基于WPF的雷达上位机系统开发实践

一、雷达上位机系统概述

1.1 系统功能需求

现代雷达上位机系统通常需要实现以下核心功能模块：

• 数据采集与解析
  
  
  
  • 支持多种通信协议（TCP/IP、UDP、RS422等）
    
  • 实时解析雷达原始数据（目标距离、方位、速度、RCS等）
    
  • 典型数据帧示例：
    json复制
    1. {
    2.   "timestamp": 1625097600000,
    3.   "targets": [
    4.     {
    5.       "id": 1001,
    6.       "distance": 1500.5,
    7.       "azimuth": 45.3,
    8.       "speed": 120.7,
    9.       "rcs": 2.5
    10.     }
    11.   ]
    12. }

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• 态势显示子系统
  
  
  
  • PPI（平面位置指示器）显示
    
  • A/R显示（幅度-距离）
    
  • 目标轨迹跟踪显示
    
  • 电子地图叠加
    
  
  
• 参数控制模块
  
  
  
  • 雷达工作模式切换（搜索/跟踪）
    
  • PRF（脉冲重复频率）设置
    
  • 扫描范围控制
    
  • 信号门限调整
    
  
  
• 数据记录与回放
  
  
  
  • 原始数据存储（二进制格式）
    
  • 态势录像功能
    
  • 事件标记与检索
    
  
  
• 报警与决策支持
  
  
  
  • 碰撞预警
    
  • 危险目标识别
    
  • 自动跟踪锁定
    
  
  

1.2 技术挑战

• 实时性要求（通常需要达到30Hz刷新率）
  
• 大数据量处理（单帧可达上千目标）
  
• 复杂坐标变换（极坐标←→笛卡尔坐标）
  
• 多线程同步问题
  
• 长时间运行的稳定性
  

二、WPF开发关键技术要点

2.1 高性能图形渲染

2.1.1 渲染架构选择

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1. graph TD
2.     A[渲染方案] --> B[Canvas+Shape]
3.     A --> C[DrawingVisual]
4.     A --> D[WriteableBitmap]
5.    
6.     B --> |优点| E[开发简单]
7.     B --> |缺点| F[性能差]
8.     C --> |优点| G[高性能]
9.     C --> |缺点| H[复杂度高]
10.     D --> |优点| I[最快速度]
11.     D --> |缺点| J[需手动处理像素]

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2.1.2 DrawingVisual最佳实践

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1. public class RadarDisplay : FrameworkElement
2. {
3.     private readonly DrawingVisual _visual = new DrawingVisual();
4.    
5.     protected override Visual GetVisualChild(int index) => _visual;
7.     public void UpdateDisplay()
8.     {
9. <Grid>
10.     <local:RadarDisplay/>
11.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
12.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
13.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
14. </Grid>using (var dc = _visual.RenderOpen())
15. <Grid>
16.     <local:RadarDisplay/>
17.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
18.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
19.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
20. </Grid>{
21. <Grid>
22.     <local:RadarDisplay/>
23.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
24.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
25.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
26. </Grid>    // 批量化绘制命令
27. <Grid>
28.     <local:RadarDisplay/>
29.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
30.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
31.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
32. </Grid>    dc.DrawRectangle(Brushes.Black, null, new Rect(0, 0, 800, 600));
33. <Grid>
34.     <local:RadarDisplay/>
35.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
36.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
37.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
38. </Grid>   
39. <Grid>
40.     <local:RadarDisplay/>
41.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
42.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
43.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
44. </Grid>    // 绘制1000个目标点
45. <Grid>
46.     <local:RadarDisplay/>
47.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
48.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
49.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
50. </Grid>    for (int i = 0; i < 1000; i++)
51. <Grid>
52.     <local:RadarDisplay/>
53.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
54.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
55.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
56. </Grid>    {
57. <Grid>
58.     <local:RadarDisplay/>
59.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
60.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
61.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
62. </Grid><Grid>
63.     <local:RadarDisplay/>
64.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
65.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
66.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
67. </Grid>dc.DrawEllipse(Brushes.Red, null,
68. <Grid>
69.     <local:RadarDisplay/>
70.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
71.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
72.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
73. </Grid><Grid>
74.     <local:RadarDisplay/>
75.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
76.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
77.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
78. </Grid>    new Point(rnd.Next(800), rnd.Next(600)), 3, 3);
79. <Grid>
80.     <local:RadarDisplay/>
81.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
82.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
83.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
84. </Grid>    }
85. <Grid>
86.     <local:RadarDisplay/>
87.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
88.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
89.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
90. </Grid>}
91.     }
92. }

