WRSP6TK 雷达 TR 测试软件源码精讲（4）：暗室接收波瓣图（模式 4）

本篇是系列中最复杂的一章。模式 4 的目标：在暗室里测量相控阵天线的接收方向图（波瓣图）——转台在仰角方向扫描，雷达用 DBF 同时形成多个接收波束，软件把每个波束在不同仰角上的响应记录下来，画成方向图。

一、整体流程图

┌─ DarkRoomRecvInit ──────────────────────────────────────┐
│ 1. 检查参数文件（LobeRecv...）                           │
│ 2. 关 TR、设直通系数                                      │
│ 3. 打开 UART（转台位置同步）                              │
│ 4. m_BeamBitNum = Cmd[dbfF0Beam] >> 1  （波位数）        │
│ 5. 生成 DBF 波束系数（按 m_TrTestAngel + 窗函数）         │
│    —— 每个波位一组系数，USER_SetBeamPara 下发             │
│ 6. 生成波位表 m_ScanBeamBit[]（见下）                     │
│ 7. 开 DIFR 接收通道                                       │
│ 8. 初始化：m_LastDataEL=0, m_BeamCount=0,                │
│    m_FirstDataELFlag=TRUE                                │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
        │ 转台扫描，每帧（每个仰角）到达
        ▼
┌─ DarkRoomRecvDataProcess（每帧）────────────────────────┐
│ if 不扫描模式：                                          │
│   直接按波位 i 从 globalBuf 取 H/V I/Q → 暂存            │
│ else 扫描模式：                                          │
│   1. m_BeamCount++; 读仰角状态字 m_DataEL                 │
│   2. 计算 StartBeamBit，在波位表中匹配 → Addr             │
│   3. 从 Addr 开始连续取 m_BeamBitNum 个波位的 H/V I/Q     │
│   4. 回到起始仰角且帧数够 → 一圈完成 → SetEvent            │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
        │
        ▼
┌─ DarkRoomRecvDataProc（处理线程）───────────────────────┐
│ 全部单元×份数扫完？                                      │
│ ├─ 否 → m_CurScanedAllGapCount++，继续                    │
│ └─ 是 → 关设备 → 蛇形数据重排 → 逐波位写文件 → 完成弹窗    │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

二、波位表（BeamBit）生成算法

2.1 什么是波位（Beam Bit）？

波位 = DBF 一个输出波束的指向编码。暗室测试时，转台在仰角方向扫，而 DBF 一次形成 $N$ 个波束（波位），每个波位指向一个仰角。转台每到一个位置，软件要知道"这一帧数据对应波位表的哪一段"——这就是波位表的作用。

2.2 不扫描模式

if((Cmd[dbfSchema] & 0x01) == 0x01)  // 不扫描
{
    m_BeamBitChangeTime = 1;
    for (i=0; i<m_BeamBitNum; i++)
        m_ScanBeamBit[i] = (USHORT)(m_TrTestAngel[i]*10 + 450);
}

编码规则：角度(°) × 10 + 450。0.1° 分辨率，450 表示 0°（对应 -45°~+45° 范围的无符号编码）。

2.3 扫描模式

m_BeamBitChangeTime = (Cmd[dbfF0EOEL] - Cmd[dbfF0SOEL]) / Cmd[dbfF0Step] + 1;
// 波位组数 = (结束仰角 - 起始仰角)/步进 + 1

if (m_BeamBitNum % 2)  m_BeamBitOffset = 0;      // 奇数波位：天然对称
else                   m_BeamBitOffset = Cmd[dbfF0Interval] >> 1;  // 偶数：偏半个间隔

k=0;
for (i=0; i<m_BeamBitChangeTime; i++)            // 外循环：扫描组
  for (j=0; j<m_BeamBitNum; j++)                 // 内循环：组内波位
    m_ScanBeamBit[k++] = Cmd[dbfF0SOEL] + i*Cmd[dbfF0Step]
                       + (j - (m_BeamBitNum >> 1))*Cmd[dbfF0Interval]
                       - m_BeamBitOffset;

公式解读：

\text{BeamBit}(k) = SOEL + i \cdot Step + \left(j - \frac{N}{2}\right) \cdot Interval - Offset

项	含义
$SOEL + i \cdot Step$	第 $i$ 组扫描位置的起始仰角
$(j - N/2) \cdot Interval$	组内第 $j$ 个波位相对组中心的间隔
$- Offset$	偶数波位时平移半个间隔，让波束组关于中心对称

