摘 要: 本文詳細介紹了采用基于PXI體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器技術(shù)及其在雷達測速上的應(yīng)用，并成功的研制了某型測速雷達采集與處理終端。 關(guān)鍵詞: 虛擬儀器 測速雷達 PXI ABSTRACT This paper deals with a radar velocity measurement system based on PXI and virtual instruments, also we develop a terminal of data acquisition and processing of radar velocity measurement system . Key words virtual instruments, radar velocity measurement, PXI 1 引言 　　虛擬儀器（Virtual Instruments，以下簡稱VI）技術(shù)創(chuàng)造了儀器儀表新概念，開辟了測控技術(shù)的新紀元。虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。依靠日新月異的計算機技術(shù)，虛擬儀器給用戶一個發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。同傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點。虛擬儀器的用戶可自己設(shè)計和定義功能，滿足特殊的需要。與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器的關(guān)鍵在軟件實現(xiàn)，能方便的改變軟件來完成不同的測試需要。 　　PXI規(guī)范是NI公司1997年9月1日發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。PXI與CompactPCI完全兼容。PXI支持在工業(yè)儀器 、數(shù)據(jù)采集及工業(yè)自動化應(yīng)用中要求更高的機械、電氣、軟件特性。為更適于工業(yè)應(yīng)用，PXI擴充了CompactPCI規(guī)范，對提供優(yōu)異的機械完整性及易裝易卸的PCI硬件定義了堅固的結(jié)構(gòu)形式。PXI產(chǎn)品對工業(yè)環(huán)境中的振動、沖擊、溫度和濕度等環(huán)境性能試驗提供了更高更細的要求。PXI在CompactPCI機械規(guī)范上增加了必須的測試環(huán)境和主動冷卻。這樣以來，可以簡化系統(tǒng)集成并確保多供應(yīng)商產(chǎn)品的互操作性。 2 雷達測速 　　測速雷達是采用多普勒效應(yīng)對動目標進行測速。當目標與雷達之間存在相對速度時，接受到目標回波信號的載頻相對與發(fā)射信號的載頻產(chǎn)生一個頻移，即多普勒頻移，它的數(shù)值為： 　　f[sub]d[/sub]=2v[sub]r[/sub]/λ 　　其中：fd————-多普勒頻移（hz） 　　v[sub]r[/sub] ————雷達與目標間的相對速度（m/s） 　　λ——-載波波長 　　當目標向雷達運動時，v[sub]r[/sub] >0，回波載頻提高;反之v[sub]r[/sub] <0;回波載頻降低，雷達只要能夠測量出回波信號的多普勒頻移便可計算出目標的相對速度v[sub]r[/sub]。 3 基于虛擬儀器的雷達測速系統(tǒng)硬件組成 　　3.1系統(tǒng)的硬件組成框圖 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖[/align] 　　3.1.1天線及其控制系統(tǒng) 　　本文所采用的雷達系統(tǒng)是連續(xù)波多普勒雷達，收發(fā)天線共用。天線及其控制系統(tǒng)主要作用時發(fā)射連續(xù)單頻的無線電磁波，同時跟蹤目標，接收目標反射的回波信號，通過環(huán)流器的隔離后，通過混頻器后輸出多普勒頻移信號，然后將多普勒頻移信號輸入到PXI采集與處理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中采用的天線系統(tǒng)的多卜勒信號頻率范圍（測速范圍）：2K～140K （30～2000m/s），輸出電壓幅度范圍：±10V，輸出信號帶寬：0-200KHz。觸發(fā)啟動器輸出一個整形脈沖觸發(fā)信號。其輸出電平幅度：±5V，信號寬度為微秒極。 　　3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊 　　在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，各大儀器公司開發(fā)出了各種各樣的數(shù)據(jù)采集模塊。