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2.2 数据绑定与MVVM模式

2.2.1 数据模型设计

csharp复制

1. public class RadarTarget : INotifyPropertyChanged
2. {
3.     private double _distance;
4.     public double Distance
5.     {
6. <Grid>
7.     <local:RadarDisplay/>
8.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
9.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
10.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
11. </Grid>get => _distance;
12. <Grid>
13.     <local:RadarDisplay/>
14.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
15.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
16.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
17. </Grid>set
18. <Grid>
19.     <local:RadarDisplay/>
20.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
21.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
22.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
23. </Grid>{
24. <Grid>
25.     <local:RadarDisplay/>
26.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
27.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
28.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
29. </Grid>    _distance = value;
30. <Grid>
31.     <local:RadarDisplay/>
32.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
33.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
34.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
35. </Grid>    OnPropertyChanged();
36. <Grid>
37.     <local:RadarDisplay/>
38.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
39.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
40.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
41. </Grid>    OnPropertyChanged(nameof(DisplayPosition));
42. <Grid>
43.     <local:RadarDisplay/>
44.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
45.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
46.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
47. </Grid>}
48.     }
50.     // 自动计算显示坐标
51.     public Point DisplayPosition => new Point(
52. <Grid>
53.     <local:RadarDisplay/>
54.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
55.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
56.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
57. </Grid>Distance * Math.Sin(Azimuth),
58. <Grid>
59.     <local:RadarDisplay/>
60.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
61.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
62.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
63. </Grid>Distance * Math.Cos(Azimuth)
64.     );
65. }

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2.2.2 视图绑定实现

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1. <ItemsControl ItemsSource="{Binding Targets}">
2.     <ItemsControl.ItemsPanel>
3. <Grid>
4.     <local:RadarDisplay/>
5.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
6.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
7.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
8. </Grid><ItemsPanelTemplate>
9. <Grid>
10.     <local:RadarDisplay/>
11.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
12.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
13.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
14. </Grid>    <Canvas/>
15. <Grid>
16.     <local:RadarDisplay/>
17.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
18.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
19.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
20. </Grid></ItemsPanelTemplate>
21.     </ItemsControl.ItemsPanel>
22.     <ItemsControl.ItemTemplate>
23. <Grid>
24.     <local:RadarDisplay/>
25.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
26.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
27.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
28. </Grid><DataTemplate>
29. <Grid>
30.     <local:RadarDisplay/>
31.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
32.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
33.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
34. </Grid>    <Ellipse Width="10" Height="10" Fill="Red"
35. <Grid>
36.     <local:RadarDisplay/>
37.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
38.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
39.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
40. </Grid><Grid>
41.     <local:RadarDisplay/>
42.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
43.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
44.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
45. </Grid>     Canvas.Left="{Binding DisplayPosition.X}"
46. <Grid>
47.     <local:RadarDisplay/>
48.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
49.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
50.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
51. </Grid><Grid>
52.     <local:RadarDisplay/>
53.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
54.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
55.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
56. </Grid>     Canvas.Top="{Binding DisplayPosition.Y}"/>
57. <Grid>
58.     <local:RadarDisplay/>
59.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
60.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
61.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
62. </Grid></DataTemplate>
63.     </ItemsControl.ItemTemplate>
64. </ItemsControl>

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 运行 HTML2.3 多线程处理架构

csharp复制

1. // 数据采集线程
2. private void DataAcquisitionThread()
3. {
4.     while (_isRunning)
5.     {
6. <Grid>
7.     <local:RadarDisplay/>
8.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
9.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
10.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
11. </Grid>var rawData = _radarDevice.ReadFrame();
12. <Grid>
13.     <local:RadarDisplay/>
14.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
15.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
16.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
17. </Grid>Dispatcher.BeginInvoke(() =>
18. <Grid>
19.     <local:RadarDisplay/>
20.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
21.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
22.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
23. </Grid>{
24. <Grid>
25.     <local:RadarDisplay/>
26.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
27.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
28.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
29. </Grid>    _viewModel.ProcessData(rawData);
30. <Grid>
31.     <local:RadarDisplay/>
32.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
33.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
34.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
35. </Grid>});
36.     }
37. }
39. // 渲染线程
40. CompositionTarget.Rendering += (s, e) =>
41. {
42.     if (_lastRenderTime.AddMilliseconds(33) < DateTime.Now)
43.     {
44. <Grid>
45.     <local:RadarDisplay/>
46.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
47.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
48.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
49. </Grid>_radarDisplay.UpdateDisplay();
50. <Grid>
51.     <local:RadarDisplay/>
52.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
53.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
54.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
55. </Grid>_lastRenderTime = DateTime.Now;
56.     }
57. };

