二三维一体化CAD系统中工程图纸自动生成技术的研究和实现

第一篇：二三维一体化CAD系统中工程图纸自动生成技术的研究和实现

二三维一体化CAD系统中工程图纸自动生成技术的研究和实现

摘要：本文结合具体实例对二三维一体化CAD系统中，工程图纸的自动生成技术进行了深入的探讨，给出了剖切视图和复杂视图的具体算法，并介绍了二、三维双向关联和互驱动的相关技术。

关键词： 二维 三维 一体化 CAD 工程图纸 自动生成引言

随着CAD基础理论和应用技术的不断发展，对CAD系统的功能要求也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助CAD系统来达到“甩图版”的目的。而是希望它能从本质上减轻大量简单烦琐的工作量，使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动中。由于三维CAD系统具有可视化好、形象直观、设计效率高、以及能为CIMS工程中各应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其取代传统的纯二维CAD系统已成为历史发展的必然。但是，由于经济实力、技术水平和习惯定势等的影响，二维图纸不仅不会在短期内全部消亡，反而还会作为工程语言的载体长期存在并不断发展。

据统计，从目前我国机械行业的CAD应用状态来看，基本呈现三角形结构。占据三角形底部的是已被广泛应用的基于PC平台的二维CAD系统，如：AutoDesk公司的AutoCAD系列，国内华正的CAXA电子图版、高华的GHCAD、凯思的PICAD等均拥有大量用户群。高居三角形顶端的是少量基于UNIX工作站的纯三维CAD系统，如：Euclid, Catia, Pro/E,SDRC/I-DEAS等高端产品。主要被一些大中型企业所采用，但因其价格、系统开放性、软件本地化特性和用户素质要求等众所周知的限制，多数企业并未使其发挥应有的作用。从企业应用的实际需

求和市场分析来看，今后CAD的用户类型分布将发展为：

◆从事纯二维绘图和设计的约占25%，以适应上下游厂商对二维图形数据的需要。

◆从事纯三维设计的将小于25%,集中用于大型装配设计和复杂工程分析。

◆既从事二维绘图又从事三维设计的将大于50%,广泛用于零部件及其一般装配设计和分析。

目前国内外各大CAD供应商也都看到了这一发展态势，相继推出PC平台的二、三维一体化系统解决方案。由此可见，研究基于PC平台的二、三维一体化CAD系统软件技术将具有广阔的市场前景和现实意义。而根据三维CAD的模型数据源自动产生二维图纸信息是其中一个重要研究方向。本文对基于三维CAD模型数据源自动生成二维图纸和二、三维相互关联

等相关技术进行了深入的探讨。并在国产二、三维一体化CAD系统“金银花2000”中予以实现。二三维一体化系统简介

当用户使用二、三维一体化CAD系统进行机械产品的设计时，首先在三维环境下开始设计工作，在“变量化的三维特征造型系统”的支持下，三维零件的设计变得即直观又快捷。伴随着零件的设计过程，三维统一模型数据源（在SDRC的I-DEAS系统中也称之为“主模型”）也就同时生成。利用这一数据源可进行装配件设计和许多后期试制工作，如进行干涉检查、物性计算、机构分析、运动学和动力学分析、真实感显示等等。当然，该数据源也是生成二维工程图纸的唯一数据来源。三维统一模型数据源不仅包括模型的几何和拓扑信息还包括特征、尺寸、公差、属性、关系等信息。因此在生成图纸时，不仅可以自动产生各种二维视图等几何数据，同时也可根据用户需求生成各种标注和属性数据。由于采用了统一模型数据源，为维护模型数据的一致性，三维模型的更改必须保证二维视图和标注的更新，反之，对二维投影几何和尺寸的改变也必须更新三维模型，即：实现二、三维联动，这也正是二、三维一体

化CAD系统的本质所在。二维图纸自动生成我们知道，一张传统的二维图纸上主要包括以下几类信息：

◆点、线、圆、样条曲线等各种几何元素

◆尺寸、公差、粗糙度、基准符号、焊接符号、零件标号和文本注解等标注信息

◆标题栏、明细表、参数表等表格数据

其实，二维图纸自动生成也主要集中在这几方面。其中几何元素是以视图方式进行创建和管理的。因此，以下主要研究视图、标注、属性三个方面的自动生成技术。

3.1 视图自动生成3.1.1 视图分类

当前国内外PC平台二、三维一体化CAD系统中一般将视图分为如下几类：基本视图、向视图、剖切视图、截断视图、局部放大视图等。

其中剖切视图又可分为阶梯剖、展开剖、旋转剖（展开剖的一种特例），结果可为剖面图和剖视图。这种分类方法概念清晰，实现自动生成较为简单，而且也能满足大多数用户的需要。但在实际工程表达中视图是很复杂的，以上分类和生成方法并不能完全满足用户的需要。（如图5中这些视图我们在图纸中经常可以遇到，但目前市面上的该类CAD系统对自动生成它们大都无能为力，对这类视图用户往往不得不采用以前纯二维系统的老方法--徒手绘制。本文提出“分割视图”的概念并将视图按图1所示分类，通过分割视图，用户可以随心所欲的创作出理想的视图表达方式,包括由以上各种视图组合而形成的组合剖切视图和局部剖切视图，半剖视图等等复杂形式（详细说明见后），从而彻底解决了二维视图的自动生成问题。

3.1.2 视图生成算法

二维视图自动生成的基本原理是：三维实体在某一个观察方向上经过消阴计算和投影变换后，转换到二维视图坐标中。观察方向和视平面参数是由所要生成的目标视图确定的。由于视图种类繁多，因此自动生成算法也不尽相同，但基本流程是一样的。如图2所示：图中矩形虚线框内为生成基本视图和向视图的原理图也是其它各种视图生成时必经的过程，右边是产

生剖切视图的原理图。以下分别进行说明：

(1)基本视图：是指那些不需要依赖于任何父视图直接将三维实体在某一观察方向上消阴并投影变换而成的视图。例如：常见的主视图、俯视图、左视图、右视图、上视图、下视图以及轴测图等。这些视图均含有明确的投影方向信息。假设世界坐标系(OXYZ)如右图3所示：如果用户希望沿X轴负向看去得到图中长方体的主视图，只要将矢量Vec1（-1，0，0）作

