基于虛擬儀器RailSAR測控系統的實(shí)現

方案綜述:
　　軌道合成孔徑雷達（ＲａｉｌＳＡＲ）是一個(gè)非常復雜的成像雷達系統，由功能不同的幾個(gè)子系統組成，包括雷達平臺的運動(dòng)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據的成像處理等。ＲａｉｌＳＡＲ的系統結構如圖１所示，其中步進(jìn)電機實(shí)現雷達平臺的步進(jìn)運動(dòng)，數字存儲示波器完成雷達回波的數據錄取，經(jīng)緯儀跟蹤測量雷達天線(xiàn)的３維坐標。ＲａｉｌＳＡＲ是一個(gè)自動(dòng)化程度很高的測量系統，其通過(guò)計算機軟件，實(shí)現對各種不同儀器設備和雷達數據的靈活控制和處理。
　　利用虛擬儀器系統的概念來(lái)構造特定的測量系統是一個(gè)發(fā)展趨勢。虛擬儀器系統利用各種設備驅動(dòng)程序和實(shí)用軟件包，能夠實(shí)現對各種設備的編程控制，完成數據的采集、傳輸和分析處理。本文介紹基于虛擬儀器系統概念設計的ＲａｉｌＳＡＲ測控系統的實(shí)現過(guò)程。
１ 系統開(kāi)發(fā)平臺
　　虛擬儀器系統是現代計算機技術(shù)和傳統儀器技術(shù)相結合的產(chǎn)物，它利用計算機強大的控制功能，通過(guò)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)現某種特定功能的系統。軟件是虛擬儀器系統的核心，特別是設備驅動(dòng)程序構成了虛擬儀器系統軟件的基礎。目前國內外使用較為廣泛的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺是ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ，ＲａｉｌＳＡＲ系統使用的是ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ。
　?。蹋幔猓祝椋睿洌铮鳎螅茫郑墒且环N面向對象的可視化編程環(huán)境，以ＡＮＳＩＣ為核心，以各種豐富的庫函數為基礎，為儀器控制、自動(dòng)測試和數據采集應用提供了一個(gè)功能強大的開(kāi)發(fā)平臺。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ應用程序的結構主要由四部分組成：①用戶(hù)接口；②程序控制；③數據采集；④數據分析。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的強大功能主要依賴(lài)于它的各種庫。對于用戶(hù)接口，它提供了面板、菜單、按鈕等用戶(hù)接口庫，使用戶(hù)能夠簡(jiǎn)單方便地作出程序界面。對于數據采集，它提供了儀器庫、ＧＰＩＢ庫、ＲＳ－２３２庫、ＶＩＳＡ庫以及ＶＸＩ庫等，利用接口函數能夠實(shí)現對各種儀器的靈活控制。對于數據分析，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(shí)現各種算法，還可以用用戶(hù)接口庫實(shí)現數據的各種表示。
２ ＲａｉｌＳＡＲ測控系統的實(shí)現
　?。遥幔椋欤樱粒以谲壍郎献龅乳g隔的步進(jìn)運動(dòng)，每步進(jìn)一次，就要進(jìn)行一次雷達回波測量和天線(xiàn)位置測量，將測量數據以文件形式存入硬盤(pán)，測量結束后進(jìn)行數據的成像處理。ＲａｉｌＳＡＲ系統需要主機通過(guò)各種不同的接口，實(shí)現對不同儀器的控制：通過(guò)ＧＰＩＢ接口控制示波器，通過(guò)并口控制步進(jìn)電機，通過(guò)串口控制經(jīng)緯儀。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了豐富的接口函數，能夠方便地實(shí)現這些控制。ＲａｉｌＳＡＲ數據處理最主要的特性是算法復雜、數據量大。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的分析庫提供了許多用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)的成熟的信號處理的函數，能夠迅速地生成高效的數據處理的應用程序，達到ＲａｉｌＳＡＲ數據處理的要求。
２.１ 雷達數據錄取
　?。遥幔椋欤樱粒艺唤庹{接收機輸出的Ｉ、Ｑ兩路信號，由數字存儲示波器進(jìn)行采集。ＲａｉｌＳＡＲ的脈沖重復頻率為２ｋＨｚ，每個(gè)雷達回波的數據接近１ＭＢ，總數據量高達幾百ＭＢ。所以ＲａｉｌＳＡＲ的數據錄取具有高速、大容量的特點(diǎn)，要求主機通過(guò)高速接口將數據從示波器傳輸到主機的大容量硬盤(pán)。通過(guò)接口總線(xiàn)（ＧＰＩＢ）的高速數據傳輸能力能夠滿(mǎn)足ＲａｉｌＳＡＲ數據錄取的要求。
　?。牵校桑率强刂破骱?strong>可編程儀器之間通訊的一種總線(xiàn)協(xié)議，也稱(chēng)為ＩＥＥＥ ４８８標準，因為其使用簡(jiǎn)單，數據傳輸速率高，因而受到廣泛地應用。ＧＰＩＢ的數據傳輸速率高達１ＭＢ／ｓ，新的標準已經(jīng)將傳輸速率提高到了８ＭＢ／ｓ。主機通過(guò)ＧＰＩＢ接口總線(xiàn)和示波器連接，發(fā)送指令控制示波器的采集、傳輸和存儲。
　?。遥幔椋欤樱粒蚁到y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卡及其驅動(dòng)程序必須滿(mǎn)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(xiě)命令ＩＢＲＤ和ＩＢＷＲＴ的參數個(gè)數及類(lèi)型，而命令的具體內容則根據儀器的不同而不同，由儀器的生產(chǎn)廠(chǎng)家提供。 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了豐富的ＧＰＩＢ／ＧＰＩＢ ４８８．２庫，包括打開(kāi)和關(guān)閉設備、讀寫(xiě)數據等函數面板，可以很方便地調用及輸入參數。
