基于虛擬儀器的RailSAR測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了基于虛擬儀器的ＲａｉｌＳＡＲ測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的數(shù)據(jù)錄取，經(jīng)緯儀的坐標(biāo)測(cè)量，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制以及雷達(dá)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(dá)（ＲａｉｌＳＡＲ）是一個(gè)非常復(fù)雜的成像雷達(dá)系統(tǒng)，由功能不同的幾個(gè)子系統(tǒng)組成，包括雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，雷達(dá)回波的采集、傳輸和存儲(chǔ)，雷達(dá)位置的跟蹤測(cè)量以及雷達(dá)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(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)平臺(tái)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器完成雷達(dá)回波的數(shù)據(jù)錄取，經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量雷達(dá)天線的３維坐標(biāo)。ＲａｉｌＳＡＲ是一個(gè)自動(dòng)化程度很高的測(cè)量系統(tǒng)，其通過計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同儀器設(shè)備和雷達(dá)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(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。虛擬儀器系統(tǒng)利用各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)用軟件包，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jì)的ＲａｉｌＳＡＲ測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

１ 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

虛擬儀器系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(gè)實(shí)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(dòng)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(tái)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(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)。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(qiáng)大功能主要依賴于它的各種庫。對(duì)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(jiǎn)單方便地作出程序界面。對(duì)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(duì)各種儀器的靈活控制。對(duì)于數(shù)據(jù)分析，它提供了格式化Ｉ／Ｏ庫、分析庫以及高級(jí)分析庫，能夠快速地實(shí)現(xiàn)各種算法，還可以用用戶接口庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種表示。

２ ＲａｉｌＳＡＲ測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

ＲａｉｌＳＡＲ在軌道上做等間隔的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，每步進(jìn)一次，就要進(jìn)行一次雷達(dá)回波測(cè)量和天線位置測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)以文件形式存入硬盤，測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)的成像處理。ＲａｉｌＳＡＲ系統(tǒng)需要主機(jī)通過各種不同的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)電機(jī)，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(shí)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(hào)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(dá)到ＲａｉｌＳＡＲ數(shù)據(jù)處理的要求。

２.１ 雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取

ＲａｉｌＳＡＲ正交解調(diào)接收機(jī)輸出的Ｉ、Ｑ兩路信號(hào)，由數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行采集。ＲａｉｌＳＡＲ的脈沖重復(fù)頻率為２ｋＨｚ，每個(gè)雷達(dá)回波的數(shù)據(jù)接近１ＭＢ，總數(shù)據(jù)量高達(dá)幾百ＭＢ。所以ＲａｉｌＳＡＲ的數(shù)據(jù)錄取具有高速、大容量的特點(diǎn)，要求主機(jī)通過高速接口將數(shù)據(jù)從示波器傳輸?shù)街鳈C(jī)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(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠涫褂煤?jiǎn)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(dá)１ＭＢ／ｓ，新的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將傳輸速率提高到了８ＭＢ／ｓ。主機(jī)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(chǔ)。

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(dòng)程序必須滿足ＩＥＥＥ ４８８標(biāo)準(zhǔn)，最新版本的標(biāo)準(zhǔn)是ＩＥＥＥ ４８８．２。ＩＥＥＥ ４８８．２標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(dá)運(yùn)動(dòng)控制

為了獲取比較好的成像結(jié)果，ＲａｉｌＳＡＲ要求天線平臺(tái)做精確的等間隔直線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的直線性由軌道的平直度保證，等間隔運(yùn)動(dòng)由高精度的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由脈沖控制的，脈沖的寬度決定一個(gè)步長(zhǎng)的大小，即一步所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，脈沖的頻率決定轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有三根控制線：一根脈沖線，輸出適當(dāng)占空比和頻率的矩形脈沖，控制步進(jìn)的大小和頻率；一根方向線，控制運(yùn)動(dòng)的方向是正向還是反向；還有一根脫機(jī)線，用來保護(hù)步進(jìn)電機(jī)。