有基于多種PC機總線的PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡，也有基于VXI總線和PXI總線的各種數(shù)據(jù)采集模塊。但是，在GPIB、PC-DAQ和VXI三種VI體系結(jié)構(gòu)中，GPIB實質(zhì)上是通過計算機對傳統(tǒng)儀器功能的擴展與延伸;PC-DAQ直接利用了標準的工業(yè)計算機總線，沒有儀器所需要的總線性能;而第一次構(gòu)建VXI系統(tǒng)尚需較大的投資強度。PXI這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。它通過增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時鐘、用于進行精確定時的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通訊的局部總線來滿足試驗和測量用戶的要求。基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集模塊的最高同步采集頻率達10MS/s，數(shù)據(jù)傳輸率達132Mb/s ，能很好地滿足現(xiàn)有測試項目的所有要求。在這里，我們采用NI公司的PXI…6115數(shù)據(jù)采集模塊。其采樣頻率：同步采集最高10MS/s（大于10倍的信號輸入頻率，遠遠滿足采樣定理）;垂直精度：12位; 　　3.1.3 計算機控制模塊 　　采用 NI公司PXI-1000B機箱，擁有8個PXI插槽，零槽控制模塊采用PXI-PCI833X 。NI公司的PXI-PCI833X產(chǎn)品通過采用MXI-3技術(shù)，使得普通PC機可以通過透明的硬件和軟件連接，直接對PXI系統(tǒng)進行控制。還可以使用PXI-8330和PXI-8335模塊完成多PXI機箱連接使用。MXI-3采用的是標準PCI-PCI橋技術(shù)及1.5Gb/s高速串口連接，為PXI控制引入了更加快速方便的擴展方式。采用銅纜或光纖進行連接至計算機系統(tǒng)。通過計算機系統(tǒng)還可連接至網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)實現(xiàn)遠地測試 　　3.2軟件組成 　　在虛擬儀器中，其基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件來實現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。所以，提高軟件的編程效率也就成了一個非常現(xiàn)實的問題。在當今信息時代，提高軟件編程效率的關(guān)鍵是采用面對對象的編程技術(shù)。編 程軟件的選擇不僅影響系統(tǒng)的整體性能和功能，而且影響系統(tǒng)的開發(fā)時間和效率。我們不可能采用簡單的編程方法去實現(xiàn)，而需要采用虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺去開發(fā)自己的工程應(yīng)用軟件。常用的虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺主要有HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW和LabWINDOWS/CVI等幾種流行的軟件開發(fā)平臺。其中NI公司的LabVIEW是一種實用的圖形化的軟件編程平臺。LabVIEW提供了大量的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，從底層的VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集模塊的硬件控制程序到600多個儀器驅(qū)動程序程序，從基本的數(shù)字函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運算函數(shù)、文件I/O函數(shù)到高級分析庫（包括信號處理、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、曲線擬合等），函蓋了儀器設(shè)計中幾乎所有需要的函數(shù)。 　　在LabVIEW軟件開發(fā)平臺上，并選擇具體應(yīng)用的、依附于軟件平臺的開發(fā)工具包對測試系統(tǒng)進行圖形化軟件編程，這種編程功能模塊化，利于多種選擇，方便調(diào)試。軟件界面編為開放式的全中文人機交互界面，參數(shù)選擇、裝定都在一個界面上，分窗口，可隨時選擇，避免原來那種層層下拉式的眾多復(fù)雜的界面，同時，系統(tǒng)支持各種方法的中文輸入，使用更靈活方便。 　　