为什么偶数波位要偏半个间隔？ $N=4$ 时 $j - N/2$ 得到 $-2,-1,0,+1$ ，名义中心落在第 2、3 波位之间（不对称）。减去 $Interval/2$ 后变成 $-2.5,-1.5,-0.5,+0.5$ ，组中心正好落在两组波位正中间，且与下一组（ $i+1$ ）衔接时不重叠。

例子：SOEL=200（-20°），EOEL=600（+20°），Step=100（1°），Interval=100（1°），N=4：

组数 = (600-200)/100+1 = 5
第 0 组波位：-5°, +5°, +15°, +25°（编码 400,500,600,700 → 等等，验证：SOEL=200 + 0 + (0-2)*100 - 50 = 50 → 5°？）

实际计算： $j=0: 200 + (0-2)\cdot100 - 50 = -50$ （编码 -50 → -5°）， $j=1: 200-100-50=50$ （5°）， $j=2: 200+0-50=150$ （15°）， $j=3: 200+100-50=250$ （25°）。第 1 组： $300-250=50...$ 组中心每次 +100（1°），波束组交错 0.5°，形成交错的扫描栅格。

三、DBF 波束系数计算（接收波束形成）

3.1 窗函数初始化

switch(g_DBFBeamWindowType)
{
  case 0: get_Rectangle(m_WindowPara, N); break;   // 矩形窗
  case 1: get_Hanning(m_WindowPara, N);   break;   // 汉宁窗
  case 2: get_Hamming(m_WindowPara, N);   break;   // 汉明窗
  case 3: get_Blackman(m_WindowPara, N);  break;   // 布莱克曼窗
  case 4: get_Triang(m_WindowPara, N);    break;   // 三角窗
  case 5: get_taylorwin(m_WindowPara, N, p0, p1); break; // 泰勒窗
}

术语注释（窗函数）：给阵列各单元的幅度加一个锥削权重，抑制副瓣。

矩形窗：均匀激励，副瓣最高（-13.2dB），波束最窄

汉宁/汉明窗：余弦类锥削，副瓣 -31.5/-43dB，主瓣展宽约 1.6 倍

泰勒窗：可指定副瓣电平（如 -30dB），主瓣宽度可控，是雷达阵列最常用的低副瓣窗

3.2 波束系数公式

phase_inc = -2*pi*g_BeamArrayInterval * sin(θ_j) * m_RfFreqFloat / 30.0f;
for (i=0; i<N; i++)
{
    amp   = 0x7400 * m_WindowPara[i];       // 幅度 = 基准 × 窗
    phase = phase_inc * i;                  // 相位线性递增
    m_DBFBeamCoeff_DataI[j][i] = amp * cos(phase);
    m_DBFBeamCoeff_DataQ[j][i] = amp * sin(phase);
}

推导：第 $j$ 个波束指向 $\theta_j$ ，第 $i$ 个单元的相位：

\varphi_i = -\frac{2\pi}{\lambda} i\, d \sin\theta_j

其中 $\lambda = c/f$ ， $d$ 为单元间距。代码里 m_RfFreqFloat/30.0f 是因为：频率以 GHz 计、间距以 cm 计、光速 30 cm/GHz·（ns 换算），即 $\lambda[\text{cm}] = \frac{30}{f[\text{GHz}]}$ ：

\frac{2\pi}{\lambda} = \frac{2\pi f}{30}, \quad \text{当 } f \text{ 用 GHz、} d \text{ 用 cm 时}

所以 phase_inc = -2π × d × sinθ × f/30 正是"相邻单元相位差"（负号表示波束指向方向）。

0x7400 是什么？ Q15 格式的 0.90625（29/32 ≈ -0.855dB）——默认系数基准，留约 0.86dB 余量防 DBF 求和溢出（详见《DBF 波束系数 0x7400 解析》）。

3.3 为什么 DBF 系数要在这里"现算"？

暗室测试要测不同指向的波束，每个波束需要不同的相位梯度。测试软件按 m_TrTestAngel[j]（测试角度表）现场生成每组系数，通过 USER_SetBeamPara 下发到 DSP——这是"软件定义波束"（软件波束形成）的典型实现：同一硬件，不同时刻用不同系数，形成不同指向的波束。

四、数据获取：仰角匹配与多波位提取

4.1 仰角状态字与波位匹配

m_DataEL = (USHORT)(dspBuf[gZVWStart.STATUS_START + dspELSt]);  // 当前仰角
StartBeamBit = m_DataEL/64 - (m_BeamBitNum >> 1)*Cmd[dbfF0Interval] + m_BeamBitOffset;

for (i=0; i<m_BeamBitChangeTime*m_BeamBitNum; i++)
    if (StartBeamBit == m_ScanBeamBit[i]) { Addr = i; break; }

