天线虚拟仿真实验平台的制作方法

1.本发明涉及电子信息技术领域，具体为天线虚拟仿真实验平台。


背景技术：

2.近年来，随着科学技术的进步和经济建设的快速发展，我国的高等教育进入了一个全新的快速发展期，技术的高速发展与教育模式改革目标对高校的教学工作提出了新的要求和挑战，在诸多专业的教学领域，学科与学科之间的交叉融合越来越频繁，研究成果的更新越来越快，同时更加注重工程技术人才的培养。在这种现状下，仅从传统的教材、课件出发的教学形式已经逐渐无法满足现代教学的需求。增加实验教学在高校专业课程教学中的比重，成为了很多高校教育改革的方向，然而对于绝大多数的国内高校而言，一方面由于经费、场地等原因的束缚，对于一些价格昂贵、维护建造成本高的实验室环境和实验设备，很多学校无法进行全面配套建设；另一方面，测量环境要求相对苛刻的实验以及强电实验或化学实验这种操作具有一定危险性的实验，也无法保证每一位同学都可以充分的进行实验操作与学习。因此，对于目前的很多实验课程，教学效果相对欠佳，学生无法对实验仪器和实验操作有充分的认知和感受，同时教师也无法对学生实验操作的学习效果进行有效地考核，对学生进行相对合理公平的评分，无法及时收到学生的实验教学反馈。这些问题的存在都从多方面制约了高校实验教学的发展。


技术实现要素：

3.(一)解决的技术问题
4.针对现有技术的不足，本发明提供了天线虚拟仿真实验平台，解决了上述背景技术中所存在的问题。
5.(二)技术方案
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：天线虚拟仿真实验平台，包括仪器库、场景仿真模块、虚拟交互模块、数据留存储与处理模块、函数与绘图模块、考核与评分模块，所述仪器库包括实验仪器、实验天线和其他实验设备，所述数据存储与处理模块包括全局数据的存储与场强的计算，所述函数与绘图模块包括直角坐标系和极坐标系下的法向天线方向性图和轴向天线方向性图的绘制，所述考核与评分模块包括实验数据的考核与评分和实验操作的考核与评分。
7.优选的，所述实验仪器包括场强计、信号源和功率计，实验天线包括螺旋天线、八木天线和喇叭天线，其他实验设备包括天线架、天线转台、同轴线和功率计探头。
8.优选的，所述虚拟交互模块控制用户与实验平台之间的交互操作，并且还负责整个实验逻辑的控制，其主要将交互方式分为三类进行管理，第一类是基于ugui界面的点击、输入和输出，第二类则是用户通过鼠标键盘控制第一人称控制器在虚拟实验场景里移动的操作控制，最后一类是用户与场景中实验仪器的交互控制。
9.优选的，所述数据存储与处理模块中存储的全局数据包括天线架设距离、功率值、
旋转角度和场强值，这些全局数据不会随着操作的更新和场景的更换消失，数据存储与处理模块还负责整个实验平台所有数值的计算。
10.优选的，所述函数与绘图模块是实现在数据处理面板中根据用户输入的数据自动绘制天线方向性图功能的主要模块，该模块包含了法向螺旋天线、轴向螺旋天线的天线方向性函数值计算部分，能够根据传入的角度值计算对应的方向性数值，储存数据以供描点画线，绘图部分基于chart and graph可视化图表绘制插件开发，实现了在直角坐标系和极坐标系下天线方向性图的绘制。
11.优选的，所述考核与评分模块负责监测用户在实验过程中的错误操作，根据实验操作部分的错误操作，触发评分模块扣除相应的分数，此外，在最终的数据提交之后，考核与评分模块会将用户提交数据与理论计算数据进行对比，数据错误的扣除相应的分数，其中试验操作部分包括功率计调零操作、校准因子操作和模式选择操作，数据包括主瓣张角数据和增益系数数据。
12.优选的，天线虚拟仿真实验平台的操作方法，包括以下步骤：
13.s1、进入实验环境：在进入天线虚拟仿真平台后，输入学号、姓名、专业班级、机器号等信息进入实验选择界面，点击选择天线方向性图及其增益的仿真测量实验，随后进入两天线架设间距选择界面，输入架设距离r并记录下来，然后点击确定，进入左侧楼顶3d虚拟场景；
14.s2、测量信号源输出功率：
15.s21、点击仪器栏，出现仪器库，然后摆放信号源、功率计，点击功率计探头并点击连接到信号源；
16.s22、按下信号源电源开关，根据待测天线的中心频率调节信号源的频率旋钮；
17.s23、电机信号源面板上的黑色探头，出现探头的放大图片，根据探头上标示的频率与校准因子的关系，选择频率计上的校准因子；
18.s24、打开功率计电源开关进行调零；
19.s25、将信号源工作方式置等幅或方波，调节功率旋钮，使功率计表头显示一定数值的功率，可取5