主機(jī)選取并口的低３位信號(hào)線控制步進(jìn)電機(jī)，并口地址為０ｘ３７８。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的Ｕｔｉｌｉｔｙ庫提供了ＩＮＰ和ＯＵＴＰ兩個(gè)函數(shù)，用于從端口讀和向端口寫一個(gè)字節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的方向線和脫機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)的。由于脈沖頻率為１ｋＨｚ，每一個(gè)脈沖高低電平的持續(xù)時(shí)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(shí)現(xiàn)這種短時(shí)間延遲。步進(jìn)電機(jī)對(duì)于啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)的脈沖頻率的要求是不同的，這就是步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線。在啟動(dòng)時(shí)，要求脈沖頻率由低到高并逐步過渡到平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的固定頻率；在制動(dòng)時(shí)，也要求脈沖頻率逐漸降低，直到停止。我們通過動(dòng)態(tài)地改變Ｆｏｒ循環(huán)的終止條件，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線。

２.３ 雷達(dá)坐標(biāo)測(cè)量

理想的ＲａｉｌＳＡＲ運(yùn)動(dòng)是等間隔的直線運(yùn)動(dòng)。但是由于軌道平直度的誤差以及等間隔運(yùn)動(dòng)的誤差，ＲａｉｌＳＡＲ的實(shí)際運(yùn)動(dòng)總是偏離理想狀況。運(yùn)動(dòng)誤差直接影響著ＲａｉｌＳＡＲ回波的多普勒信號(hào)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是必不可少的。ＲａｉｌＳＡＲ采用經(jīng)緯儀跟蹤天線的運(yùn)動(dòng)，獲得運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(cè)量發(fā)射和接收激光的時(shí)間計(jì)算斜矩，通過伺服系統(tǒng)在水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)通過串口和經(jīng)緯儀通訊，發(fā)送指令和讀取測(cè)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(shí)現(xiàn)主機(jī)和經(jīng)緯儀的連接。為了保證控制的可靠性，經(jīng)緯儀對(duì)于主機(jī)發(fā)送的每一條指令，都會(huì)有確認(rèn)字來確認(rèn)指令已經(jīng)被正確接收或執(zhí)行。主機(jī)首先發(fā)送持續(xù)時(shí)間１秒的Ｂｒｅａｋ命令來遠(yuǎn)程啟動(dòng)經(jīng)緯儀，然后設(shè)置控制方式為遙控，測(cè)量模式為跟蹤方式，搜索并鎖定目標(biāo)，使經(jīng)緯儀跟蹤雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)。每步進(jìn)一次，主機(jī)就發(fā)出測(cè)量命令，指示經(jīng)緯儀測(cè)量雷達(dá)的水平角、垂直角和斜距，主機(jī)讀取雷達(dá)坐標(biāo)，存入數(shù)據(jù)文件。

２.４ 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

ＲａｉｌＳＡＲ主機(jī)采用一臺(tái)ＰＩＩ４００臺(tái)式機(jī)，不僅要完成雷達(dá)運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)錄取，還要擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。ＲａｉｌＳＡＲ的數(shù)據(jù)處理主要分為４個(gè)部分：系統(tǒng)補(bǔ)償、距離向脈沖壓縮、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(jí)分析庫提供了許多信號(hào)處理、矩陣運(yùn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cè)控技術(shù)的發(fā)展方向，它通過計(jì)算機(jī)軟件，能夠?qū)y(cè)量?jī)x器自由組合，實(shí)現(xiàn)用戶特定的測(cè)量任務(wù)。ＲａｉｌＳＡＲ是一個(gè)復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)，需要各種儀器協(xié)調(diào)工作，完成特殊的測(cè)量要求。本文利用虛擬儀器系統(tǒng)的概念，開發(fā)了ＲａｉｌＳＡＲ的測(cè)控軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了ＲａｉｌＳＡＲ的測(cè)量要求。