为主视图的投影方向，YOZ平面作为视平面，Z轴作为向上Up矢量就可得到理想的结果。(其中xoy为二维视图坐标系)

当然，实际算法要复杂一些，因为三维消阴后，产生的是离散线段，必须先经过拟合处理（具体方法可参阅参考文献[2]）才能投影；在投影构造视图中的几何元素时，必须同时考虑原三维对应几何点、边、面的属性问题。比如：在二维线段中记录对应三维边、面的ID号以便修改模型重建视图几何时能匹配相关的标注信息；记录对应三维边、面的可见属性以确定

是否用虚线表示物体的内部结构等。

(2)剖切视图：是指用一个或几个相交平面（特殊情况下也可能是曲面）切开三维实体，然后在指定方向上投影并进行剖面填充所生成的视图。这些相交平面（又称剖切平面）可以由用户在三维设计环境中创建，然后用来切分三维实体，这样比较直观。但在实际应用中，这种做法对用户反而不太方便，因为用户在进行二维设计时，更希望直接在图纸上描述出剖切方式，由系统自动产生所要的剖切视图。鉴于此，我们为用户提供了直接在二维视图内创建剖切线生成剖视图的方法。剖切视图创建流程见图2。下面通过一个实例（见图4）介绍剖切视图生成的具体算法。假定用户已用前述基本视图创建方法在图纸中生成了视图view1,然后在view1中画一条直线line1（也可以是多段直线和曲线的组合等）,欲用line1自动切开

实体产生剖切视图A-A，具体算法如下：

1）得到view1的（视点eye,目标点target,up矢量）等投影参数；

2）计算实体从三维视平面投影变换到二维视图view1所进行的投影变换（cTrans1）和视窗变换(CTrans2)，则三维到二维的总变换：

cModelToViewTrans = cTransf1 * cTransf2；

3）由于二维视图view1中剖切线A-A是由直线段line1构成，只要将line1从view1中变换到三维视平面即可。假设该变换为cViewToModelTrans,显然cViewToModelTrans就是

cModelToViewTrans 的逆变换，即有：

cViewToModelTrans = cModelToViewTrans.Inverse();

4）设line1变换到三维视平面后如图示为LINE1，则有：

LINE1 = line1 * cViewToModelTrans;

5）同时将剖切线A-A的方向矢量vec1也变换到三维视平面即投影方向VEC1；

6)将直线边LINE1沿图中扫描方向VEC2扫描形成一平面FACE1;

7)用FACE1与原三维实体BODY1进行布尔运算，即用FACE1将BODY1剖切成上下两部分;

8）根据VEC1的方向决定保留下半部分实体BODY2，删除另一部分;

9)在剖切面（即图中BODY2的上表面）内搜索出边环并记录；

10）根据用户指定的视图定位点和投影方向VEC1等信息，创建新的剖切视图view2;

11)对BODY2在视线方向上消阴、拟合并投影到BODY2到视图view2中，产生所有投影几何，并根据三维边属性对投影几何赋属性值；

12）将剖面线边环同时投影到视图view2中并填充剖面线。

以上是产生普通剖切视图的算法，对于复杂视图还需要对算法做局部修改。对于装配件在填充剖面线时还必须区分不同零件分别填充。

(3)分割视图：是指在基本视图或剖切视图的基础上继续剖分或切割而产生的视图。由于所选父视图的种类各异、分割线的构成和方向不同、以及生成过程中的不同选项的组合可产生

各种复杂视图，如：半剖视图，局部剖切视图，局部视图等。

分割视图的生成方法与剖切视图基本一致，但是在上述算法的步骤7）处布尔运算得到的两部分实体并不是简单的按照8）的方式保留一部分删除另一部分。根据选项对两部分进行不

同的处理（如：一部分直接投影，另一部分进行剖面填充）即可生成不同视图种类，图5是用此方法自动生成的几种分割视图的例子。

(4)其它视图：主要包括局部放大图、截断视图等，这些视图的生成方法与剖切视图也很相似，差别也主要集中在剖切后对实体的处理方式不一样，此不再赘述。

3.2 标注自动生成用户在设计三维零部件的同时一般也会添加尺寸、标注公差、粗糙度等，这些几何参数和加工要求信息与几何、拓扑信息同等重要。图纸设计时用户当然不愿意再去重复这些枯燥的操

作，因此一个好的系统也应该提供自动生成标注的能力。

生成标注的基本思路可概括为：一一对应、投影赋值、符合国标。一一对应是指二维标注与三维标注应该是对应的；投影主要是指标注符号的几何表示应该从三维中投影到二维视图；赋值即将尺寸的数值，公差、粗糙度的大小、类型等不变数值直接传给对应的二维标注。由于图纸中的各种标注必须符合国标，因此投影赋值后系统还必须进行一些标准化处理和调整

才能生成既与三维标注对应又符合国标的二维标注。

由于尺寸的数量一般相对较多，在投影和标准化处理后还要考虑综合布局的问题，使得尺寸间尽量无重叠、无干涉、分布清晰合理。

3.3 属性值的生成属性值主要指边、面的唯一索引ID号、边是否为相切边或阴影边、特征是否已隐藏、装配件中相同零件或标准件的个数、零件的材料加工要求等等参数。这些参数在投影生成视图几何的过程中赋值（在上面基本视图部分已经提到）。虽然属性值的生成方法比较简单，而且对用户来说一般也是透明的，但作为系统设计和开发人员如果能充分利用它们，就可大大提高图纸生成和重建的准确率。有些数据对于自动填充明细表、生成BOM报表以及标注零件标号也是非常重要的。

二、三维双向关联

由于二三维一体化CAD系统采用了统一模型数据源，图纸中的绝大多数信息都是根据三维模型自动生成的。因此二三维之间是一致的、相互关联的。当任何一方模型改变时，系统将向另一方发送更新消息，然后自动同步更新（当然，用户也可根据需要选择放弃更新的操作）。对于设计人员来说，为了在设计后期细化、更正自己的设计意图，或进行变异设计等，一般只需要在二维或三维环境下简单的修改某些尺寸参数，系统就可以自动更新所有相关零部件或图纸。尽管操作很简单，但重新生成的算法实现是很复杂的。我们在系统中采用唯

