摘要：介紹了基于虛擬儀器的ＲａｉｌＳＡＲ測控系統(tǒng)的實現。該系統(tǒng)實現了對數字存儲示波器的數據錄取，經緯儀的坐標測量，步進電機的運動控制以及雷達數據的分析處理。

關鍵詞：虛擬儀器 ＲａｉｌＳＡＲ ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ

軌道合成孔徑雷達（ＲａｉｌＳＡＲ）是一個非常復雜的成像雷達系統(tǒng)，由功能不同的幾個子系統(tǒng)組成，包括雷達平臺的運動控制，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(tǒng)結構如圖１所示，其中步進電機實現雷達平臺的步進運動，數字存儲示波器完成雷達回波的數據錄取，經緯儀跟蹤測量雷達天線的３維坐標。ＲａｉｌＳＡＲ是一個自動化程度很高的測量系統(tǒng)，其通過計算機軟件，實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(tǒng)的概念來構造特定的測量系統(tǒng)是一個發(fā)展趨勢。虛擬儀器系統(tǒng)利用各種設備驅動程序和實用軟件包，能夠實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(tǒng)概念設計的ＲａｉｌＳＡＲ測控系統(tǒng)的實現過程。

１ 系統(tǒng)開發(fā)平臺

虛擬儀器系統(tǒng)是現代計算機技術和傳統(tǒng)儀器技術相結合的產物，它利用計算機強大的控制功能，通過軟件編程，將各種不同的儀器靈活地組合在一起，形成一個實現某種特定功能的系統(tǒng)。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的核心，特別是設備驅動程序構成了虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎。目前國內外使用較為廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺是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、自動測試和數據采集應用提供了一個功能強大的開發(fā)平臺。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ應用程序的結構主要由四部分組成：①用戶接口；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于它的各種庫。對于用戶接口，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，能夠快速地實現各種算法，還可以用用戶接口庫實現數據的各種表示。

２ ＲａｉｌＳＡＲ測控系統(tǒng)的實現

ＲａｉｌＳＡＲ在軌道上做等間隔的步進運動，每步進一次，就要進行一次雷達回波測量和天線位置測量，將測量數據以文件形式存入硬盤，測量結束后進行數據的成像處理。ＲａｉｌＳＡＲ系統(tǒng)需要主機通過各種不同的接口，實現對不同儀器的控制：通過ＧＰＩＢ接口控制示波器，通過并口控制步進電機，通過串口控制經緯儀。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了豐富的接口函數，能夠方便地實現這些控制。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語言編寫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

ＲａｉｌＳＡＲ正交解調接收機輸出的Ｉ、Ｑ兩路信號，由數字存儲示波器進行采集。ＲａｉｌＳＡＲ的脈沖重復頻率為２ｋＨｚ，每個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，要求主機通過高速接口將數據從示波器傳輸到主機的大容量硬盤。通過接口總線（ＧＰＩＢ）的高速數據傳輸能力能夠滿足ＲａｉｌＳＡＲ數據錄取的要求。

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標準，因為其使用簡單，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，新的標準已經將傳輸速率提高到了８ＭＢ／ｓ。主機通過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。

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卡及其驅動程序必須滿足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，例如讀寫命令ＩＢＲＤ和ＩＢＷＲＴ的參數個數及類型，而命令的具體內容則根據儀器的不同而不同，由儀器的生產廠家提供。 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了豐富的ＧＰＩＢ／ＧＰＩＢ ４８８．２庫，包括打開和關閉設備、讀寫數據等函數面板，可以很方便地調用及輸入參數。

２.２ 雷達運動控制

為了獲取比較好的成像結果，ＲａｉｌＳＡＲ要求天線平臺做精確的等間隔直線運動。運動的直線性由軌道的平直度保證，等間隔運動由高精度的步進電機實現。步進電機的運動是由脈沖控制的，脈沖的寬度決定一個步長的大小，即一步所轉動的角度，脈沖的頻率決定轉動的速度。步進電機驅動器有三根控制線：一根脈沖線，輸出適當占空比和頻率的矩形脈沖，控制步進的大小和頻率；一根方向線，控制運動的方向是正向還是反向；還有一根脫機線，用來保護步進電機。

