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                        天線方向圖可視化軟件設計與開發

                        添加時間:2019/02/25 來源:電子科技大學 作者:曹琰
                        在天線理論與設計領域,應用可視化技術具有非常重要的現實意義。通過對表征天線輻射特性的天線方向圖進行二維甚至三維圖形顯示,能夠將各個參數之間的內在關聯關系直觀、形象的表達出來。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          近年來,隨著計算機圖形技術的不斷發展,可視化領域的研究逐漸成為一個研究的熱點問題,進展迅速。越來越多的研究人員發現,通過將數據進行可視化處理,可以得到大量數據中隱含的規律,并進而為決策提供強有力的依據。同時,伴隨著操作系統、硬件平臺等方面的飛速發展,在各個領域中,可視化的軟件產品如雨后春筍般不斷涌現。這進一步說明了,可視化技術的重要性正逐步被人們廣泛的認識與接受。

                          在天線理論與設計領域,應用可視化技術具有非常重要的現實意義。通過對表征天線輻射特性的天線方向圖進行二維甚至三維圖形顯示,能夠將各個參數之間的內在關聯關系直觀、形象的表達出來。這種做法,一改傳統的局限于對各公式各參數的數學討論,借助于可視化技術強大的圖形表現能力,可以加深對天線理論的理解與認識,得到更為有效的分析結果。

                          針對上述問題,本論文以天線方向圖的可視化應用為主要的研究目標,在對天線方向圖的特點進行深入分析的基礎上,針對可視化軟件的設計和實現做了較為全面的分析和闡述。論文的主要內容為:

                          首先,對本論文的研究背景和意義進行了介紹,并對文章中涉及到的相關技術進行了歸納簡述。

                          其次,在文章的主體部分中,對可視化軟件系統進行了具體且詳盡的分析設計,并在此基礎上給出了系統的實現。首先,對天線方向圖可視化的特點及軟件開發可行性進行了分析;其次,有針對性的提出了設計原則與設計方案,對具體功能和流程進行了進一步的細化,包括整個系統的體系、功能以及數據庫等方面的設計,并給出了 UML 設計模型;最后,按照設計思路完成系統實現。

                          最后,對軟件系統的測試進行了闡述。在文中,通過不同的測試用例來對軟件系統實現的功能與預期目標是否一致進行驗證。驗證結果表明,整個軟件系統開發是成功的。

                          關鍵詞:天線方向圖,可視化,OpenGL,Visual C++

                        ABSTRACT

                          In recent years, with the continuous development of computer graphics technology, visualization research in the field has become a hot research topic, and makes a rapid progress. More and more researchers have found that by visualizing the data processing, you can get a lot of data implied in law, and thus provide a strong basis for decision-making. Meanwhile, along with the rapid development in operating system, hardware platform, and other fields, many visualization software products are emerging. This further illustrates, the importance of visualization technology is gradually been widely recognized and accepted.

                          In the field of antenna theory and design, application visualization technology has a very important practical significance. Through the characterization of the antenna radiation characteristics of the antenna pattern of two-dimensional or three-dimensional graphical display, each parameter can be the intrinsic relationship between the visual images of the expression. This practice has changed the traditional limitation, and the parameters of the mathematical formula discussed by means of powerful graphical visualization technology performance capabilities, can deepen the understanding and awareness of antenna theory, be more effective results.

                          In response to these problems, this thesis is aimed at antenna pattern visualization applications. With the in-depth analysis of antenna pattern features, we give a more comprehensive analysis and elaboration on visualization software design and implementation. The main contents are:

                          First of all, the research background and significance are introduced, and articles related to the underlying technologies are briefly summarized.

                          In the main body of the article, the visualization software system is analyzed and designed in specific and detail, and then implementation of the system is given. Firstly, the antenna pattern characteristics and visualization software development environment are discussed; secondly, the entire system, including database, function design, is analyzed and refined based on demand analysis; finally, the whole system is realized in accordance with design ideas.

                          Finally, the software testing is described. In this paper, through different test cases to achieve the functions of the software system is consistent with the expected target validated. The validation results show that the development of the software system is successful.

                          Keywords: Antenna pattern, visualization, OpenGL, Visual C++

                          隨著計算機圖形技術的不斷發展,可視化領域的研究逐漸成為一個研究的熱點問題,進展迅速。在天線理論與設計領域,應用可視化技術具有非常重要的現實意義。

                          本章對天線方向圖可視化的研究背景進行了介紹,并對課題的主要研究內容進行了說明。最后,給出了本課題的內容安排。當前,無線傳輸技術在多個研究領域中,均扮演著越來越重要的角色。例如,移動通訊領域、衛星通訊領域、地面微波接力領域、本地無線通訊領域,以及各類型的軍用或民用雷達的信息傳輸的方式等等,在這些領域中,無線傳輸技術均是研究人員從事研究工作時所采用的重要技術手段之一。另一方面,天線作為無線電波的發射和接收設備中最為關鍵的部件,它的特性好壞將直接影響無線通訊系統的工作特性與性能[1]。天線方向圖是衡量天線性能的重要圖形,可以從天線方向圖中觀察到天線的各項參數,因此在無線系統中占有舉足輕重的作用。如果對它的分析和認識僅僅停留在方向性函數以及公式中各參數的討論上,很難理解天線輻射場的空間分布以及定向天線集中輻射的概念。