ID号的方式在重建过程中对几何和标注等信息进行逐一匹配，实践证明，效果相当理想。限于篇幅，其具体算法另文阐述。结论

随着PC机图形图象显示和处理能力的增强以及CAD软件基础技术的发展，基于PC平台的二、三维一体化CAD系统因其采用统一的数据模型、二、三维的相关联动、友好的用户界面和低廉的成本赢得了设计人员的普遍欢迎。工程图纸的自动生成与传统的二维绘图系统相比可极大的减轻设计人员的负担和提高产品的设计效率。本文对工程图纸的自动生成这一技术进行了深入的探讨，给出了一些具体算法，并在商品化CAD系统中全部予以验证和实现，对于开发此类CAD系统有很好的指导意义。

参考文献范玉青、冯秀娟、周建华。CAD软件设计。北京航空航天大学出版社 1996.9评测专家组。三维CAD/CAM软件评测总结。计算机辅助设计与制造。1999(5)袁波、周昀、胡事民、孙家广。基于三维模型的二三维一体化设计。计算机辅助设计与制造。1998(6)邵东。迎接MDA规模应用的时代。SDRC中国通讯

第二篇：浅谈三维CAD技术在教学和设计中的应用

浅谈三维CAD技术在教学和设计中的应用

湖南省劳动人事学校张志明

摘要：CAD技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，已经产生、必然继续产生巨大的社会经济效益。

关键词：三维CAD技术；设计和生产的一体化；教学与设计

现代化教学和技术创新是21世纪职业学校和企业竞争的焦点之所在，而产品创新既是技术创新的主要组成部分，也是技术创新的物化成果和集中体现，同时现代设计技术是实现产品创新的关键。

一、CAD技术的发展趋势

了解CAD技术的发展趋势对推广应用技术是十分重要的，有利于CAD方案设计、选型适应技术发展的需要。总的来说，CAD技术的发展趋势有以下几方面：

(1)基于32/64位微机的Windows操作系统平台的CAD系统倍受欢迎，象Pro/E、I-DEAS等运行于工作站的软件也纷纷推出微机版。

(2)二维绘图与三维实体建模一体化，基于特征的参数化设计软件应当是CAD系统的主要功能要求。同时要求CAD与CAPP、CAM、CAE信息集成，提供符合IGES、STEP标准的产品信息模型。

(3)基于Windows/Objects/Wcb的技术解决方案是当前CAD软件的一个重要特点，也就是要求CAD软件能在网络环境下支持协同设计、异地设计和信息共享。

(4)支持并行设计的产品数字管理(PDM)一体化集成。

(5)CAD系统的智能化、可视化和标准化。

二、现代化教学已充分认识到多媒体教学的优势，并使之广泛应用，而三维CAD技术对教学也有很大的帮助

1、在教学很多课程需要实物模型帮助学生理解教学内容，而传统的教学方式是利用实物或者教师自制简单模型。存在的问题是实物携带困难，根据教学需要更改模型的可操作性也不大，自制模型简单，缺少变化，并且要花费教师的很多时间，没有经验的年轻教师完成这项工作也有困难。如果没有模型，仅仅依靠讲解，这样要想把一个立体结构讲清楚又是很困难的事情，对于缺少对实物感官认识的学生理解没有模型的讲解不是一个简单的事情，这个过程很容易出现偏差。

2、教学中存在的另一个问题是传统的教学模型更新换代的速度慢，而几十年不变的教学模型已不能满足教学和科技时代不断进步的需要，传统教学模型基本上不能够修改，更换时的问题是新模型或实物成本高，旧模型基本没有再利用的价值。

3、三维CAD技术在教学中的应用完全可以避免传统教具的缺点，它在具有实物教具直观，容易理解的优点的同时，克服了传统教具的不足，避免了携带困难，模型修改方便，添加新模型的成本低（计算机建模），学生根据自己的理解也可自己和建立新模型，达到降低教学成本，提高教学质量的目的。另一方面，使学生在学习阶段就能不断了解新技术，也为之将来走向社会打下良好的基础。

三、三维CAD设计的技术基础

1、设计手段的计算机化。现代设计技术已离不开计算机的参与和支持，计算机已成为现代设计技术的必备工具，这一点已经被现代企业、学校在计算机应用的实际情况所证实。三维CAD技术正是充分发挥计算机优势的有力工具。

2、设计范畴的扩大化。现代产品设计概念已不仅是产品本身结构、性能、工艺等的设计，还应包括与之相关的一切过程。而三维CAD技术是现代设计的基础，能够为后续的CAE（计算机辅助分析系统）；CAM（计算机辅助制造系统）；NCP（数控编程系统）；PDM（产品数据管理系统）等提供完整统一的产品数据信息，大大地简化后续工作，优化整个设计过程。

3、设计过程的并行化和智能化。局域网和INTERNET的普及，已使绝大多数人认识到，网络将是二十一世纪发展的首选工具。一个大中

型产品的设计不是一个人或少数几个人就能够完成的，而网络将这种设计任务的并行性的可能性大大提高。三维CAD技术使得设计人员之间的交流更容易，减少了交流过程中的不必要错误，网络交流更直观。

（1）设计和生产的一体化。计算机技术在设计中的应用已从以往的计算、绘图和制造发展到当今的三维建模、虚拟制造、智能设计及CAD／CAE／CAM集成阶段。三维参数化设计软件作为当今最先进的CAD软件，在发达国家与工程设计有关的各个领域中得到广泛应用。比如：美国福特公司为迎接21世纪而制定的革命性的技术发展计划《FORD2000》，应用三维CAD技术后将新型汽车开发周期从18个月压缩到12个月，减少了90％的实物模型，减少新产品的设计更改50％以上，减少新汽车试制成本50％，提高投资收益30％。波音公司新一代777客机生产中实现了“无图纸设计”，其先进的CAD／CAM技术，走在了全世界的前面。

