鄧萬紅

中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì) 98分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000

導(dǎo)航雷達(dá)作為艦船關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作狀態(tài)和回波信號(hào)的正常與否對(duì)艦船的航行安全有著舉足輕重的影響。除目標(biāo)信息外，雷達(dá)回波信號(hào)還包含著大量豐富的遙感信息，作為后續(xù)信息提取和分析工作的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)精確地采集雷達(dá)回波信號(hào)顯得尤為重要[1-2]。虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能結(jié)合相應(yīng)的軟件，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送和存儲(chǔ)等方面的限制，給儀器儀表領(lǐng)域帶來了革命性的變化[3-4]。將虛擬儀器技術(shù)與面向儀器系統(tǒng)的 PCI擴(kuò)展(PCI extensions for instrumentation,PXI)技術(shù)相結(jié)合，不僅提高了系統(tǒng)的性能以及應(yīng)用的靈活性，同時(shí)也保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[5]。

本文基于虛擬儀器和 PXI技術(shù)構(gòu)建了導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)，集導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)采集、同步顯示、雷達(dá)工作狀態(tài)監(jiān)視、雷達(dá)圖像存儲(chǔ)及回放等多種功能于一體，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航雷達(dá)回波模擬視頻信號(hào)和多路同步信號(hào)的實(shí)時(shí)高速采集、存儲(chǔ)和圖像的實(shí)時(shí)回放。該系統(tǒng)在東海臺(tái)灣海峽某海區(qū)的雷達(dá)監(jiān)測(cè)岸基實(shí)驗(yàn)取得了很好的效果。

1 基于PXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，在智能化、處理能力、性價(jià)比和可操作性等方面均比傳統(tǒng)儀器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)際科研需求，本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集器前端使用的是古野公司出品的1942MK2型導(dǎo)航雷達(dá)，涉及視頻回波處理的模擬輸出信號(hào)共有4路，其中1路為視頻模擬量（電平在1.5～4 V之間），3路為開關(guān)量（分別是船首、方位增量和觸發(fā)信號(hào)，電平均為CMOS），分析這4路信號(hào)的時(shí)序特性可知，觸發(fā)信號(hào)可直接作為A/D采集的同步脈沖，而其他3路信號(hào)需要同步進(jìn)行采集，即需要同步采集1路模擬量和2路開關(guān)量信號(hào)?；趯?dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集器的功能需要，模擬視頻信號(hào)的采樣頻率不低于20 MHz，A/D采樣分辨率不低于12位，雷達(dá)視頻圖像距離不低于4 500 m，通過對(duì)市面上幾款常見高速A/D采集卡進(jìn)行功能性能對(duì)比分析，最終選擇了凌華公司出品的PXI9820采集卡。該卡具有14位高分辨率、2通道同步最大65 MS/s采樣頻率特點(diǎn)，適用于高端的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，模擬輸入的范圍可由軟件選擇，提供-1～1 V或是-5～5 V兩種范圍，與導(dǎo)航雷達(dá)視頻信號(hào)電平特性可直接匹配。PXI-9820在觸發(fā)數(shù)據(jù)采集方面提供多樣的選擇，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊同步采集的功能，特別是提供了2組與ADC有相同時(shí)鐘的同步取樣數(shù)字輸入，非常適用于混合信號(hào)（模擬加數(shù)字信號(hào)）的采集，與本項(xiàng)目的需求直接匹配。由于 PXI-9820的觸發(fā)信號(hào)和2路開關(guān)量輸入端電平均為TTL，和古野1942MK2導(dǎo)航雷達(dá)的CMOS開關(guān)量輸出電平不能直接匹配，因此在其間加入了信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。雷達(dá)單元產(chǎn)生的船艏信號(hào)、方位信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理模塊預(yù)處理后，同雷達(dá)回波信號(hào)一起作為A/D采集卡的輸入信號(hào)。對(duì)于觸發(fā)信號(hào)只是加簡(jiǎn)單的幅值變換，將方位信號(hào)和船首信號(hào)變換到A/D采樣要求的電平。A/D變換器對(duì)輸入信號(hào)的幅值有一定的要求，因此在原始雷達(dá)視頻信號(hào)在送人A/D變換器之前要進(jìn)行幅值的反向變換，使得雷達(dá)視頻信號(hào)變成正視頻信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于PXI技術(shù)的工控機(jī)箱，A/D采集卡，PXI總線系統(tǒng)控制器和采集系統(tǒng)軟件構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集卡采用ADLINK PXI-9820，采集系統(tǒng)基于PXIS-2508型PXI總線工控機(jī)平臺(tái)和PXI-3950型PXI總線控制器（主板）構(gòu)建。系統(tǒng)由PXI總線控制器控制采樣系統(tǒng)運(yùn)行[6-7]。由于PXI來源于PCI，使得系統(tǒng)后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)可以采用通用性強(qiáng)的主流軟件模型，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性[8]。

