基于虚拟仪器的RailSAR测控系统的实现

    摘要：介绍了基于虚拟仪器的ＲａｉｌＳＡＲ测控系统的实现。该系统实现了对数字存储示波器的数据录取，经纬仪的坐标测量，步进电机的运动控制以及雷达数据的分析处理。 

    关键词：虚拟仪器  ＲａｉｌＳＡＲ  ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ

    轨道合成孔径雷达（ＲａｉｌＳＡＲ）是一个非常复杂的成像雷达系统，由功能不同的几个子系统组成，包括雷达平台的运动控制，雷达回波的采集、传输和存储，雷达位置的跟踪测量以及雷达数据的成像处理等。ＲａｉｌＳＡＲ的系统结构如图１所示，其中步进电机实现雷达平台的步进运动，数字存储示波器完成雷达回波的数据录取，经纬仪跟踪测量雷达天线的３维坐标。ＲａｉｌＳＡＲ是一个自动化程度很高的测量系统，其通过计算机软件，实现对各种不同仪器设备和雷达数据的灵活控制和处理。

    利用虚拟仪器系统的概念来构造特定的测量系统是一个发展趋势。虚拟仪器系统利用各种设备驱动程序和实用软件包，能够实现对各种设备的编程控制，完成数据的采集、传输和分析处理。本文介绍基于虚拟仪器系统概念设计的ＲａｉｌＳＡＲ测控系统的实现过程。

１ 系统开发平台

    虚拟仪器系统是现代计算机技术和传统仪器技术相结合的产物，它利用计算机强大的控制功能，通过软件编程，将各种不同的仪器灵活地组合在一起，形成一个实现某种特定功能的系统。软件是虚拟仪器系统的核心，特别是设备驱动程序构成了虚拟仪器系统软件的基础。目前国内外使用较为广泛的虚拟仪器开发平台是ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ，ＲａｉｌＳＡＲ系统使用的是ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ。

    ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ是一种面向对象的可视化编程环境，以ＡＮＳＩＣ为核心，以各种丰富的库函数为基础，为仪器控制、自动测试和数据采集应用提供了一个功能强大的开发平台。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ应用程序的结构主要由四部分组成：①用户接口；②程序控制；③数据采集；④数据分析。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的强大功能主要依赖于它的各种库。对于用户接口，它提供了面板、菜单、按钮等用户接口库，使用户能够简单方便地作出程序界面。对于数据采集，它提供了仪器库、ＧＰＩＢ库、ＲＳ－２３２库、ＶＩＳＡ库以及ＶＸＩ库等，利用接口函数能够实现对各种仪器的灵活控制。对于数据分析，它提供了格式化Ｉ／Ｏ库、分析库以及高级分析库，能够快速地实现各种算法，还可以用用户接口库实现数据的各种表示。

２ ＲａｉｌＳＡＲ测控系统的实现

    ＲａｉｌＳＡＲ在轨道上做等间隔的步进运动，每步进一次，就要进行一次雷达回波测量和天线位置测量，将测量数据以文件形式存入硬盘，测量结束后进行数据的成像处理。ＲａｉｌＳＡＲ系统需要主机通过各种不同的接口，实现对不同仪器的控制：通过ＧＰＩＢ接口控制示波器，通过并口控制步进电机，通过串口控制经纬仪。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了丰富的接口函数，能够方便地实现这些控制。ＲａｉｌＳＡＲ数据处理最主要的特性是算法复杂、数据量大。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的分析库提供了许多用Ｃ语言编写的成熟的信号处理的函数，能够迅速地生成高效的数据处理的应用程序，达到ＲａｉｌＳＡＲ数据处理的要求。

２.１ 雷达数据录取

    ＲａｉｌＳＡＲ正交解调接收机输出的Ｉ、Ｑ两路信号，由数字存储示波器进行采集。ＲａｉｌＳＡＲ的脉冲重复频率为２ｋＨｚ，每个雷达回波的数据接近１ＭＢ，总数据量高达几百ＭＢ。所以ＲａｉｌＳＡＲ的数据录取具有高速、大容量的特点，要求主机通过高速接口将数据从示波器传输到主机的大容量硬盘。通过接口总线（ＧＰＩＢ）的高速数据传输能力能够满足ＲａｉｌＳＡＲ数据录取的要求。

    ＧＰＩＢ是控制器和可编程仪器之间通讯的一种总线协议，也称为ＩＥＥＥ ４８８标准，因为其使用简单，数据传输速率高，因而受到广泛地应用。ＧＰＩＢ的数据传输速率高达１ＭＢ／ｓ，新的标准已经将传输速率提高到了８ＭＢ／ｓ。主机通过ＧＰＩＢ接口总线和示波器连接，发送指令控制示波器的采集、传输和存储。