（2）强调顾客参与化。新世纪需求的产品内涵是一组能满足消费需求的理解，需求是产品存在和发展的先决条件。那么一个优秀的产品设计应充分考虑消费者的意见，应尽力让消费者参与到设计中来，这样就必须让消费者充分理解设计者的设计意图，而一个消费者大多数不具备理解产品图纸的专业知识，这时设计的直观性就显得非常重要。

（3）追求产品的精神功能和环保性。这一点是在设计者思想重视的同时，依靠设计能力的和设计质量的提高来保证的。

（4）分行业进行基础件、标准通用件的二维和三维建库工作。目前，二维建库的工作已较成熟，三维实体设计是发展方向，二维与三维相互结合应是国内企业应用CAD的一种模式。

四、对CAD应用人才的培养

CAD技术成功应用的关键在于人才。企业应首先注意加强CAD技术应用人才的培养。企业人才培养的重点是应用好软件，解决实际问题。高等院校和科研单位的人才重点是开发。一般来说，中小型企业自己培养CAD技术的开发人才是不适宜的。应走合作开发应用的道路。

现代三维CAD技术正逐步走向成熟，微机平台技术也已开始在实践中发挥作用，并且以其对硬件要求不高，操作简便，容易上手，价格较

低（国产“金银花“MDA系统价格已低于¥5000）等优点，已被学校和中小型企业接受，希望这种技术能够为学校和企业带来效益，提高学校和企业的整体设计能力，在二十一世纪的技术创新中发挥作用。

[参考文献]

[1] 路清献AUTOCAD2004教程电子工业出版社，2006.[2] 张小宁深化推广应用CAD技术存在的问题邮电出版社，2003.作者简介：张志明、执教于湖南省劳动人事学校（湖南技师学院），中专高讲、省级专业带头人、国家级骨干教师、赴德进修教师。研究方向：机械制造、设计、模具及数控。

第三篇：在Excel中根据身份证号码自动生成出生生日期和性别

在Excel中根据身份证号码自动生成出生生日期和性别

【身份证号判断性别的方法】 18位的看倒数第二位，奇男偶女； 15位的看倒数第一位，奇男偶女。假如：身份证所在的列为C2

首先要判断该身份证的长度，在excel中使用len函数来获取len(C2)

如果是18位的就取第17位，即倒数第二位，Excel中使用mid函数还获取指定位置开始，指定长度的字符串，如果是15位的就去最后一位也就是第15位 =If(len(C2)=15,mid(C2,15,1),mid(C2,17,1))

获取到这个数后，再判断该数是奇数还是偶数就可以得出性别了，excel中使用mod函数实现 =IF(MOD(IF(LEN(C2)=15,MID(C2,15,1),MID(C2,17,1)),2)=1,“男”,“女”)获取年龄的函数如下：

=DATEDIF(TEXT((LEN(C2)=15)*19&MID(C2,7,6+(LEN(C2)=18)*2),“00-00-00”),TODAY(),“y”)

在Excel中根据身份证号码自动生成出生生日期和性别 根据身份证号码自动生成出生生日期 方法一：

15位身份证号：*** 输出出生日期1979/06/05 =CONCATENATE(“19”,MID(E2,7,2),“/”,MID(E2,9,2),“/”,MID(E2,11,2))公式解释： a.MID(E2,7,2)为在身份证号码中获取表示年份的数字的字符串

b.MID(E2,9,2)为在身份证号码中获取表示月份的数字的字符串 c.MID(E2,11,2)为在身份证号码中获取表示日期的数字的字符串

d.CONCATENATE(“19”,MID(E2,7,2),“/”,MID(E2,9,2),“/”,MID(E2,11,2))目的就是将多个字符串合并在一起显示。

18位身份证号：***521 输出出生日期1979/06/05 =CONCATENATE(MID(E2,7,4),“/”,MID(E2,11,2),“/”,MID(E2,13,2))方法二：

15位身份证号：*** 出生日期790605 =IF(LEN(E3)=15,MID(E3,7,6),MID(E3,9,6))18位身份证号：***521 出生日期790605 =IF(LEN(E3)=15,MID(E3,7,6),MID(E3,9,6))公式解释：

LEN(E2)=15：检查E2单元格中字符串的字符数目，本例的含义是检查身份证号码的长度是否是15位。

MID(E2,7,6)：从E2单元格中字符串的第7位开始提取6位数字，本例中表示提取15位身份证号码的第7、8、9、10、11、12位数字。

MID(E2,9,6)：从C2单元格中字符串的第9位开始提取6位数字，本例中表示提取18位身份证号码的第9、10、11、12、13、14位数字。

=IF(LEN(E2)=15,MID(E2,7,6),MID(E2,9,6))：IF是一个逻辑判断函数，表示如果额E2单元格是15位，则提取第7位开始的6位数字，如果不是15位则提取自第9位开始的6位数字。根据身份证号码自动生成性别： 方法一：

在C列输入身份证号，在B列填写性别，可以在B2单元格中输入公式“=IF(MOD(IF(LEN(C2)=15,MID(C2,15,1),MID(C2,17,1)),2)=1,“男”,“女”)”，其中： LEN(C2)=15：检查身份证号码的长度是否是15位。MID(C2,15,1)：如果身份证号码的长度是15位，那么提取第15位的数字。

MID(C2,17,1)：如果身份证号码的长度不是15位，即18位身份证号码，那么应该提取第17位的数字。

MOD(IF(LEN(C2)=15,MID(C2,15,1),MID(C2,17,1)),2)：用于得到给出数字除以指定数字后的余数，本例表示对提出来的数值除以2以后所得到的余数。

IF(MOD(IF(LEN(C2)=15,MID(C2,15,1),MID(C2,17,1)),2)=1,“男”,“女”)：如果除以2以后的余数是1，那么B2单元格显示为“男”，否则显示为“女”。