这是本模式最关键的环节：把转台的实际仰角（状态字）换算成波位表索引。 $m\_DataEL/64$ 把状态字仰角编码换算到波位表编码（若状态字用 1/64° 编码，则 /64 得到度，再与 ×10+450 编码的波位表匹配——注意这里可能存在单位不匹配的隐患，详见系列第 1 篇的分析）。

匹配失败时 Addr 保持 0：这意味着该帧数据会被当作"第 0 组波位"的数据，造成波位错位——这也是前面分析过的静默错误风险点。

4.2 一圈完成判定

if ((m_FirstDataEL == m_DataEL) && (m_BeamCount >= m_BeamBitChangeTime))
{
    // 转台扫完一圈回到起始仰角，且帧数足够 → 一圈完成
    m_LastDataEL = 0; m_BeamCount = 0; m_FirstDataELFlag = TRUE;
    SetEvent(m_TRTestDataEvent);   // 通知处理线程
}

物理意义：转台从起始仰角扫到结束再回来 = 一圈。软件用"仰角状态字回到初值 + 帧数达标"双重条件判断一圈完成——状态字保证位置对，帧数保证数据全。

五、蛇形扫描与数据重排

5.1 为什么需要重排

暗室测试时，阵列按"行-列"方式扫描（转台+阵面移动），数据到达顺序是蛇形的：

物理扫描路径：行0 →（从左到右）→ 行1 ←（从右到左）← 行2 → ...
数据到达顺序：0,1,2,...,N-1（行0）；N-1,...,1,0（行1）...

而 m_DarkRoomSouIQ[i][j] 约定：i=单元份数，j=线数（行）

5.2 重排代码

if(m_ArrayScanDir)  // 反向蛇形
{
    k = 0;
    for (i=0; i<m_ArrayGapNum; i+=2)   // 偶数行
    {
        for (j=m_NeedScanArrayNum-1; j>=0; j--)  // 反向
            m_DarkRoomSouIQ[i][j] = tmp[k++];
        for (j=0; j<m_NeedScanArrayNum; j++)     // 正向
            m_DarkRoomSouIQ[i+1][j] = tmp[k++];
    }
}
else  // 正向
{ ... 与之对称 ... }

核心思想：把"蛇形到达"的数据，按"偶数行正向、奇数行反向"的规律重新铺回规则网格，保证后续处理（方向图计算）看到的是物理位置正确的二维阵列数据。

六、数据文件输出

// 逐波位写文件
for (nn=0; nn<m_BeamBitChangeTime*m_BeamBitNum; nn++)
{
    ArrayFileName.Format("ArrayNear_暗室H_%.3fGHz_%.1f°_%04d....txt",
        m_RfFreqFloat, (m_ScanBeamBit[nn]-450)*0.1f, ...);
    WriteDarkRoomData(ArrayFileName, isTwo);
}

文件名里的角度 = (波位编码-450)×0.1°——一个波位一个文件，文件内容是该波位在阵列所有单元/线数上的幅度相位矩阵：

[测试方式说明]
[阵列信息]  频率、水平单元数、垂直线数、X/Y间距
[阵列数据]  Amplitude  Phase（每单元一行，按行×列）

后续用这些文件离线计算方向图（OnBnClickedButtonTrdatacalculate，见第 7 篇）。

七、完成判定与状态显示

if (m_CurScanedAllGapCount >= (int)(m_NeedScanArrayNum * m_ArrayGapNum - 1))
    → 全部数据采集完成，进入收尾（重排、写文件、弹窗）
else
    → m_CurScanedAllGapCount++;  // 继续下一圈

每完成一圈 m_CurScanedAllGapCount++，直到达到"单元数×份数"的总量——圈数与数据总量解耦，任何一圈缺帧都不会让程序误判完成（但会导致该圈数据空洞，需靠帧计数校验）。

八、一句话总结

暗室接收波瓣图 = 转台仰角扫描 + DBF 多波位同时接收 + 波位表匹配定位 + 蛇形重排记录。 关键技术点：波位表生成算法（偶数波位半间隔偏移）、DBF 系数在线生成（窗函数+相位梯度）、仰角状态字与波位匹配、一圈完成的双条件判定。它是"软件定义波束"在测试领域最典型的应用。

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