整個雷達測試系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)試驗參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)（多譜勒信號）采集、數(shù)據(jù)FFT處理、數(shù)據(jù)文件管理四個模塊。 　　3.2.1系統(tǒng)試驗參數(shù)設(shè)置模塊： 　　包括對測試試驗任務(wù)的任務(wù)名稱、任務(wù)編號、測試時間、地點、相關(guān)的氣象諸元、目標參數(shù)及天線位置坐標的設(shè)置。 　　3.2.2數(shù)據(jù)采集： 　　測試實時采集，輸入試驗測試條件、試驗測試參數(shù)（包括天線頻率、信號輸入量程等），并對測試所采用的數(shù)據(jù)通道、觸發(fā)電平脈沖、采樣時間（觸發(fā)采集、時間結(jié)束）、采樣頻率、采樣方式等進行設(shè)置。對數(shù)據(jù)采集硬件模塊進行驅(qū)動。同時自動等待信號觸發(fā)并存儲原始采集的天線輸出的多譜勒信號及相關(guān)的各種參數(shù)信息。 [align=center] 圖3數(shù)據(jù)采集模塊[/align] 　　3.2.3數(shù)據(jù)處理： 　　3.2.3.1窗函數(shù)及 FFT譜分析 　　在用FFT運算對離散信號進行變換的過程中，會引起“譜泄露”現(xiàn)象，加窗就是為了減小“譜泄露”的影響。對某個特定的信號，選擇一個合適的窗函數(shù)并不是一件容易的事情。窗函數(shù)越寬，抑制雜波能力越強，越窄，分辨率越高。本軟件提供幾種常用窗函數(shù)精心選擇。 　　對采集得到的原始多譜勒信號進行FFT處理，設(shè)置合適的FFT運算數(shù)據(jù)段長度（任意輸入），F(xiàn)FT運算點數(shù)（或速度測量點數(shù)）可任意輸入。顯示處理后的瀑布圖，同時可在瀑布圖上進行特殊的帶通數(shù)字濾波（效果顯著）及FFT平滑操作，濾掉雜波噪聲干擾，并再顯示濾波及平滑后的功率譜瀑布圖。 [align=center] 圖4 FFT譜分析[/align] 　　3.2.3.2速度計算 　　對采集后進行FFT計算的數(shù)據(jù)頻率點，顯示波形圖（功率瀑布圖、時域信號幅值圖），提供ZOOM功能和光標與鼠標的搜索功能，對異常數(shù)據(jù)能進行剔除、數(shù)據(jù)平滑、功率譜分析、幅值譜分析、計算峰值頻率點打印輸出。利用公式vr=λfd/2計算顯示處理后的目標“速度——-時間曲線”，目標初速、徑向速度時間的數(shù)據(jù)波形。利用G. Math數(shù)學(xué)庫及HIQ提供的直線最小二乘擬合法對初速進行計算、修正并顯示處理速度結(jié)果。 [align=center] 圖5 速度計算[/align] 　　3.2.3數(shù)據(jù)文件管理： 　　每次測試對應(yīng)一個數(shù)據(jù)文件，當查看時，只要調(diào)出相應(yīng)文件名即可。對每次數(shù)據(jù)可自由選擇打印采集的原始多譜勒信號時域曲線、處理的功率瀑布圖曲線、處理的VR——-T曲線及VR——-T數(shù)據(jù)，每組速度數(shù)據(jù)可建立一個文件，進行必要的組處理后，按規(guī)定的表格打印輸出。 4 結(jié)束語 　　基于虛擬儀器的雷達測試技術(shù)在測量己微波領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過在LabVIEW平臺上開發(fā)基于PXI平臺的雷達速度測試系統(tǒng)，對基于虛擬儀器的雷達測量技術(shù)的內(nèi)容、方法和優(yōu)勢有了比較深入的認識。我們開發(fā)的虛擬儀器充分利用現(xiàn)有的技術(shù)資源，系統(tǒng)功能豐富，轉(zhuǎn)換靈活，具有很高的性能價格比，在實踐中取得很好的效果。 參考文獻： 　　1.《雷達原理》 丁鷺飛 耿富錄 西安電子科技大學(xué)出版社 　　2. G Programming Reference Manual NATIONAL INSTRUMENTS 　　3 .Data Acquisition Basics Manual NATIONAL INSTRUMENTS 　　4. Function and VI Reference Manual NATIONAL INSTRUMENTS 　　5.《虛擬儀器新產(chǎn)品與技術(shù)》 陜西海泰 　　6.《多普勒雷達導(dǎo)引頭信號處理技術(shù)》 高烽 國防工業(yè)出版社 　　7.《數(shù)字技術(shù)在雷達中的應(yīng)用》 戴樹蓀 國防工業(yè)出版社 　　8.The PXI System Architecture NATIONAL INSTRUMENTS