基于虛擬儀器的RailSAR測控系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：介紹了基于虛擬儀器的ＲａｉｌＳＡＲ測控系統(tǒng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)字存儲示波器的數(shù)據(jù)錄取，經(jīng)緯儀的坐標測量，步進電機的運動控制以及雷達數(shù)據(jù)的分析處理。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 ＲａｉｌＳＡＲ ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ

軌道合成孔徑雷達（ＲａｉｌＳＡＲ）是一個非常復(fù)雜的成像雷達系統(tǒng)，由功能不同的幾個子系統(tǒng)組成，包括雷達平臺的運動控制，雷達回波的采集、傳輸和存儲，雷達位置的跟蹤測量以及雷達數(shù)據(jù)的成像處理等。ＲａｉｌＳＡＲ的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示，其中步進電機實現(xiàn)雷達平臺的步進運動，數(shù)字存儲示波器完成雷達回波的數(shù)據(jù)錄取，經(jīng)緯儀跟蹤測量雷達天線的３維坐標。ＲａｉｌＳＡＲ是一個自動化程度很高的測量系統(tǒng)，其通過計算機軟件，實現(xiàn)對各種不同儀器設(shè)備和雷達數(shù)據(jù)的靈活控制和處理。

利用虛擬儀器系統(tǒng)的概念來構(gòu)造特定的測量系統(tǒng)是一個發(fā)展趨勢。虛擬儀器系統(tǒng)利用各種設(shè)備驅(qū)動程序和實用軟件包，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種設(shè)備的編程控制，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分析處理。本文介紹基于虛擬儀器系統(tǒng)概念設(shè)計的ＲａｉｌＳＡＲ測控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。

１ 系統(tǒng)開發(fā)平臺

虛擬儀器系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機技術(shù)和傳統(tǒng)儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用計算機強大的控制功能，通過軟件編程，將各種不同的儀器靈活地組合在一起，形成一個實現(xiàn)某種特定功能的系統(tǒng)。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的核心，特別是設(shè)備驅(qū)動程序構(gòu)成了虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外使用較為廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺是ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ，ＲａｉｌＳＡＲ系統(tǒng)使用的是ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ。

ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ是一種面向?qū)ο蟮目梢暬幊汰h(huán)境，以ＡＮＳＩＣ為核心，以各種豐富的庫函數(shù)為基礎(chǔ)，為儀器控制、自動測試和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供了一個功能強大的開發(fā)平臺。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：①用戶接口；②程序控制；③數(shù)據(jù)采集；④數(shù)據(jù)分析。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的強大功能主要依賴于它的各種庫。對于用戶接口，它提供了面板、菜單、按鈕等用戶接口庫，使用戶能夠簡單方便地作出程序界面。對于數(shù)據(jù)采集，它提供了儀器庫、ＧＰＩＢ庫、ＲＳ－２３２庫、ＶＩＳＡ庫以及ＶＸＩ庫等，利用接口函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對各種儀器的靈活控制。對于數(shù)據(jù)分析，它提供了格式化Ｉ／Ｏ庫、分析庫以及高級分析庫，能夠快速地實現(xiàn)各種算法，還可以用用戶接口庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種表示。

２ ＲａｉｌＳＡＲ測控系統(tǒng)的實現(xiàn)

ＲａｉｌＳＡＲ在軌道上做等間隔的步進運動，每步進一次，就要進行一次雷達回波測量和天線位置測量，將測量數(shù)據(jù)以文件形式存入硬盤，測量結(jié)束后進行數(shù)據(jù)的成像處理。ＲａｉｌＳＡＲ系統(tǒng)需要主機通過各種不同的接口，實現(xiàn)對不同儀器的控制：通過ＧＰＩＢ接口控制示波器，通過并口控制步進電機，通過串口控制經(jīng)緯儀。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了豐富的接口函數(shù)，能夠方便地實現(xiàn)這些控制。ＲａｉｌＳＡＲ數(shù)據(jù)處理最主要的特性是算法復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的分析庫提供了許多用Ｃ語言編寫的成熟的信號處理的函數(shù)，能夠迅速地生成高效的數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序，達到ＲａｉｌＳＡＲ數(shù)據(jù)處理的要求。

