天线方向图可视化软件设计与开发

摘 要

　　近年来，随着计算机图形技术的不断发展，可视化领域的研究逐渐成为一个研究的热点问题，进展迅速。越来越多的研究人员发现，通过将数据进行可视化处理，可以得到大量数据中隐含的规律，并进而为决策提供强有力的依据。同时，伴随着操作系统、硬件平台等方面的飞速发展，在各个领域中，可视化的软件产品如雨后春笋般不断涌现。这进一步说明了，可视化技术的重要性正逐步被人们广泛的认识与接受。

　　在天线理论与设计领域，应用可视化技术具有非常重要的现实意义。通过对表征天线辐射特性的天线方向图进行二维甚至三维图形显示，能够将各个参数之间的内在关联关系直观、形象的表达出来。这种做法，一改传统的局限于对各公式各参数的数学讨论，借助于可视化技术强大的图形表现能力，可以加深对天线理论的理解与认识，得到更为有效的分析结果。

　　针对上述问题，本论文以天线方向图的可视化应用为主要的研究目标，在对天线方向图的特点进行深入分析的基础上，针对可视化软件的设计和实现做了较为全面的分析和阐述。论文的主要内容为：

　　首先，对本论文的研究背景和意义进行了介绍，并对文章中涉及到的相关技术进行了归纳简述。

　　其次，在文章的主体部分中，对可视化软件系统进行了具体且详尽的分析设计，并在此基础上给出了系统的实现。首先，对天线方向图可视化的特点及软件开发可行性进行了分析；其次，有针对性的提出了设计原则与设计方案，对具体功能和流程进行了进一步的细化，包括整个系统的体系、功能以及数据库等方面的设计，并给出了 UML 设计模型；最后，按照设计思路完成系统实现。

　　最后，对软件系统的测试进行了阐述。在文中，通过不同的测试用例来对软件系统实现的功能与预期目标是否一致进行验证。验证结果表明，整个软件系统开发是成功的。

　　关键词：天线方向图，可视化，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++

　　随着计算机图形技术的不断发展，可视化领域的研究逐渐成为一个研究的热点问题，进展迅速。在天线理论与设计领域，应用可视化技术具有非常重要的现实意义。

　　本章对天线方向图可视化的研究背景进行了介绍，并对课题的主要研究内容进行了说明。最后，给出了本课题的内容安排。当前，无线传输技术在多个研究领域中，均扮演着越来越重要的角色。例如，移动通讯领域、卫星通讯领域、地面微波接力领域、本地无线通讯领域，以及各类型的军用或民用雷达的信息传输的方式等等，在这些领域中，无线传输技术均是研究人员从事研究工作时所采用的重要技术手段之一。另一方面，天线作为无线电波的发射和接收设备中最为关键的部件，它的特性好坏将直接影响无线通讯系统的工作特性与性能[1]。天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数，因此在无线系统中占有举足轻重的作用。如果对它的分析和认识仅仅停留在方向性函数以及公式中各参数的讨论上，很难理解天线辐射场的空间分布以及定向天线集中辐射的概念。

　　近年来，伴随着计算机科学技术，图像处理技术，以及相关信息技术的快速发展，信息可视化作为一个新的趋势，逐渐涌现出来。在各个领域中，与之相关的研究、探索，甚至应用，也逐渐得到了科研人员的重视，并且正飞速发展。据不完全统计，人类通过视觉而获取的信息量占所有信息总量的百分之八十还多。

　　诸多已有事实表明，可视化技术在当下已经发展成为了一项综合技术，并广泛应用于研究数据的表达、数据的处理、甚至决策分析等一系列复杂问题上。

　　由此，将表征天线辐射场空间分布的方向性函数通过二维、三维图形显示，利用计算机极强的数据处理能力，可以直观描述、形象化展示及揭示各参量之间的内在关系。这样一来，通过可视化图形式人们可以更加清楚地从宏观上认识这个世界，更为人们在改造世界的时候提供了一个良好的指导，达到所见即所得的效果。