‑
10mw之间的值；
20.s26、点击数据处理，出现试验数据分析处理表项，将功率值p和两天线架设距离r添入数据表项中；
21.s27、将信号源工作方式置外调制，关闭功率计电源，卸下功率计探头；
22.s3、安装天线并测量场强：
23.s31、摆放待测天线手动转台，安装待测天线并点击确定；
24.s32、摆放标准天线架，根据待测天线中心频率，选择合适的标准天线并安装；
25.s33、摆放场强仪，点击同轴线连接信号源与标准天线和连接场强仪与待测天线，将信号源工作方式置等幅；
26.s34、用场强仪测量场强：
27.s341、点击场强仪，出现放大的面板图片，电机on键开机后，首先按ent键，然后按mode键进入测量模式选择界面，通过上下箭头选择频谱分析，按ent键确定；
28.s342、点击中心频率，输入待测天线的中心频率值，测量带宽默认为100mhz即可；
29.s343、点击meas/disp测试/显示键，依次点击测量、场强、关、选择天线按键，通过
上下箭头选择标准天线类型，按ent键确定；
30.s344、旋转天线转台，在一周内先找出极大值和极小值，并记录角度θ和场强e大小，然后根据主瓣张角，合理的选取测量的密度，在一周内测量30组数据，并记录角度和场强大小，填入表格中；
31.s4、数据处理及绘图：
32.s41、点击数据处理菜单进入数据处理截面，将所测得的数据填入表格；
33.s42、点击排序按钮，所测数据按θ从小到大排序，点击计算e(mv/m)和计算e e
max
按钮，自动计算出场强及归一化值；
34.s43、计算出主瓣张角2θ并填入表格，将e
max
值和计算出的增益值g填入表格；
35.s44、分别点击直角坐标系和极坐标系绘制方向性图按钮，将绘出图形写入报告中；
36.s45、点击评分菜单，查看实验成绩。
37.优选的，所述步骤s1中的架设距离r即为两座楼之间的距离，默认值为50m；步骤s22中按下信号源电源开关前，左旋功率旋钮调到较小值，工作方式置外调制，调节信号源的频率旋钮的具体方式为按住鼠标左键旋转；步骤s23中选择频率计上的校准因子的具体方式为按住鼠标左键旋转功率计上的校准因子旋钮；步骤s24中打开功率计电源开关的时候要将信号源置于外调制状态；步骤s32标准天线中的八木型标准天线1适于小于1ghz的频率，喇叭型标准天线2适于2
‑
10ghz的频率。
38.优选的，天线虚拟仿真实验平台的开发方法，包括以下步骤：
39.s1、仪器3d建模：
40.实验中所用到的天线模型、场强仪、功率计、信号源等仪器均是在cinema4d软件中构建的，对于仪器中需要触发交互操作的部分如开关、旋钮、按键、指示灯、指针等进行了单独的建模，并通过装配体组装到一起，通过uvedit工具展开模型的uv面，导出到photoshop中绘制三维模型的贴图，最终导入cinema4d中，利用cinema4d内置的材质编辑器制作模型的材质，对材质进行相关编辑，以达到相对真实的渲染效果，通过cinema4d软件对天线转台、喇叭天线、螺旋天线、八木天线进行三维模型的构建，在对喇叭天线进行建模时，主要使用cinema4d内置的放样生成器工具，使用钢笔工具绘制喇叭天线波导部分样条，将样条放置在放样生成器下，复制拖拽新的样条，调整新样条的大小、旋转等参数，即可生成从初始样条到复制新样条之间的3d模型部分，通过不断的放样操作和参数调整完成喇叭天线波导部分的建模，通过扫描生成器，绘制螺旋天线金属螺旋线形状的螺旋样条轮廓，随后绘制长度样条控制扫描生成的长度。将轮廓样条和长度样条并列放在扫描生成器下，调节扫描生成器的参数：生成进度、结尾收缩、结束旋转、终点缩放等，生成理想的金属螺旋线三维模型；
41.s2、基于ugui的用户交互界面的开发：
42.通过程序原型设计平台以及photoshop制作与实验场景主色调一致，整体风格简洁、统一的蓝色科技感主题，系统地设计了实验平台所需要的ui界面以及图形图标等元素，最终有序整理、导出，严格规范图片素材的命名，将ui图片资源导入到ugui中，在导入ui图片资源之后，将图片全部转化成sprite，并对其进行打包合成图集的操作；
43.s3、实验场景搭建与优化：