數(shù)據(jù)采樣信號(hào)包括產(chǎn)生于雷達(dá)天線齒輪箱的脈沖量船艏信號(hào)和方位信號(hào)，以及來自雷達(dá)收發(fā)機(jī)的雷達(dá)視頻回波信號(hào)。采樣系統(tǒng)以雷達(dá)收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖作為啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的外部控制信號(hào)，通過船首和方位信號(hào)確定采樣數(shù)據(jù)方位向成像位置，根據(jù)回波信號(hào)時(shí)間先后順序確認(rèn)距離向位置[9-10]。導(dǎo)航雷達(dá)的四路輸出信號(hào)通過調(diào)理電路模塊接入PXI9820數(shù)據(jù)采集卡，基于VC++6.0編程完成雷達(dá)回波數(shù)據(jù)采集及其處理。

根據(jù)實(shí)際科研需求設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

目前主要的虛擬儀器的開發(fā)軟件有 Visual C++、Labview等，Visual C++是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具，在數(shù)據(jù)處理方面具有比Labview無可比擬的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求，基于Visual C++6.0設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括雷達(dá)信號(hào)監(jiān)視、回波信號(hào)采集與實(shí)時(shí)回放、采集數(shù)據(jù)預(yù)處理、采樣數(shù)據(jù)成像處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能模塊。

圖2 雷達(dá)信號(hào)采集器軟件結(jié)構(gòu)

利用Visual C++6.0設(shè)計(jì)了多路雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)的軟面板，繪制了雷達(dá)圖像顯示界面，并對(duì)雷達(dá)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在輸出參數(shù)組合框中根據(jù)實(shí)測(cè)的觸發(fā)頻率、船首周期、方位個(gè)數(shù)監(jiān)視雷達(dá)的工作狀態(tài)，對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷雷達(dá)工作狀態(tài)是否正常。

根據(jù)用戶實(shí)際需求可以在軟面板上進(jìn)行采樣參數(shù)配置，可針對(duì)不同型號(hào)的導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行參數(shù)配置，有較好的通用性，同時(shí)可以在參數(shù)配置對(duì)話框中選擇對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。點(diǎn)擊開始可對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)顯示，并且通過軟件設(shè)計(jì)的GUI界面顯示圖像相關(guān)參數(shù)，如當(dāng)前掃描方位角，采樣距離和其他采樣參數(shù)信息，如圖3所示。

圖3 雷達(dá)信號(hào)采集器軟件顯示主界面

在同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)圖像時(shí)，當(dāng)雷達(dá)工作在短脈沖時(shí)，每幅圖像有 5000多根線，每根線600個(gè)點(diǎn)，往往來不及同時(shí)處理，對(duì)此可以在主界面上設(shè)置線數(shù)之間的角度間隔，減少畫圖線數(shù)，這樣即可以滿足實(shí)時(shí)顯示和圖像存儲(chǔ)，也不影響雷達(dá)圖像觀測(cè)效果。

為便于觀測(cè)分析，設(shè)計(jì)了以不同顯示方式對(duì)采樣數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行顯示的功能，包括偽彩、黑白、彩色等3種顯示模式，也可以設(shè)置雷達(dá)圖像顯示范圍，包括0.75、1.5、2.4海里等3級(jí)最大顯示距離，如圖4所示。

圖4 雷達(dá)回波信號(hào)顯示方式

為保證獲取回波圖像的連續(xù)性，需采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)，但由于采樣獲取的數(shù)據(jù)圖像文件較大，同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集和圖像顯示比較困難。在此利用9820采集卡的緩存機(jī)制和VC++雙線程編程，一個(gè)線程用于進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，將采集到得數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；另一個(gè)線程用于從緩存中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示刷新，并在采集完一幅完整的圖像后進(jìn)行存儲(chǔ)處理，待文件存儲(chǔ)完畢，再迅速?gòu)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存中讀出采集到的數(shù)據(jù)用于刷新顯示，由此獲取了一組連續(xù)完整的雷達(dá)回波圖像序列。

