基于MATLAB的雷达探测数据处理图形界面设计

王泽刚，陈照海，吴泽，刘迎彬，吕雷

（1.西安苏试广博环境可靠性实验室有限公司，陕西 西安 710119；2.中北大学，山西 太原 030051）

雷达产品的快速发展，雷达探测的准确性至关重要，需要经过各项测试在符合标准的情况下才能投入生产，在面对大量的雷达测试与GPS数据，单靠简单的excel表格等简单操作完成数据处理需要花费大量的时间与精力，这时运用程序设计便会轻松很多。而MATLAB有着内部含有着大量库函数、极高的编程效率、数据可视化等优点，因此决定使用MATLAB程序设计解决这个问题，使得处理数据更加快捷。为了使不熟悉MATLAB的人员也可以更方便的进行操作，MATLAB中还提供了可以做用户图形界面的开发环境GUI。因此可以使用MATLAB中GUI模块设计出一款针对此问题的图形用户界面，使用者不需要知道其操作的具体的代码内容及意义，只需要了解界面上的具体操作就可以完成对数据的处理。

1 MATLAB GUI模块简介

图形用户界面GUI为采用图形方式显示的计算机操作用户界面，MATLAB为设计者设计图形界面用户提供了方便、快捷的制作开发环境。同时MATLAB有着大量库函数、极高的编程效率、数据可视化等优点，许多设计者都采用此模块进行设计开发软件。张锋等人利用MATLAB图形用户界面（GUI）设计并实现了一套船姿船位数据分析处理软件；洪楚雨等人借助MATLAB GUI技术，设计了一款集成度较高的雷达测试平台，用于分析雷达产生的数据分析。

MATLAB GUI界面设计一般包括两个文件部分，一部分就是定义图形件组成的元素，这里包括你需要的文字、图形、菜单、控件等等，最后保存为FIG文件；另外一部分就是脚本中各种函数的操作，以及你自己需要实现的功能的程序，其保存为M文件。在工具栏中包含按钮（Push Button）、双位按钮（Toggle Button）、单选按钮（Radio Button）、滑动条(Slider)、静态文本（Static Text）、可编辑文本（Edit Text）、边框（Frame）、列表框（List Box）、弹出框（Popup Menu）、坐标轴（Axes）多种编辑图形控件，可根据其不同功能搭配使用并对其进行布局完成自己的界面外观，在布局完所需要的控件后，每个控件都可双击对其进行编辑，改变控件名称、字体、颜色等属性。这一部分编辑完成后，需要对之前在GUI界面里面自己编辑的那些部件的创建函数，回调函数等。赋予这些控件其功能，也就是第二部分功能实现的程序部分，右击按钮点击callback进入回调函数编写，在每个控件名称对应的函数下面完成对其的功能控制，编辑完成后就可以保存为M文件。通过运行M文件即可进入图形用户界面。

2 程序设计

要完成对雷达探测的数据误差计算，首先，得知道某物体（例如车）在GPS探测下的经度、纬度、海拔高度以及时间，将这些实验数据数据录入到表中；其次，就是雷达架设的坐标（经度、维度、海拔）和所探测物体的时间以及探测到的距离、方位角以及速度并将其导入到表格中；另外，需要进行设置时间门限、速度门限、距离门限以及方位角门限等排除无用点位的数据；最后，还需要知道距离范围来区分移动的物体（人、车、无人机）。

2.1 GPS真值处理

由于GPS探测直接导出的数据与雷达导出的数据类型、格式都不相同，GPS导出的数据为目标的经纬度、海拔高度以及时间，而雷达导出的数据为目标距雷达架设点位置的距离、方位角度以及时间。因此，首先要将GPS测得的坐标数据转化为与雷达相关的距离、速度以及方位角，以方便用于后续的计算。在已知雷达假设点坐标以及GPS所探测到的坐标数据的情况下，通过使用MATLAB中大地坐标转化函数geodetic2aer将GPS数据转化为易于计算的数据（距离、角度），程序示例如图1所示。而径向速度需要通过进一步计算得到，因为采集目标的移动速度可能存在相差较大，因此，在对不同目标的采集时间间隔也会不一致，所以在计算径向速度时所使用差分间隔也不相同，本设计就针对无人机、车、人员采用两种不同间隔来运算速度，人员的径向速度采用公式1、车的径向速度采用公式2、无人机的径向速度采用公式3来进行计算。

图1 真值计算

由于雷达设备与GPS可能会出现时间上的偏差，因此在本设计中加入时差修正，根据参试单位提供的雷达探测值数据（至少包含时间、距离、方位、速度等信息）和GPS时间信息进行时差修正（具体修正值各单位不一），因此需设置时间偏差为变量。首先，将GPS将距离、速度、角度分别对时间做插值，然后将雷达探测的距离、速度、角度对时间加修正的时间差值进行插值。具体代码如图2所示，这样可以确保雷达与GPS在时间上可以重合，同时更方便显示GPS和雷达测试轨迹图，可以快速确定是否存在丢失某趟数据。