44.实验场景主要由两个相距一定距离的高楼构成，在以第三人称视角选择楼间距时，摄像机以正交方式远景拍摄两个楼的侧面画面，并将实时渲染在屏幕上，实验开展的主场景主要为两个天台场景，在场景搭建上，一方面通过布置不同楼顶物体以区分两个楼顶场景，另一方面提前布置仪器放置所需的桌面、天线架和天线转台，为避免在实验操作中错误操作导致用户跌落的情况发生，在场景设置时对用户可自由移动的范围进行了限制，在四周加设了boxcollider，使玩家无法进入其他无法交互的布景区域，在两边天线的居中边缘处，设置了一个斜坡，用户可以移动到斜坡上观察对面楼顶天台的情况，通过设置在斜坡上的碰撞触发器，触发出传送按钮，实现在两个天台场景间的跳转，在场景编辑窗口，在hierarchy层级管理器中创建多个空物体，并根据分组将空物体重命名，将对应的场景1仪器，场景2仪器、天线与天线转台、不同的ui界面、用户控制器、整体场景布景模型拖拽到对应的空物体下面，通过折叠对应的scenemodels使整个hierarchy层级看起来更加简洁，方便统一管理，在场景优化方面，单击场景物体模型，勾选inspector选项卡中的static静态按钮，并设置应用到所有该物体下的子物体中，方便统一对场景中的物体进行光照烘焙，点击window栏，打开lighting光照管理窗口，将其中的baked gi选项勾选，随后将gpu usage选项从默认值改为medium；s4、实验逻辑控制脚本的开发：
45.编写mgr.cs脚本，在脚本中定义了诸多可调用的public属性的方法，在ui管理方面，脚本中定义了一系列开关界面的方法，为了使部分界面的生成效果更加自然，在openpanel与closepanel两个方法中调用了unity商城中开源的dotween动画插件，通过编写程序实现ui界面的动态开关动画，在场景跳转方面，mgr管理脚本借由unity projectsetting中对最终打包发布场景的统一编号，通过场景管理器scenemanager下的loadscene法传入对应的场景序号实现场景的跳转，在用户管理控制上，进入实验操作场景后，mgr管理脚本首先会获取分别位于两边楼顶天台场景上的第一人称角色控制器，以及用于拍摄显示两楼侧面间距画面的正交相机，场景开始加载，关闭两个角色控制器，打开正交相机，显示正交相机拍摄画面作为楼间距选择的背景画面，进入实验操作后，关闭正交相机，打开天台1的角色控制器，场景跳转至天台2后同理；
46.s5、物体交互脚本的开发：
47.在实验的需求设计中，用户需要对信号源、功率计、场强仪等仪器进行操作，实验操作中要完成的交互类型主要包括各仪器按钮的点击、仪器旋钮的旋转、通过鼠标点击触发事件函数等等，主要通过mouse interaction脚本实现，将mouseinteraction脚本挂载在需要实现交互的物体上，为了使物体实现交互功能，需要给物体添加碰撞器，以便实现交互触发，在脚本的第一部分，除了选择交互形式外，还可以通过参数的调节修改交互触发的距离、交互触发的响应速度以及设置是否为交互过程添加动画等，对于交互触发的物体，可以设置颜色变化和高亮显示，脚本的第二个功能部分需要勾选show tooltip选项以激活，主要功能是在交互的同时触发出提示面板，脚本的第三个功能部分是事件使用部分，勾选using event选项，可以为物体交互添加两类事件：event interaction enter、event interaction exit，其函数事件的调用与ugui中的button事件onclick方法触发机制基本一致，巧妙的利用这里的触发函数，针对不同的交互功能需求编写不同的触发函数，可以实现诸多的交互功能；
48.s6、第一人称用户视角的控制与切换：
49.在第一人称控制器的设计上，平台采取了游戏开发中常见的第一人称射击游戏的player玩家的设计方法。通过键盘上的wasd键来控制玩家的位置移动，通过鼠标来控制视角的旋转和朝向，在操作的过程中，用户可以随时按下空格键，当检测到空格键被按下，第一人称控制器的摄像机视角即被锁定，鼠标释放、显示，可以对面前的物体进行鼠标点击交互，在数据记录部分，每当用户点击数据记录面板时，除了打开数据记录面板外，还会同时触发openorclosefollowcamera方法，此方法触发后会获取当前用户所使用的第一人称控制器摄像机的位置和旋转值，并将transform数值赋给一个新的、固定视角的摄像机，保证视角在与数据记录面板打开前的视角保持同步，同时，关闭第一人称控制器，使得实验交互的重心从三维的虚拟场景中释放出来，进行ui界面进行一系列基于ugui的操作；
50.s7、实验仪器功能的开发：