15位身份证，看最后一位，奇男偶女；18位的，看第17位数，也是奇男偶女。方法二：

如果你是想在Excel表格中，从输入的身份证号码内让系统自动提取性别，可以输入以下公式： =IF(LEN(C2)=15,IF(MOD(MID(C2,15,1),2)=1,“男”,“女”),IF(MOD(MID(C2,17,1),2)=1,“男”,“女”))公式内的“C2”代表的是输入身份证号码的单元格。

第四篇：阅读教学中的三维目标及其实现的方法和策略

小学英语阅读教学中的三维目标及其实现的方法和策略

一、小学英语阅读教学中的三维目标

（一）知识与技能目标

1． 能区分英语简单句的基本形式和表意功能。

能够正确认读英语简单句，理解其含义，初步对句型结构有所感知，如：there be 句型、be going to …, be interested in …, would like …祈使句等句型等

2． 能借助图片读懂简单的句型、对话、故事、短文、篇章等。

能充分利用阅读材料中的插图更准确地理解句型、对话、故事、短文、篇章等。

3.能正确朗读所学句型、对话、故事、短文、篇章等。

能用正确的语音、语调及按照意群断句来朗读学过的句型、对话、故事、短文、篇章等。

4.能按照意群阅读文章，并理清文章层次关系。

意群，即一个句子可根据意思和语法结构分成若干小段，每一小段称之为一个意群。意群可以是一个词、一个词组或短语，也可以是并列句的一个分句或复合句的一个主句等。能够借助按照意群阅读文章来理清文章的层次关系并提高阅读速度。

5． 能采用跳读、找读等阅读方法提高阅读速度

能采用略读的方法快速阅读，找出最重要的信息，理解文章大意。

6． 能采用跳读、找读、猜词意等阅读方法进行阅读理解。

能采用精读的方式进行阅读理解；能够根据情境、上下文、推测故事或段落等情节；能够根据上下文、构词法、句法功能等猜词意进行阅读理解。

（二）过程与方法目标

1． 能与他人合作，共同完成阅读任务

在阅读中，能够积极从参与阅读活动，与他人或小组合作，共同完成为阅读材料取名字，或者概括文章大意等任务。

2． 能主动向老师或同学请教

在阅读中遇到发音不准、生词、句子意思不明、阅读材料背景不详等困难时，能够积极主动向老师和同学请教。

3． 能够集中注意力，认真思考阅读材料的内容

能够集中精神专心阅读，不受干扰，认真思考。

4． 在阅读教学中吗，能利用简单的学生英汉词典等工具书查找不认识的单词。

在阅读过程中遇到生词时，懂得必要时尝试利用词典或电脑查询有关词汇或语句的准确含义，进而准确理解阅读材料。

（三）情感态度价值观目标

1． 能体会阅读的乐趣，乐于接受英语读物。

能够认识到阅读日常生活紧密联系，通过阅读可以增长知识、开拓视野、陶冶情操；能够体会到阅读的乐趣，乐于接触英语读物。2． 通过阅读书信、电子邮件日记等，体会到英语在生活中的作用。

能够通过阅读书信、电子邮件、日记等，感受到英语在生活中的用处，并乐于接触日常生活中的其他英语，如高速路标识、广告、说明等。

3． 通过阅读懂得各种道理，如环境、爱护动物、珍惜时间等。

能够通过阅读体会到问斩的深层含义，懂得各种道理，如保护环境、爱护动物、珍惜时间、热爱劳动、遵守公德等。

5． 乐于接触并了解异国文化

认识到学习语言的目的是为了沟通，只有了解所学语言国家的文化，才能够使沟通更便利，以避免不必要的障碍。

二、在阅读教学中实现三维目标整合的方法和策略

小学阶段英语阅读教学策略采用以下教学方法：（1）速记教学法；（2）整体教学法；（3）背景知识介绍法；（4）对比阅读法；（5）语义构图法即联想法；（6）讨论教学法；（7）线索教学法；（8）结构分析法等。

1． 速记教学法

速记教学法即快速浏览阅读材料，采用略读、跳读、找读等阅读方法提取关键信息。此方法适用范围较广泛，各个年段及不同问题的阅读教学均可采用速记教学法。如阅读Marie Curie 的一段文字： This is Marie Curie.She has short wavy hair and big bright eyes.She is pretty.Marie is a famous scientist from Poland.She is very good at maths and science.Marie’s father is her teacher.教师可以要求学生快速浏览本段文字，找出描写Marie Curie 的外貌、职业、国籍、特长等关键信息，然后两人或小组为单位进行交流、讨论。2． 整体教学法

小学高年级段开始出现说明文类的阅读材料，对此类文章，教师可以抓住main idea, 分析topic sentence 等进行阅读教学，让学生从整体上纵观全文结构和内容。

如学习There is a park near mu home.这样一个单元是，教师向让学生观看课件显示的一些社区公共设施的图片，如“cake shop, hairdresser…”等。呈现“This is my neighbourhood.” 然后请学生阅读文章，快速找出文章讲的主要是什么，是谁的社区。使学生先对要阅读的内容有初步的整体感知，再请学生精读文章完成课件中呈现的 True or false 练习。最后请学生画画自己的社区，并在小组内互相介绍。

3． 背景知识介绍法

背景知识是英语文化的一部分。挖掘英语文化，并将这种文化融入到外语教学中，是将英语作为一门活脱脱的语言进行教学体现。英语阅读理解是背景知识与语篇信息相互作用的结果，背景知识与语篇知识越吻合，理解率就越高。在阅读教学中，教师要注意调动学生已有的背景知识，同时又要帮助学生增加背景知识的积累。

背景知识的范围广泛，小学阶段涉及以下几种：（1）中西餐文化知识；（2）地名、节日知识；（3）科普知识；（4）地理、人文知识；（5）电子邮件、邀请卡知识等。

在介绍具体事物、风土人情和科学知识的说明文中，背景知识介绍法应用的较为普遍。

如学习A western meal and a Chinese meal 这样的课文时，教师先询问学生有关食物名称的词汇，然后引导学生将他们说出的词汇进行分类并以板书的形式呈现；然后，教师介绍中西餐具和食物种类是有差别的。通过背景知识的介绍，调动学生阅读的兴趣及欲望，然后再安排学生阅读文章，理解文章含义；最后，给学生适当补充西餐餐具摆放及西餐用餐的相关知识，从而进一步扩充了学生知识积累。4.对比阅读法