图2 时间修正插值

2.2 数据剔除及精度计算

GPS数据和雷达数据在经过速度、距离、角度的插值计算后，想要精确计算各数据的误差，应该先将误差较大的错误点位数据排除掉。根据规定的时间、速度、角度以及距离门限进行数据剔除，剔除原则为要求剔除剩余的数据在时间、距离、速度、角度上同时满足小于其3倍门限，将满足所有条件的数据按距离、速度、角度分别进行表格输出。

接下来就是借助GPS探测数据对雷达数据进行误差计算，使用均方根误差计算方法分别对距离、速度及方位角进行计算，具体算法为公式（4）～（6）。根据需求另外计算误差还使用滑窗算法，设置窗口为变量，可以输入改变来进行控制窗口的大小。

3 GUI界面设计

设计图形用户界面(GUI)最直接的目的为可以更方便、简洁的处理、运算数据。因此，在设计时，要考虑到其特性进行设计，尽可能地显示其功能有操作方便、简单。

本次设计目的是为解决雷达Ⅰ型实验和Ⅱ型实验中的探测数据误差、点位发现概率等问题，Ⅰ型实验要求不需要考虑速度影响，直接对距离和方位角进行数据处理及计算，Ⅱ型实验则对速度也有了要求，并在其求解精度方面加入了滑窗算法要求，这些也是设计界面基础。在设计开始之前进行排版布局规划以及设计思路，由于牵扯到的算法不止一种，本次总体采用按键进入切换功能的思路进行界面处理。

界面打开为初始界面（图3），包含此界面的功能文字介绍以及Ⅰ型实验和Ⅱ型实验的两个可点击的按键，根据实验数据的对象点击相应的按钮进入下一步操作。

图3 主界面

点击Ⅰ型，进入Ⅰ型实验数据处理的计算功能界面（图4），界面中的输入框包含雷达架设点位的经纬度以及海拔高度，用于去除错误点位的时间、距离、角度门限，可以根据测量目标在大量GPS数据中进行筛选的距离范围，以及如果存在时间偏差的具体时间偏差值设置。设置了三个用于计算的按钮，点击GPS解算，可以进入到文件选择窗口，选择需要处理的GPS数据即可，解算完成后会输出一个命名为GPS的data数据文件；然后进行点击筛选探测值，选择刚才计算完成的data文件以及雷达探测值文件，计算完成后会输出一个筛选后的探测值data文件；点击最后结果解算，需要依次选择前两次计算的data文件，计算完成后会输出GPS与探测值距离、速度、方位角在同时间下的对照表，距离、速度、方位角误差，探测值轨迹图以及各点的距离、方位角、速度误差图像。计算结果以表格形式输出（图5）。

图5 结果输出

当点击Ⅱ型，由于Ⅱ型数中要求在计算精度时加入滑窗计算的方法，因此在此设计了包含文字介绍以及滑窗算法和均方根算法的两个绿色可点击的按键，两个按钮分别代表了两种雷达数据误差计算方法（图6）。点进所需要算法的按钮进入选择探测的目标界面，如图7所示。

图6 Ⅱ型主界面

图7 探测目标选择界面

根据数据的对象进行选择按键进入计算界面（图8），同一类型下所有探测目标计算界面相同，但回调程序不同，计算方式也有所差别。Ⅱ型界面在Ⅰ型的基础添加了速度门限，滑窗算法在界面上增加了滑窗窗口大小，输入各项数据后具体计算操作与Ⅰ型操作方式相同，输出结果（图9）相较Ⅰ型输出而言多出了速度对照以及速度精度。

图8 Ⅱ型计算界面

图9 结果输出

用户图形界面经过上述测试没有问题后，进入该界面还是要运行一个M文件，而且仍需要借助MATLAB环境运行才能使用，因此尽管封装完毕，仍然需要用户安装、打开MATLAB才能进行运行，也仍然不方便，毕竟不是每位用户都愿意安装及打开MATLAB。这就需要对封装后的程序进行打包成独立可执行的exe文件，借助MATLAB中的 Application Complier工具和之前保存好的M文件就可进行打包。进行打包前首先查看MATLAB是否配置了Runtime编译环境，没有就需要先进行安装配置，在命令框中输入deploytool即可进入Application Complier，在界面中填写相关内容、选择将Runtime打包并附上包装完成后的M文件，就可以点击Package进行打包。打包完成后会显示3个文件夹（图10），用户可执行文件保存在for_redistribution_only文件夹下，电脑未安装MATLAB的用户需要点击第一个文件下的文件进行环境安装。

4 结语

本设计借助MATLAB GUI开发环境设计了一款不同试验、不同探测目标下雷达探测数据与GPS数据进行了对照、剔除以及计算了雷达探测的各项数据精度的用户图形界面软件。此软件用在某次大型雷达测试实验期间帮助处理了所有相关实验数据，计算期间，可以快速给出结果，且结果准确，便捷了实验数据的处理，加快了实验的进程，促进了实验的圆满成功。

MATLAB中有着丰富的数据库和高效处理数据等优势，且自带着GUI开发模块，用户可以很方便地设计出自己需求的程序以及图形界面，而且可借助Application Complier对其进行打包成安装即可用的软件，使其在即使没有安MATLAB的情况下，依然可以运行操作，极大地方便了软件的使用。