51.场强仪、信号源、功率计是本实验中核心的三个实验仪器，每一个实验仪器都有着自己的功能和特性，对应到实验交互开发中，就是不同的交互开发要求，因此，对于每一个仪器，平台开发时都单独编写了脚本进行功能和交互的管理，场强仪、信号源、功率计对应的脚本分别是dbmetemgr.cs、signalsourcemgr.cs、powermetermgr.cs，通过在脚本上定义public属性的gameobject变量，在编辑器环境下，将脚本挂载在对应的仪器上，将仪器下面的子物体如旋钮、开关、指针等赋给对应的接口，在脚本中通过代码获取、控制，同时，定义public属性的文本变量，将仪器需要显示的数据在update函数中实时更新显示；
52.s8、数据的输入获取与全局保存：
53.平台定义了静态类staticdata用于保存各环节记录的数据，数据记录表格是很多inputfield组件的集合，为了合理便捷的管理众多的inputfield，按照组别有序的撰写读取、存储、更新同步的程序，在开发时定义了datagroup的类，在脚本内定义四个inputfield属性的变量，分别存储角度，不同单位下的两个场强值以及e/emax的值，将一组数据对应的四个inputfield组件放在同一个空物体下，重命名空物体为“数据组”，挂载datagroup脚本，将四个inputfield物体对应赋给脚本，保存物体，拖到项目工程中制作成prefabs预制体；
54.s9、数据处理与计算：
55.数据处理部分是整个实验平台的重要组成部分，天线方向图及增益的仿真测量实验的实验原理基于旋转天线法，通过测量待测天线在0
‑
360
°
之间各个方向上接收到的场强数据，并以此绘制出天线的方向性图，进而对天线的增益参数进行计算，首先，在matlab中对于场强e的计算进行编程和仿真，随后通过c#编程将代码移植到unity中，编写了计算场强值的cale函数，输入变量为浮点值的角度值，返回值为计算的场强值，之后进行了数据测试，保证数据计算的正确性，在选择待测天线时，天线类型选择完毕后，会进入天线参数的选择界面，其中确定的已知参数包括：螺旋天线线圈数n、中心频率f、螺间距s、周长c、高度h，在选择完毕之后对应的参数数据即被保存下来，结合静态数据脚本中更新的楼间距r，输入功率p，在这些参数的基础上计算增益系数g，根据公式
①
：计算出辐射场强的最大值，进而计算天线在不同角度的辐射场强值，根据电场合格方向性函数关系，可得法向模螺旋天线的远场方向性，函数公式为公式
②
：
其中，β0＝2π/λ0，β＝2π/λ
g
，s＝λ
g
/λ0，单圈螺旋天线方向性图近似为cosθ，利用单圈螺旋替代点源得到单绕轴向模螺旋天线天线归一化方向图为公式
③
：其中，除此之外，针对数据处理界面的排序功能，基于datagroup类的构建，对不同数据组的角度值进行冒泡法排序，在排序的过程中实时更新角度值对应的场强值，通过保存按钮实时将更新后的数据保存并显示到表格上，对于数据处理工具栏中的部分数据自动计算的按钮开发同理；
56.s10、绘图模块的开发：
57.实验平台在开发时选择了unity asset store中的chart and graph可视化图标绘制插件，并以此为基础上进行编程开发，并实现了在直角坐标系和极坐标系下分别绘制轴向螺旋天线和法向螺旋天线的天线方向性图；
58.s11、评分系统的开发：
59.评分系统主要分为两个部分，第一部分是过程分，即判断在用户实验操作的全过程中检测是否存在错误的操作和遗漏的操作步骤，第二部分是数据分，即判断关键参数的计算是否存在数据错误，针对这两大类错误分别开发了判错模块，对应去修改静态数据中的分数变量默认值为100，在实验的最后生成评分，显示在实验打分界面，对于实验操作部分的判错，在交互开发中每一处重要步骤交互都有单独的触发函数，因此平台分别在触发函数内引入一个全局静态变量，记录该函数被调用的次数，最后根据调用次数判断该操作是否遗漏、重复，进而扣除相应的分数，对于数据计算的错误判定，只需在提交数据后将输入值与理论计算值对比，如果错误扣除相应的分数即可
60.(1)、数据错误的扣分点：
61.g计算错误；
62.主瓣张角错误；
63.(2)、实验操作的扣分点：
64.校准因子的调节错误/未调节；
65.功率计未调零；
66.信号源未连接就打开开关；
67.没有按下外调制。
68.s12、发布到webgl平台：
69.点击file
‑
build settings，然后在发布界面点击player settings,在弹出的数据设置面板构建选项，完成之后点击build就可以完成发布，倘若要实现网络连接共享还需要部署iis，通过visual studio将unity发布的webgl文件发布到iis即可。
