摘 要: 本文詳細(xì)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(dá)測(cè)速上的應(yīng)用，并成功的研制了某型測(cè)速雷達(dá)采集與處理終端。 關(guān)鍵詞: 虛擬儀器 測(cè)速雷達(dá) 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(jiǎn)稱VI）技術(shù)創(chuàng)造了儀器儀表新概念，開(kāi)辟了測(cè)控技術(shù)的新紀(jì)元。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。依靠日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬儀器給用戶一個(gè)發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。設(shè)計(jì)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。虛擬儀器的用戶可自己設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，能方便的改變軟件來(lái)完成不同的測(cè)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(kāi)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(dòng)化應(yīng)用中要求更高的機(jī)械、電氣、軟件特性。為更適于工業(yè)應(yīng)用，PXI擴(kuò)充了CompactPCI規(guī)范，對(duì)提供優(yōu)異的機(jī)械完整性及易裝易卸的PCI硬件定義了堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)形式。PXI產(chǎn)品對(duì)工業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)、沖擊、溫度和濕度等環(huán)境性能試驗(yàn)提供了更高更細(xì)的要求。PXI在CompactPCI機(jī)械規(guī)范上增加了必須的測(cè)試環(huán)境和主動(dòng)冷卻。這樣以來(lái)，可以簡(jiǎn)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(dá)測(cè)速 　　測(cè)速雷達(dá)是采用多普勒效應(yīng)對(duì)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)速。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)之間存在相對(duì)速度時(shí)，接受到目標(biāo)回波信號(hào)的載頻相對(duì)與發(fā)射信號(hào)的載頻產(chǎn)生一個(gè)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(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)速度（m/s） 　　λ——-載波波長(zhǎng) 　　當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dá)只要能夠測(cè)量出回波信號(hào)的多普勒頻移便可計(jì)算出目標(biāo)的相對(duì)速度v[sub]r[/sub]。 3 基于虛擬儀器的雷達(dá)測(cè)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(dá)系統(tǒng)是連續(xù)波多普勒雷達(dá)，收發(fā)天線共用。天線及其控制系統(tǒng)主要作用時(shí)發(fā)射連續(xù)單頻的無(wú)線電磁波，同時(shí)跟蹤目標(biāo)，接收目標(biāo)反射的回波信號(hào)，通過(guò)環(huán)流器的隔離后，通過(guò)混頻器后輸出多普勒頻移信號(hào)，然后將多普勒頻移信號(hào)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(hào)頻率范圍（測(cè)速范圍）：2K～140K （30～2000m/s），輸出電壓幅度范圍：±10V，輸出信號(hào)帶寬：0-200KHz。觸發(fā)啟動(dòng)器輸出一個(gè)整形脈沖觸發(fā)信號(hào)。其輸出電平幅度：±5V，信號(hào)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(kāi)發(fā)出了各種各樣的數(shù)據(jù)采集模塊。有基于多種PC機(jī)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(shí)質(zhì)上是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展與延伸;PC-DAQ直接利用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，沒(méi)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(qiáng)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(guò)增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于進(jìn)行精確定時(shí)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(lái)滿足試驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求?；赑XI總線的數(shù)據(jù)采集模塊的最高同步采集頻率達(dá)10MS/s，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132Mb/s ，能很好地滿足現(xiàn)有測(cè)試項(xiàng)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(hào)輸入頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足采樣定理）;垂直精度：12位; 　　3.1.3 計(jì)算機(jī)控制模塊 　　采用 NI公司PXI-1000B機(jī)箱，擁有8個(gè)PXI插槽，零槽控制模塊采用PXI-PCI833X 。NI公司的PXI-PCI833X產(chǎn)品通過(guò)采用MXI-3技術(shù)，使得普通PC機(jī)可以通過(guò)透明的硬件和軟件連接，直接對(duì)PXI系統(tǒng)進(jìn)行控制。還可以使用PXI-8330和PXI-8335模塊完成多PXI機(jī)箱連接使用。MXI-3采用的是標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展方式。采用銅纜或光纖進(jìn)行連接至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可連接至網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)地測(cè)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(guò)不同的軟件來(lái)實(shí)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(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。