２.１ 雷達數(shù)據(jù)錄取

ＲａｉｌＳＡＲ正交解調(diào)接收機輸出的Ｉ、Ｑ兩路信號，由數(shù)字存儲示波器進行采集。ＲａｉｌＳＡＲ的脈沖重復(fù)頻率為２ｋＨｚ，每個雷達回波的數(shù)據(jù)接近１ＭＢ，總數(shù)據(jù)量高達幾百ＭＢ。所以ＲａｉｌＳＡＲ的數(shù)據(jù)錄取具有高速、大容量的特點，要求主機通過高速接口將數(shù)據(jù)從示波器傳輸?shù)街鳈C的大容量硬盤。通過接口總線（ＧＰＩＢ）的高速數(shù)據(jù)傳輸能力能夠滿足ＲａｉｌＳＡＲ數(shù)據(jù)錄取的要求。

ＧＰＩＢ是控制器和可編程儀器之間通訊的一種總線協(xié)議，也稱為ＩＥＥＥ ４８８標準，因為其使用簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率高，因而受到廣泛地應(yīng)用。ＧＰＩＢ的數(shù)據(jù)傳輸速率高達１ＭＢ／ｓ，新的標準已經(jīng)將傳輸速率提高到了８ＭＢ／ｓ。主機通過ＧＰＩＢ接口總線和示波器連接，發(fā)送指令控制示波器的采集、傳輸和存儲。

ＲａｉｌＳＡＲ系統(tǒng)采用的是ＮＩ公司的ＰＣＩ插槽的ＧＰＩＢ控制卡，示波器采用的是Ｔｅｋｔｒｏｎｉｃｓ公司的ＴＤＳ５８０Ｄ。ＧＰＩＢ卡及其驅(qū)動程序必須滿足ＩＥＥＥ ４８８標準，最新版本的標準是ＩＥＥＥ ４８８．２。ＩＥＥＥ ４８８．２標準定義了ＧＰＩＢ儀器控制的通用命令及格式，例如讀寫命令ＩＢＲＤ和ＩＢＷＲＴ的參數(shù)個數(shù)及類型，而命令的具體內(nèi)容則根據(jù)儀器的不同而不同，由儀器的生產(chǎn)廠家提供。 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了豐富的ＧＰＩＢ／ＧＰＩＢ ４８８．２庫，包括打開和關(guān)閉設(shè)備、讀寫數(shù)據(jù)等函數(shù)面板，可以很方便地調(diào)用及輸入?yún)?shù)。

２.２ 雷達運動控制

為了獲取比較好的成像結(jié)果，ＲａｉｌＳＡＲ要求天線平臺做精確的等間隔直線運動。運動的直線性由軌道的平直度保證，等間隔運動由高精度的步進電機實現(xiàn)。步進電機的運動是由脈沖控制的，脈沖的寬度決定一個步長的大小，即一步所轉(zhuǎn)動的角度，脈沖的頻率決定轉(zhuǎn)動的速度。步進電機驅(qū)動器有三根控制線：一根脈沖線，輸出適當占空比和頻率的矩形脈沖，控制步進的大小和頻率；一根方向線，控制運動的方向是正向還是反向；還有一根脫機線，用來保護步進電機。

主機選取并口的低３位信號線控制步進電機，并口地址為０ｘ３７８。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的Ｕｔｉｌｉｔｙ庫提供了ＩＮＰ和ＯＵＴＰ兩個函數(shù)，用于從端口讀和向端口寫一個字節(jié)。步進電機的方向線和脫機線都是通過電平控制的，通過置位和復(fù)位就能夠?qū)崿F(xiàn)方向和脫機控制。脈沖線的矩形脈沖則是通過重復(fù)置位和復(fù)位來實現(xiàn)的。由于脈沖頻率為１ｋＨｚ，每一個脈沖高低電平的持續(xù)時間很短，只有０．５ｍｓ，使用常用延遲函數(shù)難以滿足要求，所以我們采用了Ｆｏｒ循環(huán)來實現(xiàn)這種短時間延遲。步進電機對于啟動、平穩(wěn)運行和制動時的脈沖頻率的要求是不同的，這就是步進電機的升降速曲線。在啟動時，要求脈沖頻率由低到高并逐步過渡到平穩(wěn)運行時的固定頻率；在制動時，也要求脈沖頻率逐漸降低，直到停止。我們通過動態(tài)地改變Ｆｏｒ循環(huán)的終止條件，實現(xiàn)了步進電機的升降速曲線。