70.(三)有益效果
71.本发明提供了天线虚拟仿真实验平台，具备以下有益效果：
72.本发明可以减小高校对昂贵试验设备的投入，并且在实验的时候不会受到实验场地的束缚，并且在教学的过程中，通过该虚拟仿真试验平台可以使学生处于游戏般第一人称沉浸体验的状态，从而可以更好的对学生进行教学，进而可以使学生更好的熟悉天线参数测量的步骤，熟悉和掌握天线参数测量仪器的使用，并且该虚拟仿真平台可以对学生的
实验操作和得出的数据进行考核和评分，从而可以大大减轻教师现场进行考核和评分的负担。
附图说明
73.图1为本发明的整体框架示意图；
74.图2为本发明的开发流程示意图。
具体实施方式
75.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
76.如图1
‑
2所示，本发明提供一种技术方案：天线虚拟仿真实验平台，包括仪器库、场景仿真模块、虚拟交互模块、数据留存储与处理模块、函数与绘图模块、考核与评分模块，仪器库包括实验仪器、实验天线和其他实验设备，实验仪器包括场强计、信号源和功率计，实验天线包括螺旋天线、八木天线和喇叭天线，其他实验设备包括天线架、天线转台、同轴线和功率计探头，虚拟交互模块控制用户与实验平台之间的交互操作，并且还负责整个实验逻辑的控制，其主要将交互方式分为三类进行管理，第一类是基于ugui界面的点击、输入和输出，主要包含用户对顶部导航栏的点击操作、在数据处理表格中输入的每组测量数据和重要参数、数据处理与计算模块反馈给用户的数据显示，第二类则是用户通过鼠标键盘控制第一人称控制器在虚拟实验场景里移动的操作控制，用户可以在虚拟实验场景的有限范围内自由漫游，进行各类实验操作，最后一类是用户与场景中实验仪器的交互控制，主要包含场强仪、信号源、功率计等仪器的基本操作以及天线转台的旋转等，数据存储与处理模块包括全局数据的存储与场强的计算，包括场强仪实时显示的场强参数、数据处理面板上参数自动计算功能的实现等，其中存储的全局数据包括天线架设距离、功率值、旋转角度和场强值，这些全局数据不会随着操作的更新和场景的更换消失，重要数据的独立存储也便于各类计算函数以及后续绘图模块对数据的读取，数据存储与处理模块还负责整个实验平台所有数值的计算，函数与绘图模块包括直角坐标系和极坐标系下的法向天线方向性图和轴向天线方向性图的绘制，是实现在数据处理面板中根据用户输入的数据自动绘制天线方向性图功能的主要模块，该模块包含了法向螺旋天线、轴向螺旋天线的天线方向性函数值计算部分，能够根据传入的角度值计算对应的方向性数值，储存数据以供描点画线，绘图部分基于chart and graph可视化图表绘制插件开发，实现了在直角坐标系和极坐标系下天线方向性图的绘制，考核与评分模块包括实验数据的考核与评分和实验操作的考核与评分，负责监测用户在实验过程中的错误操作，根据实验操作部分的错误操作，触发评分模块扣除相应的分数，此外，在最终的数据提交之后，考核与评分模块会将用户提交数据与理论计算数据进行对比，数据错误的扣除相应的分数，其中试验操作部分包括功率计调零操作、校准因子操作和模式选择操作，数据包括主瓣张角数据和增益系数数据。
77.天线虚拟仿真实验平台的操作方法，包括以下步骤：
78.s1、进入实验环境：在进入天线虚拟仿真平台后，输入学号、姓名、专业班级、机器
号等信息进入实验选择界面，点击选择天线方向性图及其增益的仿真测量实验，随后进入两天线架设间距选择界面，输入架设距离r并记录下来，r即为两座楼之间的距离，默认值为50m，然后点击确定，进入左侧楼顶3d虚拟场景；
79.s2、测量信号源输出功率：
80.s21、点击仪器栏，出现仪器库，然后摆放信号源、功率计，点击功率计探头并点击连接到信号源；
81.s22、按下信号源电源开关前，左旋功率旋钮调到较小值，工作方式置外调制，按下信号源电源开关，根据待测天线的中心频率按住鼠标左键旋转调节信号源的频率旋钮；
82.s23、电机信号源面板上的黑色探头，出现探头的放大图片，根据探头上标示的频率与校准因子的关系，按住鼠标左键旋转功率计上的校准因子旋钮选择频率计上的校准因子；
83.s24、打开功率计电源开关进行调零，此时要将信号源置于外调制状态；
84.s25、将信号源工作方式置等幅或方波，调节功率旋钮，使功率计表头显示一定数值的功率，可取5
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10mw之间的值；
85.s26、点击数据处理，出现试验数据分析处理表项，将功率值p和两天线架设距离r添入数据表项中；