X波段航海雷達(dá)采集的雷達(dá)圖像中包含大量的噪聲，這些噪聲的存在將降低雷達(dá)圖像的質(zhì)量，影響對(duì)海浪信息的提取。為了便于后續(xù)處理，將采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，濾除雷達(dá)回波圖像中的噪聲，如同頻干擾、雨雪噪聲、固定物等，這樣大大減少了后續(xù)處理時(shí)間。

3 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本文分析設(shè)計(jì)了基于PXI技術(shù)的導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)采樣方案，實(shí)現(xiàn)了基于PXI技術(shù)的硬件平臺(tái)，利用Visual C++在Windows系統(tǒng)下編制了采集軟件?；赪indows操作系統(tǒng)，采用多線程機(jī)制，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)采樣回放和圖像提取分析軟件，實(shí)現(xiàn)了PXI平臺(tái)下導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)的完整功能。對(duì)于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵問題，文中給出了合理的解決方案。通過采樣實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的有效數(shù)據(jù)，證實(shí)了采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功效。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 信號(hào)調(diào)理與多通道同步采集

由于導(dǎo)航雷達(dá)的成像特點(diǎn)，為保證采樣數(shù)據(jù)成像的準(zhǔn)確定位，需要采集系統(tǒng)在外觸發(fā)的條件下，同時(shí)采集視頻回波信號(hào)、船首信號(hào)和方位信號(hào)?？紤]到導(dǎo)航雷達(dá)的實(shí)際輸出信號(hào)并不符合采集卡對(duì)輸入的要求，在兩者之間加入信號(hào)調(diào)理模塊。信號(hào)調(diào)理模塊的主要功能是在保證各信號(hào)之間同步性的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)的觸發(fā)脈沖、船首信號(hào)和方位信號(hào)調(diào)整幅值，并進(jìn)行整形濾波，使之滿足采集卡的輸入要求。對(duì)于多路信號(hào)的同步采集，利用采集卡自身的數(shù)字量采樣通道采集船首和方位信號(hào)。由于數(shù)字量采集通道與模擬量采集通道采樣同步，將采集到的船首和方位信號(hào)存儲(chǔ)在高2位，視頻信號(hào)存儲(chǔ)在低 14位，減少了對(duì)船首信號(hào)和方位信號(hào)的單獨(dú)存儲(chǔ)，降低了存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。

3.1.2 板卡緩存設(shè)置系統(tǒng)

當(dāng)采樣參數(shù)設(shè)為60 MS/s采樣速率，雙通道同時(shí)采集時(shí)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量為228.9 MB/s。根據(jù)實(shí)際需求，要求采樣過程必須滿足連續(xù)采集32幅以上雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)。由此得到的一次采樣過程所獲得的數(shù)據(jù)量將達(dá)到600 MB。在高速數(shù)據(jù)采集情況下，即使采用大容量緩存仍不能滿足要求。解決此問題，可采用同步記錄的方法。設(shè)置板卡緩存空間大小，使之滿足采樣數(shù)據(jù)寫滿緩存的時(shí)間小于緩存數(shù)據(jù)DMA傳輸時(shí)間與后續(xù)數(shù)據(jù)操作時(shí)間之和。通過此方法避免內(nèi)存中前一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)尚未處理完畢，下一次的采樣的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸?shù)?，造成?shí)時(shí)顯示的圖像不完整或存盤文件的數(shù)據(jù)缺失。

3.1.3 可靠性

導(dǎo)航雷達(dá)的工作環(huán)境要求系統(tǒng)具有較高的可靠性，在設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了基于PXI技術(shù)的硬件平臺(tái)。PXI技術(shù)結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，使之適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的應(yīng)用。

3.1.4 多線程技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，基于Windows操作系統(tǒng)，采用多線程機(jī)制。一個(gè)線程專門負(fù)責(zé)讀取AD數(shù)據(jù)，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)存儲(chǔ)或處理；通過開辟全局緩存來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)線程數(shù)據(jù)共享，通過事件來實(shí)現(xiàn)線程同步。