小学阶段的阅读材料比较简单，篇幅较短，但在高年级阶段偶尔会出现相对较长的文章。

在记叙家人、朋友与周围人的日常活动、兴趣爱好、节假日活动和说明季节点、世界及环境保护等话题中，对比阅读教学较为适合。

如学习Save our planet 这样的课文时，教师可以引导学生观察图片，先说一说图片中的内容，然后给出“plant more trees, cut down too many trees” 等词组和短语，请学生阅读词组和短语，并将其和图片一一对应。最后进行对比，总结出什么是应该做的，什么是不应该做的。

五、语义构图法（联想法）

语义构图法又称联想法。阅读前，教师把文章的主题说明，然后引导学生围绕主题展开联想，使其头脑中的相应图式知识处于激活状态，为进一步加工储存信息准备条件，并使学生产生适当的预期。当预期与材料内容相吻合时，学生便会快速有效地理解材料。

如学生“How do you learn?” 这个内容时，教师板书“How do you learn?” , 然后举例说明 “I learned a lot from the Internet.How do you learn?” 引导学生调动以往的知识经验，说出“ I learned a lot from TV programme/ newspaper…” 等句型，初步学习并运用新句型。在对所要阅读的材料进行先期感知后，再组织学生进行全文的阅读理解，理清每个段落的主要意思，最后得出本课要阐明的主题。

六、讨论教学法

运用讨论教学法的关键在于设疑并正确引导，将学生分成组，各组站在不同的立场，把握观点。这样有利于培养学生的辩证观及自由、大胆运用英语表达自己的看法。同时，又把教学放在英语语言环境中，创设交际表达的情景，从而充分调动了学生的参与性、主动性、创造性。例如“We are going to visit the Great Wall” 讲述的是小动物们正在讨论要去哪里及怎样去那里旅游的有趣故事。教学时，教师先指导学生采用略读或找读的方法提取关键信息，将动物们要去的目的地及所选择的交通工具一一理清。故事结尾提出小猫和小猴将要骑自行车去游览加拿大多伦多的国家电视塔，针对这一设想是否可行，由学生两人一组或小组内进行讨论，各自发表自己的观点。

七、线索教学法

小学阶段的线索教学法通常被用在记述文体中。记述文包括以记人为主的记述文和以写事为主的记述文。主要涉及个人情况、兴趣爱好、日常活动、节假日活动、旅游和交通等。阅读教学时应指导学生抓住几个要素：5W(who, when , where, why, when)，How 以及时间顺序展开的阅读。

八、结构分析法

结构分析法即通过阅读材料分成合理的层次，然后再逐层或者逐段进行深入理解。

第五篇：振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用..

西安电子科技大学《雷达原理》论文

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

专业：

信息对抗技术

学生姓名：石星宇 02123010

柯炜鑫 02123049 张宇新 02123060 指导教师：

魏

青

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

目录

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用...............................................1

一、自动测角系统简介.............................................................................1 1.1圆锥扫描雷达简介..........................................................................1 1.2单脉冲雷达简介..............................................................................1

二、振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的优势...............................2 2.1角度跟踪精度..................................................................................2 2.2天线增益和作用距离......................................................................2 2.3角度信息的数据率..........................................................................3 2.4抗干扰能力......................................................................................3 2.5复杂程度..........................................................................................3

三、振幅和差单脉冲雷达自动测角原理.................................................3 3.1角误差信号......................................................................................3 3.2角误差信号的产生..........................................................................5 3.3角误差信号的转换..........................................................................6 3.4自动增益控制..................................................................................6 3.5整体结构..........................................................................................7

四、振幅和差单脉冲雷达自动测角仿真...................................................7

五、振幅和差单脉冲雷达的应用...............................................................9 附录.............................................................................................................10

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振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

一、自动测角系统简介

在火控系统中使用的雷达，必须快速连续地提供单个目标(飞机、导弹等)坐标的精确数值，此外在靶场测量、卫星跟踪、宇宙航行等方面应用时，雷达也是观测一个目标，而且必须精确地提供目标坐标的测量数据。

为了快速地提供目标的精确坐标值，要采用自动测角的方法。自动测角时，天线能自动跟踪目标，同时将目标的坐标数据经数据传递系统送到计算机数据处理系统。

和自动测距需要有一个时间鉴别器一样，自动测角也必须要有一个角误差鉴别器。当目标方向偏离天线轴线(即出现了误差角)时，就能产生一误差电压。误差电压的大小正比于误差角，其极性随偏离方向不同而改变。此误差电压经跟踪系统变换、放大、处理后，控制天线向减小误差角的方向运动，使天线轴线对准目标。

用等信号法测角时，在一个角平面内需要两个波束。这两个波束可以交替出现(顺序波瓣法)，也可以同时存在(同时波瓣法)。前一种方式以圆锥扫描雷达为典型，后一种是单脉冲雷达。

1.1圆锥扫描雷达简介

圆锥雷达的针状波束的最大辐射方向偏离天线旋转轴一个角度，当波束以一定的角速度绕天线轴旋转时，波束最大辐射方向就在空间画出一个圆锥，故称圆锥扫描。

波束在作圆锥扫描的过程中，绕着天线旋转轴旋转，因天线旋转轴方向是等信号轴方向，故扫描过程中这个方向天线的增益始终不变。当天线对准目标时，接收机输出的回波信号为一串等幅脉冲；如果目标偏离等信号轴方向，则在扫描过程中波束最大值旋转在不同位置时，目标有时靠近有时远离天线最大辐射方向，这使得接收的回波信号幅度也产生相应的强弱变化。

由此实现对目标的探测，从而完成在角度上对目标的自动跟踪。1.2单脉冲雷达简介

单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，第 1 页

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。

二、振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的优势

由第一小节我们知道，自动测角系统中常见的雷达体制有圆锥扫描式雷达、单脉冲雷达等，但相比之下，振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中有较大的优势。