86.s27、将信号源工作方式置外调制，关闭功率计电源，卸下功率计探头；
87.s3、安装天线并测量场强：
88.s31、摆放待测天线手动转台，安装待测天线并点击确定；
89.s32、摆放标准天线架，根据待测天线中心频率，选择合适的标准天线并安装，其中八木型标准天线1适于小于1ghz的频率，喇叭型标准天线2适于2
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10ghz的频率；
90.s33、摆放场强仪，点击同轴线连接信号源与标准天线和连接场强仪与待测天线，将信号源工作方式置等幅；
91.s34、用场强仪测量场强：
92.s341、点击场强仪，出现放大的面板图片，电机on键开机后，首先按ent键，然后按mode键进入测量模式选择界面，通过上下箭头选择频谱分析，按ent键确定；
93.s342、点击中心频率，输入待测天线的中心频率值，测量带宽默认为100mhz即可；
94.s343、点击meas/disp测试/显示键，依次点击测量、场强、关、选择天线按键，通过上下箭头选择标准天线类型，按ent键确定；
95.s344、旋转天线转台，在一周内先找出极大值和极小值，并记录角度θ和场强e大小，然后根据主瓣张角，合理的选取测量的密度，在一周内测量30组数据，并记录角度和场强大小，填入表格中；
96.s4、数据处理及绘图：
97.s41、点击数据处理菜单进入数据处理截面，将所测得的数据填入表格；
98.s42、点击排序按钮，所测数据按θ从小到大排序，点击计算e(mv/m)和计算e e
max
按钮，自动计算出场强及归一化值；
99.s43、计算出主瓣张角2θ并填入表格，将e
max
值和计算出的增益值g填入表格；
100.s44、分别点击直角坐标系和极坐标系绘制方向性图按钮，将绘出图形写入报告中；
101.s45、点击评分菜单，查看实验成绩。
102.天线虚拟仿真实验平台的开发方法，包括以下步骤：
103.s1、仪器3d建模：
104.实验中所用到的天线模型、场强仪、功率计、信号源等仪器均是在cinema4d软件中构建的，对于仪器中需要触发交互操作的部分如开关、旋钮、按键、指示灯、指针等进行了单独的建模，并通过装配体组装到一起，通过uvedit工具展开模型的uv面，导出到photoshop中绘制三维模型的贴图，最终导入cinema4d中，利用cinema4d内置的材质编辑器制作模型的材质，对材质进行相关编辑，以达到相对真实的渲染效果，通过cinema4d软件对天线转台、喇叭天线、螺旋天线、八木天线进行三维模型的构建，在对喇叭天线进行建模时，主要使用cinema4d内置的放样生成器工具，使用钢笔工具绘制喇叭天线波导部分样条，将样条放置在放样生成器下，复制拖拽新的样条，调整新样条的大小、旋转等参数，即可生成从初始样条到复制新样条之间的3d模型部分，通过不断的放样操作和参数调整完成喇叭天线波导部分的建模，通过扫描生成器，绘制螺旋天线金属螺旋线形状的螺旋样条轮廓，随后绘制长度样条控制扫描生成的长度。将轮廓样条和长度样条并列放在扫描生成器下，调节扫描生成器的参数：生成进度、结尾收缩、结束旋转、终点缩放等，生成理想的金属螺旋线三维模型；
105.s2、基于ugui的用户交互界面的开发：
106.通过程序原型设计平台以及photoshop制作与实验场景主色调一致，整体风格简洁、统一的蓝色科技感主题，系统地设计了实验平台所需要的ui界面以及图形图标等元素，最终有序整理、导出，严格规范图片素材的命名，将ui图片资源导入到ugui中，在导入ui图片资源之后，将图片全部转化成sprite，并对其进行打包合成图集的操作；
107.s3、实验场景搭建与优化：
108.实验场景主要由两个相距一定距离的高楼构成，在以第三人称视角选择楼间距时，摄像机以正交方式远景拍摄两个楼的侧面画面，并将实时渲染在屏幕上，实验开展的主场景主要为两个天台场景，在场景搭建上，一方面通过布置不同楼顶物体以区分两个楼顶场景，另一方面提前布置仪器放置所需的桌面、天线架和天线转台，为避免在实验操作中错误操作导致用户跌落的情况发生，在场景设置时对用户可自由移动的范围进行了限制，在四周加设了boxcollider，使玩家无法进入其他无法交互的布景区域，在两边天线的居中边缘处，设置了一个斜坡，用户可以移动到斜坡上观察对面楼顶天台的情况，通过设置在斜坡上的碰撞触发器，触发出传送按钮，实现在两个天台场景间的跳转，在场景编辑窗口，在hierarchy层级管理器中创建多个空物体，并根据分组将空物体重命名，将对应的场景1仪器，场景2仪器、天线与天线转台、不同的ui界面、用户控制器、整体场景布景模型拖拽到对应的空物体下面，通过折叠对应的scenemodels使整个hierarchy层级看起来更加简洁，方便统一管理，在场景优化方面，单击场景物体模型，勾选inspector选项卡中的static静态按钮，并设置应用到所有该物体下的子物体中，方便统一对场景中的物体进行光照烘焙，点击window栏，打开lighting光照管理窗口，将其中的baked