２.３ 雷達坐標測量

理想的ＲａｉｌＳＡＲ運動是等間隔的直線運動。但是由于軌道平直度的誤差以及等間隔運動的誤差，ＲａｉｌＳＡＲ的實際運動總是偏離理想狀況。運動誤差直接影響著ＲａｉｌＳＡＲ回波的多普勒信號的相位和幅度，從而使脈沖壓縮產(chǎn)生畸變，降低了ＲａｉｌＳＡＲ圖像的質(zhì)量，所以運動補償是必不可少的。ＲａｉｌＳＡＲ采用經(jīng)緯儀跟蹤天線的運動，獲得運動補償?shù)臄?shù)據(jù)。

經(jīng)緯儀放置在軌道的一端，反射器安裝在天線附近。經(jīng)緯儀根據(jù)反射器二極管的可見光跟蹤天線，通過測量發(fā)射和接收激光的時間計算斜矩，通過伺服系統(tǒng)在水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動確定水平和垂直角。經(jīng)緯儀有本地和遙控兩種控制方式，ＲａｉｌＳＡＲ采用后一種方式。主機通過串口和經(jīng)緯儀通訊，發(fā)送指令和讀取測量結(jié)果。

ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的ＲＳ－２３２庫提供了一整套通訊函數(shù)，能夠很方便地實現(xiàn)主機和經(jīng)緯儀的連接。為了保證控制的可靠性，經(jīng)緯儀對于主機發(fā)送的每一條指令，都會有確認字來確認指令已經(jīng)被正確接收或執(zhí)行。主機首先發(fā)送持續(xù)時間１秒的Ｂｒｅａｋ命令來遠程啟動經(jīng)緯儀，然后設(shè)置控制方式為遙控，測量模式為跟蹤方式，搜索并鎖定目標，使經(jīng)緯儀跟蹤雷達的運動。每步進一次，主機就發(fā)出測量命令，指示經(jīng)緯儀測量雷達的水平角、垂直角和斜距，主機讀取雷達坐標，存入數(shù)據(jù)文件。

２.４ 雷達數(shù)據(jù)處理

ＲａｉｌＳＡＲ主機采用一臺ＰＩＩ４００臺式機，不僅要完成雷達運動控制、數(shù)據(jù)錄取，還要擔負數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。ＲａｉｌＳＡＲ的數(shù)據(jù)處理主要分為４個部分：系統(tǒng)補償、距離向脈沖壓縮、運動補償、方位向脈沖壓縮或成像處理。ＲａｉｌＳＡＲ數(shù)據(jù)處理的算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，給數(shù)據(jù)處理帶來了很大的難度。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的高級分析庫提供了許多信號處理、矩陣運算、圖像處理等方面的函數(shù)。這些函數(shù)都是已被證明了的成熟算法，就如Ｍａｔｌａｂ的工具包一樣，能夠幫助用戶方便迅速地實現(xiàn)信號處理的算法。而且由于這些函數(shù)是用Ｃ語言編寫的，執(zhí)行效率比Ｍａｔｌａｂ要高許多倍。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的用戶接口庫提供的許多曲線和圖像顯示的函數(shù)，可以非常方便地將ＲａｉｌＳＡＲ結(jié)果顯示出來。

虛擬儀器系統(tǒng)是現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展方向，它通過計算機軟件，能夠?qū)y量儀器自由組合，實現(xiàn)用戶特定的測量任務(wù)。ＲａｉｌＳＡＲ是一個復(fù)雜的測控系統(tǒng)，需要各種儀器協(xié)調(diào)工作，完成特殊的測量要求。本文利用虛擬儀器系統(tǒng)的概念，開發(fā)了ＲａｉｌＳＡＲ的測控軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了ＲａｉｌＳＡＲ的測量要求。