    ＲａｉｌＳＡＲ系统采用的是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卡及其驱动程序必须满足ＩＥＥＥ ４８８标准，最新版本的标准是ＩＥＥＥ ４８８．２。ＩＥＥＥ ４８８．２标准定义了ＧＰＩＢ仪器控制的通用命令及格式，例如读写命令ＩＢＲＤ和ＩＢＷＲＴ的参数个数及类型，而命令的具体内容则根据仪器的不同而不同，由仪器的生产厂家提供。 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了丰富的ＧＰＩＢ／ＧＰＩＢ ４８８．２库，包括打开和关闭设备、读写数据等函数面板，可以很方便地调用及输入参数。

２.２ 雷达运动控制

    为了获取比较好的成像结果，ＲａｉｌＳＡＲ要求天线平台做精确的等间隔直线运动。运动的直线性由轨道的平直度保证，等间隔运动由高精度的步进电机实现。步进电机的运动是由脉冲控制的，脉冲的宽度决定一个步长的大小，即一步所转动的角度，脉冲的频率决定转动的速度。步进电机驱动器有三根控制线：一根脉冲线，输出适当占空比和频率的矩形脉冲，控制步进的大小和频率；一根方向线，控制运动的方向是正向还是反向；还有一根脱机线，用来保护步进电机。

    主机选取并口的低３位信号线控制步进电机，并口地址为０ｘ３７８。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的Ｕｔｉｌｉｔｙ库提供了ＩＮＰ和ＯＵＴＰ两个函数，用于从端口读和向端口写一个字节。步进电机的方向线和脱机线都是通过电平控制的，通过置位和复位就能够实现方向和脱机控制。脉冲线的矩形脉冲则是通过重复置位和复位来实现的。由于脉冲频率为１ｋＨｚ，每一个脉冲高低电平的持续时间很短，只有０．５ｍｓ，使用常用延迟函数难以满足要求，所以我们采用了Ｆｏｒ循环来实现这种短时间延迟。步进电机对于启动、平稳运行和制动时的脉冲频率的要求是不同的，这就是步进电机的升降速曲线。在启动时，要求脉冲频率由低到高并逐步过渡到平稳运行时的固定频率；在制动时，也要求脉冲频率逐渐降低，直到停止。我们通过动态地改变Ｆｏｒ循环的终止条件，实现了步进电机的升降速曲线。

２.３ 雷达坐标测量

    理想的ＲａｉｌＳＡＲ运动是等间隔的直线运动。但是由于轨道平直度的误差以及等间隔运动的误差，ＲａｉｌＳＡＲ的实际运动总是偏离理想状况。运动误差直接影响着ＲａｉｌＳＡＲ回波的多普勒信号的相位和幅度，从而使脉冲压缩产生畸变，降低了ＲａｉｌＳＡＲ图像的质量，所以运动补偿是必不可少的。ＲａｉｌＳＡＲ采用经纬仪跟踪天线的运动，获得运动补偿的数据。

    经纬仪放置在轨道的一端，反射器安装在天线附近。经纬仪根据反射器二极管的可见光跟踪天线，通过测量发射和接收激光的时间计算斜矩，通过伺服系统在水平和垂直方向的转动确定水平和垂直角。经纬仪有本地和遥控两种控制方式，ＲａｉｌＳＡＲ采用后一种方式。主机通过串口和经纬仪通讯，发送指令和读取测量结果。

    ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的ＲＳ－２３２库提供了一整套通讯函数，能够很方便地实现主机和经纬仪的连接。为了保证控制的可靠性，经纬仪对于主机发送的每一条指令，都会有确认字来确认指令已经被正确接收或执行。主机首先发送持续时间１秒的Ｂｒｅａｋ命令来远程启动经纬仪，然后设置控制方式为遥控，测量模式为跟踪方式，搜索并锁定目标，使经纬仪跟踪雷达的运动。每步进一次，主机就发出测量命令，指示经纬仪测量雷达的水平角、垂直角和斜距，主机读取雷达坐标，存入数据文件。

２.４ 雷达数据处理

    ＲａｉｌＳＡＲ主机采用一台ＰＩＩ４００台式机，不仅要完成雷达运动控制、数据录取，还要担负数据处理的任务。ＲａｉｌＳＡＲ的数据处理主要分为４个部分：系统补偿、距离向脉冲压缩、运动补偿、方位向脉冲压缩或成像处理。ＲａｉｌＳＡＲ数据处理的算法复杂，数据量大，给数据处理带来了很大的难度。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的高级分析库提供了许多信号处理、矩阵运算、图像处理等方面的函数。这些函数都是已被证明了的成熟算法，就如Ｍａｔｌａｂ的工具包一样，能够帮助用户方便迅速地实现信号处理的算法。而且由于这些函数是用Ｃ语言编写的，执行效率比Ｍａｔｌａｂ要高许多倍。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的用户接口库提供的许多曲线和图像显示的函数，可以非常方便地将ＲａｉｌＳＡＲ结果显示出来。