gi选项勾选，随后将gpu usage选项从默认值改为medium；s4、实验逻辑控制脚本的开发：
109.编写mgr.cs脚本，在脚本中定义了诸多可调用的public属性的方法，在ui管理方面，脚本中定义了一系列开关界面的方法，为了使部分界面的生成效果更加自然，在
openpanel与closepanel两个方法中调用了unity商城中开源的dotween动画插件，通过编写程序实现ui界面的动态开关动画，在场景跳转方面，mgr管理脚本借由unity projectsetting中对最终打包发布场景的统一编号，通过场景管理器scenemanager下的loadscene法传入对应的场景序号实现场景的跳转，在用户管理控制上，进入实验操作场景后，mgr管理脚本首先会获取分别位于两边楼顶天台场景上的第一人称角色控制器，以及用于拍摄显示两楼侧面间距画面的正交相机，场景开始加载，关闭两个角色控制器，打开正交相机，显示正交相机拍摄画面作为楼间距选择的背景画面，进入实验操作后，关闭正交相机，打开天台1的角色控制器，场景跳转至天台2后同理；
110.s5、物体交互脚本的开发：
111.在实验的需求设计中，用户需要对信号源、功率计、场强仪等仪器进行操作，实验操作中要完成的交互类型主要包括各仪器按钮的点击、仪器旋钮的旋转、通过鼠标点击触发事件函数等等，主要通过mouse interaction脚本实现，将mouseinteraction脚本挂载在需要实现交互的物体上，为了使物体实现交互功能，需要给物体添加碰撞器，以便实现交互触发，在脚本的第一部分，除了选择交互形式外，还可以通过参数的调节修改交互触发的距离、交互触发的响应速度以及设置是否为交互过程添加动画等，对于交互触发的物体，可以设置颜色变化和高亮显示，脚本的第二个功能部分需要勾选show tooltip选项以激活，主要功能是在交互的同时触发出提示面板，脚本的第三个功能部分是事件使用部分，勾选using event选项，可以为物体交互添加两类事件：event interaction enter、event interaction exit，其函数事件的调用与ugui中的button事件onclick方法触发机制基本一致，巧妙的利用这里的触发函数，针对不同的交互功能需求编写不同的触发函数，可以实现诸多的交互功能；
112.s6、第一人称用户视角的控制与切换：
113.在第一人称控制器的设计上，平台采取了游戏开发中常见的第一人称射击游戏的player玩家的设计方法。通过键盘上的wasd键来控制玩家的位置移动，通过鼠标来控制视角的旋转和朝向，在操作的过程中，用户可以随时按下空格键，当检测到空格键被按下，第一人称控制器的摄像机视角即被锁定，鼠标释放、显示，可以对面前的物体进行鼠标点击交互，在数据记录部分，每当用户点击数据记录面板时，除了打开数据记录面板外，还会同时触发openorclosefollowcamera方法，此方法触发后会获取当前用户所使用的第一人称控制器摄像机的位置和旋转值，并将transform数值赋给一个新的、固定视角的摄像机，保证视角在与数据记录面板打开前的视角保持同步，同时，关闭第一人称控制器，使得实验交互的重心从三维的虚拟场景中释放出来，进行ui界面进行一系列基于ugui的操作；
114.s7、实验仪器功能的开发：
115.场强仪、信号源、功率计是本实验中核心的三个实验仪器，每一个实验仪器都有着自己的功能和特性，对应到实验交互开发中，就是不同的交互开发要求，因此，对于每一个仪器，平台开发时都单独编写了脚本进行功能和交互的管理，场强仪、信号源、功率计对应的脚本分别是dbmetemgr.cs、signalsourcemgr.cs、powermetermgr.cs，通过在脚本上定义public属性的gameobject变量，在编辑器环境下，将脚本挂载在对应的仪器上，将仪器下面的子物体如旋钮、开关、指针等赋给对应的接口，在脚本中通过代码获取、控制，同时，定义public属性的文本变量，将仪器需要显示的数据在update函数中实时更新显示；