在當(dāng)今信息時(shí)代，提高軟件編程效率的關(guān)鍵是采用面對(duì)對(duì)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(kāi)發(fā)時(shí)間和效率。我們不可能采用簡(jiǎn)單的編程方法去實(shí)現(xiàn)，而需要采用虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)去開(kāi)發(fā)自己的工程應(yīng)用軟件。常用的虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。其中NI公司的LabVIEW是一種實(shí)用的圖形化的軟件編程平臺(tái)。LabVIEW提供了大量的函數(shù)庫(kù)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(gè)儀器驅(qū)動(dòng)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(yùn)算函數(shù)、文件I/O函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)（包括信號(hào)處理、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等），函蓋了儀器設(shè)計(jì)中幾乎所有需要的函數(shù)。 　　在LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，并選擇具體應(yīng)用的、依附于軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具包對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)放式的全中文人機(jī)交互界面，參數(shù)選擇、裝定都在一個(gè)界面上，分窗口，可隨時(shí)選擇，避免原來(lái)那種層層下拉式的眾多復(fù)雜的界面，同時(shí)，系統(tǒng)支持各種方法的中文輸入，使用更靈活方便。 　　整個(gè)雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)（多譜勒信號(hào)）采集、數(shù)據(jù)FFT處理、數(shù)據(jù)文件管理四個(gè)模塊。 　　3.2.1系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊： 　　包括對(duì)測(cè)試試驗(yàn)任務(wù)的任務(wù)名稱、任務(wù)編號(hào)、測(cè)試時(shí)間、地點(diǎn)、相關(guān)的氣象諸元、目標(biāo)參數(shù)及天線位置坐標(biāo)的設(shè)置。 　　3.2.2數(shù)據(jù)采集： 　　測(cè)試實(shí)時(shí)采集，輸入試驗(yàn)測(cè)試條件、試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)（包括天線頻率、信號(hào)輸入量程等），并對(duì)測(cè)試所采用的數(shù)據(jù)通道、觸發(fā)電平脈沖、采樣時(shí)間（觸發(fā)采集、時(shí)間結(jié)束）、采樣頻率、采樣方式等進(jìn)行設(shè)置。對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí)自動(dòng)等待信號(hào)觸發(fā)并存儲(chǔ)原始采集的天線輸出的多譜勒信號(hào)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(yùn)算對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行變換的過(guò)程中，會(huì)引起“譜泄露”現(xiàn)象，加窗就是為了減小“譜泄露”的影響。對(duì)某個(gè)特定的信號(hào)，選擇一個(gè)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(qiáng)，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(duì)采集得到的原始多譜勒信號(hào)進(jìn)行FFT處理，設(shè)置合適的FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度（任意輸入），F(xiàn)FT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)（或速度測(cè)量點(diǎn)數(shù)）可任意輸入。顯示處理后的瀑布圖，同時(shí)可在瀑布圖上進(jìn)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(jì)算 　　對(duì)采集后進(jìn)行FFT計(jì)算的數(shù)據(jù)頻率點(diǎn)，顯示波形圖（功率瀑布圖、時(shí)域信號(hào)幅值圖），提供ZOOM功能和光標(biāo)與鼠標(biāo)的搜索功能，對(duì)異常數(shù)據(jù)能進(jìn)行剔除、數(shù)據(jù)平滑、功率譜分析、幅值譜分析、計(jì)算峰值頻率點(diǎn)打印輸出。利用公式vr=λfd/2計(jì)算顯示處理后的目標(biāo)“速度——-時(shí)間曲線”，目標(biāo)初速、徑向速度時(shí)間的數(shù)據(jù)波形。利用G. Math數(shù)學(xué)庫(kù)及HIQ提供的直線最小二乘擬合法對(duì)初速進(jìn)行計(jì)算、修正并顯示處理速度結(jié)果。 [align=center] 圖5 速度計(jì)算[/align] 　　3.2.3數(shù)據(jù)文件管理： 　　每次測(cè)試對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)文件，當(dāng)查看時(shí)，只要調(diào)出相應(yīng)文件名即可。對(duì)每次數(shù)據(jù)可自由選擇打印采集的原始多譜勒信號(hào)時(shí)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(gè)文件，進(jìn)行必要的組處理后，按規(guī)定的表格打印輸出。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　基于虛擬儀器的雷達(dá)測(cè)試技術(shù)在測(cè)量己微波領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)在LabVIEW平臺(tái)上開(kāi)發(fā)基于PXI平臺(tái)的雷達(dá)速度測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)基于虛擬儀器的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的內(nèi)容、方法和優(yōu)勢(shì)有了比較深入的認(rèn)識(shí)。我們開(kāi)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(jià)格比，在實(shí)踐中取得很好的效果。 參考文獻(xiàn)： 　　1.《雷達(dá)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. 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