摘 要： 介紹了基于虛擬儀器的RailSAR測控系統的實現。該系統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，由功能不同的幾個子系統組成，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，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。
利用虛擬儀器系統的概念來構造特定的測量系統是一個發展趨勢。虛擬儀器系統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概念設計的RailSAR測控系統的實現過程。
1 系統開發平臺
虛擬儀器系統是現代計算機技術和傳統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。軟件是虛擬儀器系統的核心，特別是設備驅動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發平臺是NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI，RailSAR系統使用的是LabWindows/CVI。
LabWindows/CVI是一種面向對象的可視化編程環境，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，發送指令控制示波器的采集、傳輸和存儲。
RailSAR系統采用的是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。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循環來實現這種短時間延遲。步進電機對于啟動、平穩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。我們通過動態地改變For循環的終止條件，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，通過測量發射和接收激光的時間計算斜矩，通過伺服系統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行。主機首先發送持續時間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。
虛擬儀器系統是現代測控技術的發展方向，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，需要各種儀器協調工作，完成特殊的測量要求。本文利用虛擬儀器系統的概念，開發了RailSAR的測控軟件系統，實現了RailSAR的測量要求。
參考文獻
1 Getting Started with LabWindows/CVI.National Instruments
2 LabWindows/CVI Programmer Reference Manual.NationalInstruments
3 LabWindows/CVI User Manual.National Instruments
4 Chris.Pappas著，希望圖書創作室譯.Visual C++5參考大全.北京：中國輕工業出版社,1998
5 Winn L.Rosch著，李增民等譯.微機硬件使用與維護手冊.北京：科學出版社，1995