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2013年 8月起以此設(shè)備在國(guó)家海洋局福建平潭海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站一直在開展海上科研實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)信源采用1942MK2型導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)圖像采集，雷達(dá)參數(shù)如表1所示，期間采集到大量雷達(dá)海面回波圖像序列。測(cè)試區(qū)域海深約為20 m，雷達(dá)距離海平面高度為 45 m，雷達(dá)圖像無遮擋范圍為船首向～，船首方向?yàn)榈乩碜鴺?biāo)系的正東向。

表1 X-波段導(dǎo)航雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

圖5給出了2013年9月18日獲取的導(dǎo)航雷達(dá)海面回波極坐標(biāo)圖像序列。測(cè)量時(shí)風(fēng)向，風(fēng)速16.4 m/s。極坐標(biāo)圖像為雷達(dá)的海面回波區(qū)域。極坐標(biāo)30°～180°為雷達(dá)的海面回波圖像區(qū)域，其他區(qū)域是由于海岸等遮擋形成的雷達(dá)盲區(qū)。通過圖5給出的一組雷達(dá)圖像序列可以看出，由海表面區(qū)域散射的雷達(dá)回波受海面波浪的調(diào)制，其強(qiáng)度反映在圖像上表現(xiàn)出類似于波浪的明暗條紋變化。海面回波區(qū)域中的明亮條紋可以認(rèn)為是由海浪波峰散射的雷達(dá)回波，暗條紋可以認(rèn)為是海浪波谷，與預(yù)期的采樣結(jié)果相符。由此表明本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集與處理功能。

圖5 雷達(dá)回波信號(hào)圖像序列

4 系統(tǒng)運(yùn)行與結(jié)論

從實(shí)現(xiàn)虛擬儀器功能的角度出發(fā)，虛擬儀器開發(fā)環(huán)境需具備如下特點(diǎn)：編程簡(jiǎn)單、易于理解和修改；具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)能力，易于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的儀器面板;具有數(shù)據(jù)可視化分析能力，提供豐富的儀器和總線接口硬件驅(qū)動(dòng)程序。

利用PXI硬件構(gòu)建了高效可靠的雷達(dá)信號(hào)采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了模擬量和數(shù)字量多路信號(hào)的混合采集?；赪indows操作系統(tǒng)，采用多線程機(jī)制，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)采樣回放和圖像提取分析軟件，實(shí)現(xiàn)了PXI平臺(tái)下導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)的完整功能。

導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器不但可以作為雷達(dá)的信號(hào)同步調(diào)試和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄儀，還可以用于其他多路信號(hào)分析和基于PXI技術(shù)的采集等方面，充分實(shí)現(xiàn)了同一設(shè)備的多功能復(fù)用，很好地控制了項(xiàng)目成本；同時(shí)，采用PXI技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，精簡(jiǎn)了整個(gè)系統(tǒng)，減小了系統(tǒng)的體積空間，使儀器工作方式配置靈活，擴(kuò)展方便，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)地工作提供了有力保障。

[1]SKOLNIK M I. 雷達(dá)手冊(cè)[M]. 王軍, 林強(qiáng), 米慈中, 等譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006: 504-505.

[2]呂浩然, 孫凱. 虛擬儀器在雷達(dá)測(cè)試方面的應(yīng)用[J]. 電子科技, 2013(7): 87-90.

[3]高占鳳, 杜顏亮, 蘇木標(biāo), 等. 基于虛擬儀器的橋梁遠(yuǎn)程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27(10):1361v1364.

[4]盧劍其, 趙擁軍, 黨同心. 虛擬儀器技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào): 增刊, 2005, 26(8):258-261.

[5]劉洪. PXI技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 測(cè)控技術(shù), 2006, 25(6):51-53.

[6]王福友, 袁贛南, 盧志忠, 等. 基 PXI-9820對(duì)海浪雷達(dá)回波采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 海洋測(cè)繪, 2008, 28(2):52-56.

[7]孫堯, 王立寧, 盧志忠. 導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與回放[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2009, 25(6): 36-39.

[8]劉肇斌, 陳護(hù)勛. PXI總線及其應(yīng)用綜述[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2002, 5(2): 33-35.

[9]馬烈. 小型船用導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航，2013, 4(2):125-128.

[10]羅來金, 曾連蓀, 夏念. 航海雷達(dá)數(shù)據(jù)高速采集回放設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2011(7): 46-48.