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。
參考文獻
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2 LabWindows/CVI Programmer Reference Manual.NationalInstruments
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