2.1角度跟踪精度

与圆锥扫描雷达相比，单脉冲雷达的角度跟踪精度要高得多。主要有以下两点原因：

第一，圆锥扫描雷达至少要经过一个圆锥扫描周期后才能获得角误差信息，在此期间，目标振幅起伏噪声也叠加在锥扫调制信号(角误差信号)上形成干扰，而自动增益控制电路的带宽又不能太宽，以免将频率为锥扫频率的角误差信号也平滑掉，因而不能消除目标振幅起伏噪声的影响，在锥扫频率附近一定带宽内的振幅起伏噪声可以进入角跟踪系统，引起测角误差。而单脉冲雷达是在同一个脉冲内获得角误差信息，且自动增益控制电路的带宽可以较宽，故目标振幅起伏噪声的影响可以基本消除。

第二，圆锥扫描雷达的角误差信号以调制包络的形式出现，它的能量存在于上、下边频的两个频带内，而单脉冲雷达的角误差信息只存在于一个频带内。故圆锥扫描雷达接收机热噪声的影响比单脉冲雷达大1倍。单脉冲雷达的角跟踪精度比圆锥扫描雷达的要高一个量级，约为0.1~0.2密位。

2.2天线增益和作用距离

单脉冲雷达在增益利用方面比圆锥扫描雷达好。单脉冲用和波束测距，差波束测角，合理设计馈源可使和波束的增益与差波束的增益同时最大，因而使测距测角性能最佳。在相同天线增益、发射功率、接收机噪声系数情况下，单脉冲雷达比圆锥扫描雷达作用距离远，测距精度高。并且，圆锥扫描雷达的角跟踪灵敏度和作用距离不能同时最大，兼顾两者性能，权衡选择波束参数，只能做到角跟踪灵敏度和作用距离约为最大值的88%。

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振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

2.3角度信息的数据率

单脉冲雷达比圆锥扫描雷达高。单脉冲雷达理论上只要一个脉冲就可获得一次角信息，数据率为fr(脉冲重复频率)。而圆锥扫描雷达必须经过一个圆锥扫描周期才能获取一次角信息。圆锥扫描一周内至少需4个脉冲，因而理论数据率是fr/4，考虑到调制包络信号不失真，通常需要10个脉冲以上，所以实际数据率小于fr/10。

2.4抗干扰能力

圆锥扫描雷达易受敌方的回答式干扰。因为敌方接收到的圆锥扫描雷达发射信号也是正弦调制信号，只需要取出调制包络，进行倒相放大，然后去调制高频信号再发射回来，圆锥扫描雷达接收此信号后，天线轴线就跟踪到错误方向上。而单脉冲雷达没有回答式干扰的影响。

2.5复杂程度

单脉冲雷达在结构上和技术上复杂，需要多个性能完善的宽频带馈源和高频和差比较器，多路接收机要求性能一致，如果各路相位和振幅不平衡，会使测角灵敏度降低并加大测角误差，因而单脉冲雷达技术复杂，加工工艺要求高。

由此可见，要求精密跟踪尤其是远程精密跟踪雷达，常用单脉冲体制。下面主要介绍振幅和差单脉冲雷达自动测角的原理。

三、振幅和差单脉冲雷达自动测角原理

对于振幅和差单脉冲雷达的自动测角原理，我们可以用下示框图用来理解：

3.1角误差信号

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雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束，如图一（a）所示，振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号的基本方法是将这两个波束同时收到的信号进行和、差处理，分别得到和信号与差信号。与和、差信号相应的和、差波束如图一(b)、(c)所示。其中差信号即为该角平面内的角误差信号。由图一(a)可以看出；若目标处在天线轴线方向(等信号轴)，误差角ε=0，则两波束收到的回波信号振幅相同，差信号等于零。目标偏离等信号轴而有一误差角ε时，差信号输出振幅与ε成正比而其符号(相位)则由偏离的方向决定。和信号除用作目标检测和距离跟踪外，还用作角误差信号的相位基准。

角误差信号多是利用和差比较器产生。和差比较器(和差网路)是单脉冲雷达的重要部件，由它完成和、差处理，形成和差波束。用得较多的是双T接头，如图二所示，它有四个端口；Σ(和)端、Δ(差)端和1、2端。假定四个端都是匹配的，则从Σ端输入信号时，1、2端便输出等幅同相信号，Δ端无输出；若从1、2端输入同相信号，则Δ端输出两者的差信号，Σ端输出和信号。

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3.2角误差信号的产生

发射时，从发射机来的信号加到和差比较器的Σ端，故1、2端输出等幅同相信号，两个馈源被同相激励，并辐射相同的功率，结果两波束在空间各点产生的场强同相相加，形成发射和波束F如图一（b（）此时，发射脉冲的方向图函数为：

F()F()F()

接收时，回波脉冲同时被两个波束的馈源所接收。两波束接收到的信号振幅有差异，但相位相同。这两个相位相同的信号分别加到和差比较器的1、2端。

其中，和信号的振幅为

EkF()[F()F()]kF()2

式中F，而差信号的振幅为（F（-）F（））EkF()[F()F()]kF()F()式中F()F()F()。

现假定目标的误差角为，则差信号波束为EkF()F()。

在跟踪状态下，很小，可以将F()展开成麦克劳林级数并忽略高次项，则可得

2E4kF(0)'E4kF(0)F(0)两式作比得：

EF'(0) EF(0)所得结果表示，在一定的误差角范围内，差信号的振幅E与误差角成正比。

以上得出了角误差信号的大小，而角误差信号的相位则由E1,E2中的强者决定，哪个回波信号更强，则角误差信号偏向哪边。

综上所述，端输出的差信号的振幅表明了目标误差角的大小，其相位则表

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示目标偏离天线轴线的方向。

3.3角误差信号的转换

和差比较器Δ端输出的高频角误差信号还不能用来控制天线跟踪目标，必须把它变换成直流误差电压，其大小应与高频角误差信号的振幅成比例，而其极性应由高频角误差信号的相位来决定。这一变换作用由相位检波器完成。为此，将和、差信号通过各自的接收通道，经变频中放后一起加到相位检波器上进行相位检波，其中和信号为基准信号。

