所示。其中Tv和Th分別表示垂直和水平極化亮溫。

圖1 直接檢波型微波輻射計系統框圖

1.2 數字相關型全極化輻射計

數字相關型全極化微波輻射計系統中，天線接收到的目標輻射通過極化分離器（OMT）分為水平極化和垂直極化兩個極化分量，然后通過放大（LNA）、濾波和正交解調過程產生正交的IQ信號，進入數字相關器進行相關運算，得到4個Stokes電壓信號，再通過串口傳送到上位機軟件。數字相關型輻射計的系統框圖如2所示[7]。

圖2 數字相關型微波輻射計系統框圖

其中Tv和Th分別表示垂直和水平極化亮溫，T3和T4表示其復相關量。在實際測量中，數字相關器輸出的是I1*I1、I2*I2、Q1*Q1、Q2*Q2、I1*Q1、I1*I2、Q1*I2、Q1*Q28個相關數的積分結果。4個Stokes參數可表示為

2 設計需求

微波輻射計數據采集系統上位機軟件的功能是提供人機交互界面，軟件根據用戶定義的指令通過RS232串口和以太網口向下位機發送命令，上位機軟件把從串口和網口接收來的數據依次存入文件，將字節分析匹配解析數據包，再將提取出來的微波輻射信息通過可視化圖形顯示出來，并能實現圖像的存儲、縮放和灰度顯示等功能。上位機軟件的基本組成功能如圖3所示。

圖3 上位機軟件基本功能

上位機軟件的主要功能包括:

1）數據通信:

實現與輻射計數據管理單元的串口和網口通信，包括配置參數，發送和接收數據包的任務。

2）數據處理:

根據工作模式的選擇，對接收到的數據包進行解析，提取4個Stokes測量參數并進行格式轉化。

3）數據顯示:

①顯示串口和網口接收到的數據和輔助工作參數，包括日期、工作模式和積分時間；

②根據輻射計各通道信號測量值結合坐標信息繪制圖形。

4）文件管理:

將接收到的數據進行存儲和更改，并且能夠將數據導出進行繪圖處理。

3 上位機軟件設計

輻射計數據采集系統上位機軟件基于Qt Creator軟件開發環境并在window10操作系統上運行的。Qt Creator是一個用Qt開發的輕量級跨平臺集成開發環境[8]，因為其良好的封裝機制和豐富的API函數被廣泛使用。基于Qt類庫本身，用戶可通過自定義或內建對話框的方式構建操作面板和顯示面板。上位機軟件的設計流程如圖4所示。

圖4 上位機軟件設計流程圖

3.1 Qt通訊和數據包解析

3.1.1 串口通信模塊

串行通信接口，是采用串行通信方式的擴展接口[9]。串行接口（Serial Interface）是指數據一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信，從而大大降低了成本，適用于遠距離通信，但傳送速度較慢[10]。在Qt中并沒有特定的串口控制類，通常使用的是第三方寫的qextserialport類。在Windows環境下，需使用qextserialbase.cpp、qextserialbase.h、qextserialport.cpp、qextserialport.h、win_qextserialport.cpp和 win_qextserialport.h這6個文件[11]。該類包含串口設置、串口發送、串口接收3個模塊。串口設置的各屬性如表1所示，包括串口號、波特率、數據位、校驗位和停止位，數據包頭可根據個人設定，供解析數據的時候使用。

表1 串口屬性設置

串口接收到的數據包是十六進制，包頭為12 34，數據中包含數據采集單元傳輸的水平和垂直通道的電平信號的相關和累加結果，需要將其進行解包。將十六進制轉化為int格式再進行分類和顯示。串口通信界面如圖5所示。

圖5 串口通信界面

串口調試模塊的主要功能是通過配置串口參數，能夠對串口傳輸數據進行實時顯示，當采集到的數據量達到需求，可以保存數據到自定義文件內方便后續的處理。

3.1.2 串口通信模塊

UDP（User Datagram Protocol）是一種簡單的面向數據報、無連接、傳輸層協議[12]。UDP不提供錯誤校正，不保證有序，無法去重復，沒有流量和擁塞控制，不能保證數據一定到達目的地，但是可以通過校驗和提供錯誤偵測[13]。由于UDP在傳輸數據報前不用在客戶和服務器之間建立一個連接，且沒有超時重發等機制，因此傳輸速度很快[14]。在Qt中UDP數據的發送和接收可以使用QUdpSocket類來實現。一般使用bind（）去綁定地址和端口號，然后使用writeDatagram（）和 readDatagram（）去傳輸數據。UDP屬性一般設置本地的IP和端口號以及目標主機的IP和端口號，具體設置參數如表2所示。

網口接收到十六進制數據包，包頭為EB 91 55 AA，將數據包進行解包和處理。UDP通信和顯示界面如圖6所示。

表2 UDP屬性設置

圖6 網口通信界面

UDP調試模塊的主要功能是通過配置本地和目標主機的IP和端口號，能夠對網口傳輸數據進行實時顯示和存儲。

3.1.3 數據包解析

上位機軟件接收到十六進制數據包，并保存為文本格式或二進制文件格式。因此在提取數據的時候采取調用外部文件的模式，識別數據流中的包頭并進行定位。根據包頭的位置，提取有效數據信息并進行分類，再轉化為十六進制數據進行運算。以解析網口傳輸數據為例具體實現過程如下：

3.2 Qwtplot繪圖

QwtPlot類是一個二維繪圖部件，繼承自QFrame和QwtPlotDict。但實際上它只是一個視圖窗口，QwtPlotCanvas類才是真正的繪制設備。在QwtPlot的畫布上可以顯示不限數量的曲線和網格，或者其它任意從QwtPlotItem派生出來的子類[15]。

（1）曲線繪圖

QwtPlot繪制曲線需要用到QwtPlotCurve類：曲線類圖元，這個類表征一系列點數據。軟件中具體的實現過程如下：

（2）三維散點繪圖

在曲線繪圖工具的基礎上，繪制三維散點圖需要QwtPlotSpectroCurve類：三維散點圖，用顏色表示Z軸。三維散點繪圖實現過程如下：

（3）鼠標動作

在QwtPlot上繪制圖形，需要使用鼠標實現縮放等操作。設計通過鼠標滾輪實現畫布的縮放，點擊左鍵勾選動作能夠實現局部放大，點擊右鍵恢復至上一次放大前的狀態，實現代碼如下所示。

3.3 試驗與軟件測試

在全極化輻射計定標試驗中，需要觀測目標輻射極化信息隨著相位延遲版旋轉角度的變化[16]。曲線繪圖中橫軸表示延遲版旋轉的時間，縱軸表示通道間的數字自相關和互相關結果。

試驗過程中對線極化源的測量結果如圖7所示，其中左上和右上分別表示的是通道1和通道2中IQ兩路的自相關量，左下和右下表示通道1和通道2中IQ兩路的復相關量。

從圖中可以直觀觀測4個Stokes信號隨相位延遲版角度變化的趨勢以及動態范圍，可以檢驗接收機通道間的功率和相位是否一致。

圖7 極化信息顯示

4 結論

本文針對微波輻射計數據采集系統設計了基于Qt的上位機軟件[17]。首先對直接檢波和數字相關型微波輻射計系統進行了介紹，根據微波輻射計數據接口的不同，實現了上位機軟件與空間中心設計的微波輻射計系統數控單元的串口與UDP通信。該上位機軟件提供了友好的用戶使用界面，能夠用便捷的操作實現對數據的傳輸、處理和圖形的展示，提高了測試接收機性能和觀測目標的輻射分布信息的速度和效率。