　　在早期，人们基本上都说采用人工手动的方法来进行对天线方向图的测量，数据的记录，天线方向图的绘制以及方向图中各个参数的计算。这种完全依靠人工手动的模式，使得整个过程的操作极其复杂，工作量非常之大，所耗费时间也往往很巨量，并且需要说明的是即便这样做，其精度也不一定能得到保证。在微电子技术以及计算机科学技术得到飞速发展之后，其对现有科学研究所产生的影响之一就是，天线方向图由自动测量逐步地取代了手动测量，同时，也逐渐实现了信号记录，数据处理以及方向图绘制整个流程的自动化，测量速度和精度也得到了大大的提高。

　　目前，具体的技术解决途径有很多[2]，比如研究人员大多借助 MATLAB 的绘图功能来实现天线有向图的绘制。MATLAB 的优势在于具有的强大矩阵运算、数据处理和图形显示功能，非常适合于此类需要大量科学计算的应用场合，并且其输出结果可视化，编程效率极高，极少的代码即可实现复杂的运行。然而，由于MATLAB 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，故而运算效率较低，实现相同功能的代码跟其他编程平台相比运行时间相对较长，且不适合作为通用的编程平台。因此，为系统整体效率考虑，采取具有很高编程效率的面向对象的通用编程平台 VC++来实现。

　　作为一种理解复杂世界与发现自然规律的有效工具，三维数字模型是基于数字系统的定量模型。它的特点在于，它为研究人员提供了一个维度，可以对所有的可能性、对评价的选择性进行思考，尽可能地排除其中不可能的机会，通过这种模式来帮助研究人员在其所在的领域对问题求解的结果进行推广或应用。三维模型，能够帮助科研人员洞察到问题的实质，并根据它来进行深入的分析，归纳出精确地且可靠地描述现实世界的数学模型。这使得人们对问题的解决思路更加明确，易于将有限的时间与精力集中于某些关键问题上，同时，它也能够作为一个促进人们对问题的理解与沟通的有效桥梁。

　　从二维到三维，虽然空间的维数只增加了一维，但却可以包含丰富的空间信息，也可以突破常规二维表示对形式的束缚，为更好地洞察和理解现实世界提供了多种多样的选择。本课题主要研究的核心内容是为实现天线方向图的可视化，这既需要充分了解天线方向图的定义、原理、特性等信息，又需要对现有的可视化技术进行深入的了解。

　　天线方向图可视化软件设计：

系统登录测试

图形绘制测试（极坐标系）

图形绘制测试（三维）

添加.m 文件

新建 COM 组件

deploytool 界面

目 录

　　第一章 绪 论
　　　　1.1 研究的背景及意义
　　　　1.2 研究的主要内容
　　　　1.3 本文的结构安排
　　第二章 相关技术综述
　　　　2.1 可视化技术
　　　　　　2.1.1 可视化的基本概念
　　　　　　2.1.2 可视化的应用及发展
　　　　2.2 三维图形技术
　　　　　　2.2.1 OpenGL 概述
　　　　　　2.2.2 OpenGL 基本功能及工作方式
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 天线方向图可视化软件系统的分析与设计
　　　　3.1 天线方向图的特点
　　　　3.2 可行性分析
　　　　3.3 设计中的界定
　　　　3.4 设计方案
　　　　　　3.4.1 总体框架设计
　　　　　　3.4.2 系统功能设计
　　　　　　3.4.3 操作流程设计
　　　　3.5 基于 UML 的系统设计
　　　　　　3.5.1 用例分析
　　　　　　3.5.2 动态建模设计
　　　　　　3.5.3 静态建模设计
　　　　3.6 开发工具及运行平台
　　　　3.7 本章小结
　　第四章 天线方向图可视化软件系统的实现
　　　　4.1 软件框架的构建
　　　　4.2 关键模块的实现
　　　　　　4.2.1 界面模块实现
　　　　　　4.2.2 绘图计算模块实现
　　　　　　4.2.3 数据模块实现
　　　　　　4.2.4 数据库设计与实现
　　　　4.3 本章小结
　　第五章 天线方向图可视化软件系统的测试
　　　　5.1 软件测试概述
　　　　5.2 测试设计
　　　　5.3 测试过程及结论
　　　　　　5.3.1 测试环境
　　　　　　5.3.2 测试用例举例
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 结论与展望
　　　　6.1 本文的主要贡献
　　　　6.2 下一步工作的展望
　　致 谢
　　参考文献
　　附录 部分关键代码

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