２.２ 雷達運動(dòng)控制
　　為了獲取比較好的成像結果，ＲａｉｌＳＡＲ要求天線(xiàn)平臺做精確的等間隔直線(xiàn)運動(dòng)。運動(dòng)的直線(xiàn)性由軌道的平直度保證，等間隔運動(dòng)由高精度的步進(jìn)電機實(shí)現。步進(jìn)電機的運動(dòng)是由脈沖控制的，脈沖的寬度決定一個(gè)步長(cháng)的大小，即一步所轉動(dòng)的角度，脈沖的頻率決定轉動(dòng)的速度。步進(jìn)電機驅動(dòng)器有三根控制線(xiàn)：一根脈沖線(xiàn)，輸出適當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(xiàn)，控制運動(dòng)的方向是正向還是反向；還有一根脫機線(xiàn)，用來(lái)保護步進(jìn)電機。
　　主機選取并口的低３位信號線(xiàn)控制步進(jìn)電機，并口地址為０ｘ３７８。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的Ｕｔｉｌｉｔｙ庫提供了ＩＮＰ和ＯＵＴＰ兩個(gè)函數，用于從端口讀和向端口寫(xiě)一個(gè)字節。步進(jìn)電機的方向線(xiàn)和脫機線(xiàn)都是通過(guò)電平控制的，通過(guò)置位和復位就能夠實(shí)現方向和脫機控制。脈沖線(xiàn)的矩形脈沖則是通過(guò)重復置位和復位來(lái)實(shí)現的。由于脈沖頻率為１ｋＨｚ，每一個(gè)脈沖高低電平的持續時(shí)間很短，只有０．５ｍｓ，使用常用延遲函數難以滿(mǎn)足要求，所以我們采用了Ｆｏｒ循環(huán)來(lái)實(shí)現這種短時(shí)間延遲。步進(jìn)電機對于啟動(dòng)、平穩運行和制動(dòng)時(shí)的脈沖頻率的要求是不同的，這就是步進(jìn)電機的升降速曲線(xiàn)。在啟動(dòng)時(shí)，要求脈沖頻率由低到高并逐步過(guò)渡到平穩運行時(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(guò)動(dòng)態(tài)地改變Ｆｏｒ循環(huán)的終止條件，實(shí)現了步進(jìn)電機的升降速曲線(xiàn)。
２.３ 雷達坐標測量
　　理想的ＲａｉｌＳＡＲ運動(dòng)是等間隔的直線(xiàn)運動(dòng)。但是由于軌道平直度的誤差以及等間隔運動(dòng)的誤差，ＲａｉｌＳＡＲ的實(shí)際運動(dòng)總是偏離理想狀況。運動(dòng)誤差直接影響著(zhù)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(dòng)補償是必不可少的。ＲａｉｌＳＡＲ采用經(jīng)緯儀跟蹤天線(xiàn)的運動(dòng)，獲得運動(dòng)補償的數據。
　　經(jīng)緯儀放置在軌道的一端，反射器安裝在天線(xiàn)附近。經(jīng)緯儀根據反射器二極管的可見(jiàn)光跟蹤天線(xiàn)，通過(guò)測量發(fā)射和接收激光的時(shí)間計算斜矩，通過(guò)伺服系統在水平和垂直方向的轉動(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。主機通過(guò)串口和經(jīng)緯儀通訊，發(fā)送指令和讀取測量結果。
　?。蹋幔猓祝椋睿洌铮鳎螅茫郑傻模遥樱玻常矌焯峁┝艘徽淄ㄓ嵑瘮?，能夠很方便地實(shí)現主機和經(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(huì )有確認字來(lái)確認指令已經(jīng)被正確接收或執行。主機首先發(fā)送持續時(shí)間１秒的Ｂｒｅａｋ命令來(lái)遠程啟動(dòng)經(jīng)緯儀，然后設置控制方式為遙控，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(dòng)。每步進(jìn)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，存入數據文件。
２.４ 雷達數據處理
　?。遥幔椋欤樱粒抑鳈C采用一臺ＰＩＩ４００臺式機，不僅要完成雷達運動(dòng)控制、數據錄取，還要擔負數據處理的任務(wù)。ＲａｉｌＳＡＲ的數據處理主要分為４個(gè)部分：系統補償、距離向脈沖壓縮、運動(dòng)補償、方位向脈沖壓縮或成像處理。ＲａｉｌＳＡＲ數據處理的算法復雜，數據量大，給數據處理帶來(lái)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。這些函數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(hù)方便迅速地實(shí)現信號處理的算法。而且由于這些函數是用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)的，執行效率比Ｍａｔｌａｂ要高許多倍。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的用戶(hù)接口庫提供的許多曲線(xiàn)和圖像顯示的函數，可以非常方便地將ＲａｉｌＳＡＲ結果顯示出來(lái)。
　　虛擬儀器系統是現代測控技術(shù)的發(fā)展方向，它通過(guò)計算機軟件，能夠對測量?jì)x器自由組合，實(shí)現用戶(hù)特定的測量任務(wù)。ＲａｉｌＳＡＲ是一個(gè)復雜的測控系統，需要各種儀器協(xié)調工作，完成特殊的測量要求。本文利用虛擬儀器系統的概念，開(kāi)發(fā)了ＲａｉｌＳＡＲ的測控軟件系統，實(shí)現了ＲａｉｌＳＡＲ的測量要求。