相位检波器的输出为

KdUKdU 0其中Ud正比于E，为和、差信号之间的相位差。

相位检波器输出为正或负极性的视频脉冲(=π为负极性)，其幅度与差信号的振幅即目标误差角ε成比例，脉冲的极性(正或负)则反映了目标偏离天线轴线的方向。把它变成相应的直流误差电压后，加到伺服系统控制天线向减小误差的方向运动。

3.4自动增益控制

前面我们介绍了自动测角的原理，但实际上还有许多性能需要改善。为了消除目标回波信号振幅变化(由目标大小、距离、有效散射面积变化引起)对自动跟踪系统的影响，需要采用自动增益控制。

由和支路输出的和信号产生自动增益控制电压。该电压同时去控制和差支路的中放增益，这等效于用和信号对差信号进行归一化处理，同时又能保持和差通道的特性一致。

可以证明，由和支路信号作自动增益控制后，和支路输出基本保持常量，而差支路输出经归一化处理后其误差电压只与误差角ε有关 第 6 页

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

而与回波幅度变化无关。

3.5整体结构

接下来我们以单平面振幅和差单脉冲雷达的组成为例，分析其系统结构。

根据上述原理，可画出单平面振幅和差单脉冲雷达的基本组成方框图，如图三所示。系统的简单工作过程为：发射信号加到和差比较器Σ端，分别从1、2端输出同相激励两个馈源。接收时，两波束的馈源接收到的信号分别加到和差比较器的1、2端，Σ端输出和信号，Δ端输出差信号(高频角误差信号)。和、差两路信号分别经过各自的接收系统(称为和、差支路)。中放后，差信号作为相位检波器的一个输入信号，和信号分三路：一路经检波视放后作为测距和显示用；另一路用作和、差两支路的自动增益控制，再一路作为相位检波器的基准信号。和、差两中频信号在相位检波器进行相位检波，输出就是视频角误差信号，变成相应的直流误差电压后，1天线方向图加到伺服系统控制天线跟踪目标。和圆锥扫描雷达一样, 进入

天线增益F()0.90.80.70.60.50.40.30.20.10-20-15-10-50角度/5101520角跟踪之前，必须先进行距离跟踪，并由距离跟踪系统输出一距离选通波门加到差支路中放，只让被选目标的角误差信号通过。

四、振幅和差单脉冲雷达自动测角仿真

假设两个波束的方向性函数完全相同，记为F，两波束相对天线轴线的偏角为。仿真中，偏角3，半功率波束宽度3dB7.5，采用双向工作的高斯函数作为天线方向性函数，因此有

Fe

2.8220.5

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振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

和差波束方向性函数分别为：

FFF FFF

其方向函数图如下所示：

和、差波束方向图1.51和波束天线方向图天线增益F()0.50差波束天线方向图-0.5-1-20-15-10-50角度/5101520

由原理分析可知，差信号振幅为EkFF，当跟踪目标是出现误差角时，差信号的振幅变为EkFF。由于跟踪状态下很小，将F展开成泰勒级数并忽略高次项，则有

EkFF'0kF2

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振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

式中FF0；F'0/F0。由上式可知，在一定范围的误差角度范围内，差信号的振幅与误差角度成正比。

仿真时，我们假设误差角度，，得到如下误差角度与误差电压关

66系图，符合理论推导。

从误差角度与误差电压的关系图中我们可以看出，在跟踪状态下，当目标与雷达天线轴向之间存在一定误差角时，接收天线会产生相应的误差电压。而误差电压的大小反映了误差角的大小，误差电压的极性反映了目标偏离天线轴向的方向。此时，该误差电压将驱动雷达天线靠近目标，使得误差角接近于零，从而实现自动测角（目标跟踪）。

五、振幅和差单脉冲雷达的应用

单脉冲雷达作为一种精密跟踪雷达，可以精确快速地提供目标坐标的精确位置，早在60年代就已广泛应用于火控系统中。

而目前使用的单脉冲雷达基本上都实现了模块化、系列化和通用化，具有多目标跟踪、动目标显示、故障自检、维修方便等特点，于是也被更多地应用于军用以及民用上。

美国、英国、法国和日本等国军队大量装备单脉冲雷达，主要用于目标识别、靶场精密跟踪测量、弹道导弹预警和跟踪、导弹再入弹道测量、火箭和卫星跟踪、武器火力控制、炮位侦察、地形跟随、导航、地图测绘等；在民用上主要用于中交

误差电压/V86420-2-4-6x 10-4误差角度与误差电压关系图通管制。

-8-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.1误差角度/0.20.30.40.5第 9 页

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

附录：

clear all,close all,clc N=2^14;

%采样点数 r3dB=7.5;

%半功率波束宽度 e=linspace(-pi/6,pi/6,N);

%误差角度范围 r=linspace(-20,20,N);

%角度范围（横坐标）F=exp(-2.8*(r./r3dB).^2);

%天线方向图函数

F1=exp(-2.8*((3-r)./r3dB).^2);

%两波束相对天线轴线偏角+-3° F2=exp(-2.8*((3+r)./r3dB).^2);F_sigema=F1+F2;

%和波束 F_derta =F1-F2;

%差波束 E_sigema=F_sigema.^2;

%和场强 E_derta =F_sigema.*F_derta;

%差场强

F_derta1=diff(F_derta);

%差波束的一阶导数 yita=max(F_derta1)/max(F_sigema);E_derta1 =max(F_sigema)^2*yita*e;

%差信号振幅 subplot(311)plot(r,(F),'b',r,(F1),'r',r,(F2),'g')grid on

xlabel('角度/theta'),ylabel('天线增益F(theta)')title('天线方向图')subplot(312)plot(r,(F_sigema),'r',r,(F_derta),'g')第 10 页

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

grid on

xlabel('角度/theta'),ylabel('天线增益F(theta)')title('和、差波束方向图')subplot(313)plot(e,E_derta1)xlabel('误差角度/theta'),ylabel('误差电压/V')title('误差角度与误差电压关系图')grid on

axis([-pi/6 pi/6-0.8e-3 0.8e-3])

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