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三、典型功能实现示例

3.1 扫描线动画实现

csharp复制

1. public class ScanAnimation
2. {
3.     private readonly RotateTransform _transform = new RotateTransform();
4.     private readonly DispatcherTimer _timer = new DispatcherTimer();
6.     public ScanAnimation(UIElement target)
7.     {
8. <Grid>
9.     <local:RadarDisplay/>
10.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
11.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
12.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
13. </Grid>target.RenderTransform = _transform;
14. <Grid>
15.     <local:RadarDisplay/>
16.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
17.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
18.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
19. </Grid>_timer.Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(16);
20. <Grid>
21.     <local:RadarDisplay/>
22.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
23.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
24.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
25. </Grid>_timer.Tick += (s, e) =>
26. <Grid>
27.     <local:RadarDisplay/>
28.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
29.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
30.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
31. </Grid>    _transform.Angle = (_transform.Angle + 0.5) % 360;
32.     }
34.     public void Start() => _timer.Start();
35. }

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3.2 目标轨迹预测算法

csharp复制

1. public class TrajectoryPredictor
2. {
3.     public Point PredictPosition(Target target, double deltaTime)
4.     {
5. <Grid>
6.     <local:RadarDisplay/>
7.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
8.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
9.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
10. </Grid>// 卡尔曼滤波简化实现
11. <Grid>
12.     <local:RadarDisplay/>
13.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
14.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
15.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
16. </Grid>var predicted = target.Position + target.Velocity * deltaTime;
17. <Grid>
18.     <local:RadarDisplay/>
19.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
20.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
21.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
22. </Grid>return new Point(
23. <Grid>
24.     <local:RadarDisplay/>
25.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
26.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
27.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
28. </Grid>    predicted.X + 0.5 * target.Acceleration * deltaTime * deltaTime,
29. <Grid>
30.     <local:RadarDisplay/>
31.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
32.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
33.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
34. </Grid>    predicted.Y + 0.5 * target.Acceleration * deltaTime * deltaTime
35. <Grid>
36.     <local:RadarDisplay/>
37.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
38.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
39.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
40. </Grid>);
41.     }
42. }

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四、性能优化方案

4.1 渲染优化对照表

优化措施帧率提升CPU占用下降内存消耗原始Canvas方案基准基准基准DrawingVisual300%40%60%多级缓存策略150%25%80%硬件加速200%30%-4.2 关键优化代码

csharp复制

1. // 启用硬件加速
2. RenderOptions.ProcessRenderMode = RenderMode.Default;
3. RenderOptions.EdgeMode = EdgeMode.Aliased;
5. // 对象池重用
6. public class ObjectPool<T> where T : new()
7. {
8.     private readonly ConcurrentBag<T> _objects = new ConcurrentBag<T>();
9.    
10.     public T Get() => _objects.TryTake(out T item) ? item : new T();
11.    
12.     public void Return(T item) => _objects.Add(item);
13. }

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五、扩展功能建议

5.1 增强现实功能

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1. <Grid>
2.     <local:RadarDisplay/>
3.     <TextBlock Text="{Binding CurrentTarget.Distance}"
4.                Style="{StaticResource ARTextStyle}"
5.                RenderTransform="{Binding CurrentTarget.Transform}"/>
6. </Grid>

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 运行 HTML5.2 机器学习集成

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1. # 使用TensorFlow Lite进行目标分类
2. import tensorflow as tf
4. model = tf.lite.Interpreter(model_path="target_classifier.tflite")
5. input_details = model.get_input_details()
7. def classify_target(target):
8.     input_data = preprocess(target)
9.     model.set_tensor(input_details[0]['index'], input_data)
10.     model.invoke()
11.     return model.get_output_details()[0]['index']

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六、总结与展望

本文探讨了基于WPF开发雷达上位机系统的关键技术，通过实际代码示例展示了：

• 高性能渲染架构的实现方式
  
• 复杂数据绑定的最佳实践
  
• 实时系统的多线程设计方案
  
• 典型雷达功能的实现路径
  

未来发展方向：

• 与Web技术的深度融合（Blazor Hybrid）
  
• 三维可视化集成（HelixToolkit）
  
• 云原生架构支持
  
• AI辅助决策系统
  

完整的示例项目包含以下功能模块：

• 雷达数据模拟器
  
• 实时态势显示
  
• 历史数据回放
  
• 报警日志系统
  
• 设备状态监控
  

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