                          近年來,伴隨著計算機科學技術,圖像處理技術,以及相關信息技術的快速發展,信息可視化作為一個新的趨勢,逐漸涌現出來。在各個領域中,與之相關的研究、探索,甚至應用,也逐漸得到了科研人員的重視,并且正飛速發展。據不完全統計,人類通過視覺而獲取的信息量占所有信息總量的百分之八十還多。

                          諸多已有事實表明,可視化技術在當下已經發展成為了一項綜合技術,并廣泛應用于研究數據的表達、數據的處理、甚至決策分析等一系列復雜問題上。

                          由此,將表征天線輻射場空間分布的方向性函數通過二維、三維圖形顯示,利用計算機極強的數據處理能力,可以直觀描述、形象化展示及揭示各參量之間的內在關系。這樣一來,通過可視化圖形式人們可以更加清楚地從宏觀上認識這個世界,更為人們在改造世界的時候提供了一個良好的指導,達到所見即所得的效果。

                          在早期,人們基本上都說采用人工手動的方法來進行對天線方向圖的測量,數據的記錄,天線方向圖的繪制以及方向圖中各個參數的計算。這種完全依靠人工手動的模式,使得整個過程的操作極其復雜,工作量非常之大,所耗費時間也往往很巨量,并且需要說明的是即便這樣做,其精度也不一定能得到保證。在微電子技術以及計算機科學技術得到飛速發展之后,其對現有科學研究所產生的影響之一就是,天線方向圖由自動測量逐步地取代了手動測量,同時,也逐漸實現了信號記錄,數據處理以及方向圖繪制整個流程的自動化,測量速度和精度也得到了大大的提高。

                          目前,具體的技術解決途徑有很多[2],比如研究人員大多借助 MATLAB 的繪圖功能來實現天線有向圖的繪制。MATLAB 的優勢在于具有的強大矩陣運算、數據處理和圖形顯示功能,非常適合于此類需要大量科學計算的應用場合,并且其輸出結果可視化,編程效率極高,極少的代碼即可實現復雜的運行。然而,由于MATLAB 的程序不用編譯等預處理,也不生成可執行文件,程序為解釋執行,故而運算效率較低,實現相同功能的代碼跟其他編程平臺相比運行時間相對較長,且不適合作為通用的編程平臺。因此,為系統整體效率考慮,采取具有很高編程效率的面向對象的通用編程平臺 VC++來實現。

                          作為一種理解復雜世界與發現自然規律的有效工具,三維數字模型是基于數字系統的定量模型。它的特點在于,它為研究人員提供了一個維度,可以對所有的可能性、對評價的選擇性進行思考,盡可能地排除其中不可能的機會,通過這種模式來幫助研究人員在其所在的領域對問題求解的結果進行推廣或應用。三維模型,能夠幫助科研人員洞察到問題的實質,并根據它來進行深入的分析,歸納出精確地且可靠地描述現實世界的數學模型。這使得人們對問題的解決思路更加明確,易于將有限的時間與精力集中于某些關鍵問題上,同時,它也能夠作為一個促進人們對問題的理解與溝通的有效橋梁。

                          從二維到三維,雖然空間的維數只增加了一維,但卻可以包含豐富的空間信息,也可以突破常規二維表示對形式的束縛,為更好地洞察和理解現實世界提供了多種多樣的選擇。本課題主要研究的核心內容是為實現天線方向圖的可視化,這既需要充分了解天線方向圖的定義、原理、特性等信息,又需要對現有的可視化技術進行深入的了解。

                          天線方向圖可視化軟件設計:

                        系統登錄測試
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                        圖形繪制測試(極坐標系)
                        圖形繪制測試(極坐標系)

                        圖形繪制測試(三維)
                        圖形繪制測試(三維)

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                        目 錄

                          第一章 緒 論
                            1.1 研究的背景及意義
                            1.2 研究的主要內容
                            1.3 本文的結構安排
                          第二章 相關技術綜述
                            2.1 可視化技術
                              2.1.1 可視化的基本概念
                              2.1.2 可視化的應用及發展
                            2.2 三維圖形技術
                              2.2.1 OpenGL 概述
                              2.2.2 OpenGL 基本功能及工作方式
                            2.3 本章小結
                          第三章 天線方向圖可視化軟件系統的分析與設計
                            3.1 天線方向圖的特點
                            3.2 可行性分析
                            3.3 設計中的界定
                            3.4 設計方案
                              3.4.1 總體框架設計
                              3.4.2 系統功能設計
                              3.4.3 操作流程設計
                            3.5 基于 UML 的系統設計
                              3.5.1 用例分析
                              3.5.2 動態建模設計
                              3.5.3 靜態建模設計
                            3.6 開發工具及運行平臺
                            3.7 本章小結
                          第四章 天線方向圖可視化軟件系統的實現
                            4.1 軟件框架的構建
                            4.2 關鍵模塊的實現
                              4.2.1 界面模塊實現
                              4.2.2 繪圖計算模塊實現
                              4.2.3 數據模塊實現
                              4.2.4 數據庫設計與實現
                            4.3 本章小結
                          第五章 天線方向圖可視化軟件系統的測試
                            5.1 軟件測試概述
                            5.2 測試設計
                            5.3 測試過程及結論
                              5.3.1 測試環境
                              5.3.2 測試用例舉例
                            5.4 本章小結
                          第六章 結論與展望
                            6.1 本文的主要貢獻
                            6.2 下一步工作的展望
                          致 謝
                          參考文獻
                          附錄 部分關鍵代碼

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