主機選取并口的低３位信號線控制步進電機，并口地址為０ｘ３７８。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的Ｕｔｉｌｉｔｙ庫提供了ＩＮＰ和ＯＵＴＰ兩個函數，用于從端口讀和向端口寫一個字節(jié)。步進電機的方向線和脫機線都是通過電平控制的，通過置位和復位就能夠實現方向和脫機控制。脈沖線的矩形脈沖則是通過重復置位和復位來實現的。由于脈沖頻率為１ｋＨｚ，每一個脈沖高低電平的持續(xù)時間很短，只有０．５ｍｓ，使用常用延遲函數難以滿足要求，所以我們采用了Ｆｏｒ循環(huán)來實現這種短時間延遲。步進電機對于啟動、平穩(wěn)運行和制動時的脈沖頻率的要求是不同的，這就是步進電機的升降速曲線。在啟動時，要求脈沖頻率由低到高并逐步過渡到平穩(wěn)運行時的固定頻率；在制動時，也要求脈沖頻率逐漸降低，直到停止。我們通過動態(tài)地改變Ｆｏｒ循環(huán)的終止條件，實現了步進電機的升降速曲線。

２.３ 雷達坐標測量

理想的ＲａｉｌＳＡＲ運動是等間隔的直線運動。但是由于軌道平直度的誤差以及等間隔運動的誤差，ＲａｉｌＳＡＲ的實際運動總是偏離理想狀況。運動誤差直接影響著ＲａｉｌＳＡＲ回波的多普勒信號的相位和幅度，從而使脈沖壓縮產生畸變，降低了ＲａｉｌＳＡＲ圖像的質量，所以運動補償是必不可少的。ＲａｉｌＳＡＲ采用經緯儀跟蹤天線的運動，獲得運動補償的數據。

經緯儀放置在軌道的一端，反射器安裝在天線附近。經緯儀根據反射器二極管的可見光跟蹤天線，通過測量發(fā)射和接收激光的時間計算斜矩，通過伺服系統(tǒng)在水平和垂直方向的轉動確定水平和垂直角。經緯儀有本地和遙控兩種控制方式，ＲａｉｌＳＡＲ采用后一種方式。主機通過串口和經緯儀通訊，發(fā)送指令和讀取測量結果。

ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的ＲＳ－２３２庫提供了一整套通訊函數，能夠很方便地實現主機和經緯儀的連接。為了保證控制的可靠性，經緯儀對于主機發(fā)送的每一條指令，都會有確認字來確認指令已經被正確接收或執(zhí)行。主機首先發(fā)送持續(xù)時間１秒的Ｂｒｅａｋ命令來遠程啟動經緯儀，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，使經緯儀跟蹤雷達的運動。每步進一次，主機就發(fā)出測量命令，指示經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

ＲａｉｌＳＡＲ主機采用一臺ＰＩＩ４００臺式機，不僅要完成雷達運動控制、數據錄取，還要擔負數據處理的任務。ＲａｉｌＳＡＲ的數據處理主要分為４個部分：系統(tǒng)補償、距離向脈沖壓縮、運動補償、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，能夠幫助用戶方便迅速地實現信號處理的算法。而且由于這些函數是用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，可以非常方便地將ＲａｉｌＳＡＲ結果顯示出來。

虛擬儀器系統(tǒng)是現代測控技術的發(fā)展方向，它通過計算機軟件，能夠對測量儀器自由組合，實現用戶特定的測量任務。ＲａｉｌＳＡＲ是一個復雜的測控系統(tǒng)，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(tǒng)的概念，開發(fā)了ＲａｉｌＳＡＲ的測控軟件系統(tǒng)，實現了ＲａｉｌＳＡＲ的測量要求。