116.s8、数据的输入获取与全局保存：
117.平台定义了静态类staticdata用于保存各环节记录的数据，数据记录表格是很多inputfield组件的集合，为了合理便捷的管理众多的inputfield，按照组别有序的撰写读取、存储、更新同步的程序，在开发时定义了datagroup的类，在脚本内定义四个inputfield属性的变量，分别存储角度，不同单位下的两个场强值以及e/emax的值，将一组数据对应的四个inputfield组件放在同一个空物体下，重命名空物体为“数据组”，挂载datagroup脚本，将四个inputfield物体对应赋给脚本，保存物体，拖到项目工程中制作成prefabs预制体；
118.s9、数据处理与计算：
119.数据处理部分是整个实验平台的重要组成部分，天线方向图及增益的仿真测量实验的实验原理基于旋转天线法，通过测量待测天线在0
‑
360
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之间各个方向上接收到的场强数据，并以此绘制出天线的方向性图，进而对天线的增益参数进行计算，首先，在matlab中对于场强e的计算进行编程和仿真，随后通过c#编程将代码移植到unity中，编写了计算场强值的cale函数，输入变量为浮点值的角度值，返回值为计算的场强值，之后进行了数据测试，保证数据计算的正确性，在选择待测天线时，天线类型选择完毕后，会进入天线参数的选择界面，其中确定的已知参数包括：螺旋天线线圈数n、中心频率f、螺间距s、周长c、高度h，在选择完毕之后对应的参数数据即被保存下来，结合静态数据脚本中更新的楼间距r，输入功率p，在这些参数的基础上计算增益系数g，根据公式
①
：计算出辐射场强的最大值，进而计算天线在不同角度的辐射场强值，根据电场合格方向性函数关系，可得法向模螺旋天线的远场方向性，函数公式为公式
②
：其中，β0＝2π/λ0，β＝2π/λ
g
，s＝λ
g
/λ0，单圈螺旋天线方向性图近似为cosθ，利用单圈螺旋替代点源得到单绕轴向模螺旋天线天线归一化方向图为公式
③
：其中，除此之外，针对数据处理界面的排序功能，基于datagroup类的构建，对不同数据组的角度值进行冒泡法排序，在排序的过程中实时更新角度值对应的场强值，通过保存按钮实时将更新后的数据保存并显示到表格上，对于数据处理工具栏中的部分数据自动计算的按钮开发同理；
120.s10、绘图模块的开发：
121.实验平台在开发时选择了unity asset store中的chart and graph可视化图标绘制插件，并以此为基础上进行编程开发，并实现了在直角坐标系和极坐标系下分别绘制轴向螺旋天线和法向螺旋天线的天线方向性图；
122.s11、评分系统的开发：
123.评分系统主要分为两个部分，第一部分是过程分，即判断在用户实验操作的全过程中检测是否存在错误的操作和遗漏的操作步骤，第二部分是数据分，即判断关键参数的计算是否存在数据错误，针对这两大类错误分别开发了判错模块，对应去修改静态数据中的分数变量默认值为100，在实验的最后生成评分，显示在实验打分界面，对于实验操作部
分的判错，在交互开发中每一处重要步骤交互都有单独的触发函数，因此平台分别在触发函数内引入一个全局静态变量，记录该函数被调用的次数，最后根据调用次数判断该操作是否遗漏、重复，进而扣除相应的分数，对于数据计算的错误判定，只需在提交数据后将输入值与理论计算值对比，如果错误扣除相应的分数即可
124.(1)、数据错误的扣分点：
125.g计算错误；
126.主瓣张角错误；
127.(2)、实验操作的扣分点：
128.校准因子的调节错误/未调节；
129.功率计未调零；
130.信号源未连接就打开开关；
131.没有按下外调制。
132.s12、发布到webgl平台：
133.点击file
‑
build settings，然后在发布界面点击player settings,在弹出的数据设置面板构建选项，完成之后点击build就可以完成发布，倘若要实现网络连接共享还需要部署iis，通过visual studio将unity发布的webgl文件发布到iis即可。
134.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
135.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。