張延波, 王忠民, 徐文青 , 楊秀蔚

(1.山東金睛銳達(dá)電子科技有限公司， 山東 濟(jì)南 250101；

2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所， 山東 濟(jì)南 250014)

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基于9223模塊超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張延波1,2, 王忠民2, 徐文青2, 楊秀蔚2

(1.山東金睛銳達(dá)電子科技有限公司， 山東 濟(jì)南 250101；

2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所， 山東 濟(jì)南 250014)

摘要：針對(duì)超寬帶探測(cè)雷達(dá)回波的采集要求，設(shè)計(jì)了一種基于9223采集模塊的回波信號(hào)中頻信號(hào)采集系統(tǒng).該系統(tǒng)將穿墻雷達(dá)回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理獲取可直接采樣的中頻信號(hào)，由計(jì)算機(jī)控制9223采集模塊完成了四通道回波信號(hào)同步采集并經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至計(jì)算機(jī)；依據(jù)數(shù)據(jù)采樣流程，系統(tǒng)給出了混凝土墻體(墻體厚度12cm)后面1米處、2米處目標(biāo)回波信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)有效避免了超寬帶穿墻雷達(dá)直接采樣的實(shí)施難度，回波信號(hào)能有效分辨目標(biāo)對(duì)應(yīng)峰值，滿(mǎn)足了超寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求.

關(guān)鍵詞：超寬帶雷達(dá)； 回波信號(hào)； 中頻采樣； 9233模塊； 實(shí)時(shí)采集

超寬帶探測(cè)成像雷達(dá)是一種新型高科技反恐技術(shù)裝備，具有極高分辨率，穿透性強(qiáng)、多徑干擾小等優(yōu)點(diǎn)，能夠探測(cè)識(shí)別被障礙物遮擋的目標(biāo)，主要用于反恐防暴斗爭(zhēng)中對(duì)未知建筑物內(nèi)犯罪分子的搜尋定位，同時(shí)也可用于地震、塌方、火災(zāi)等重大災(zāi)害的人員救援[1-3].

回波信號(hào)的采集是超寬帶探測(cè)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、探測(cè)成像的前提與基礎(chǔ)，超寬帶雷達(dá)具有GHZ級(jí)別的信號(hào)帶寬，受限于采樣器件的水平與處理性能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波信號(hào)的直接采樣具有很大難度[4-6].目前，超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)大多采用的是將回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理獲取中頻信號(hào)，回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲包含在中頻信號(hào)的頻譜中，直接采樣后的中頻信號(hào)能準(zhǔn)確記錄目標(biāo)回波的時(shí)延信息，保持了信號(hào)相位的相參性[7].傳統(tǒng)的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)采集方式多是基于ISA 、PCI總線設(shè)計(jì)的，在帶寬、實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)容量及傳輸速率方面受到限制，本文設(shè)計(jì)了一種基于9223采集模塊的以太網(wǎng)數(shù)傳采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了回波信號(hào)實(shí)時(shí)同步高速采集、傳輸、存儲(chǔ)分析系統(tǒng).

1超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中采用4個(gè)小型接收天線接收超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后與系統(tǒng)提供的本振信號(hào)進(jìn)行混頻獲取中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至計(jì)算機(jī).系統(tǒng)僅對(duì)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行直接采樣、處理，避免了寬頻、高頻高速采樣的限制，降低了雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集的難度[8].系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)組成框圖

其中，計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口與機(jī)箱相連(機(jī)箱用NI 公司的CompactDAQ-9188系列)，機(jī)箱cDAQ-9188有8個(gè)插槽，在任意插槽上插有數(shù)據(jù)采集模塊 9223，9223模塊的CH1，Cp，Cp，Cp 4個(gè)輸入通道通過(guò)同軸電纜與4個(gè)混頻器的輸出端連接.

計(jì)算機(jī)及其控制軟件是系統(tǒng)的控制核心，控制采集模塊完成四個(gè)通道的回波信號(hào)同步自動(dòng)采集、采集數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將接收的數(shù)據(jù)按照不同通道進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行濾波分析、處理.

1.2采集模塊

本文中的選用的9223是NI公司C系列采集模塊，是一款16位同步模擬輸入模塊，有4個(gè)差分的模擬輸入通道，特別注意的是該模塊只能工作在CompactDAQ或CompactRIO機(jī)箱中，具有軟件觸發(fā)、模擬觸發(fā)與數(shù)字觸發(fā)等多種觸發(fā)模式，有效的保證了多個(gè)通道數(shù)據(jù)采集的同步性.NI提供了采集模塊的API函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了模塊底層I/O的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)，支持VC、VB、Labview等可視化開(kāi)發(fā)工具的二次開(kāi)發(fā)，為應(yīng)用該模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供了極大便利.9223模塊的性能參數(shù)如表1所示，其參數(shù)滿(mǎn)足了雷達(dá)回波中頻信號(hào)直接采樣的的性能需求.

表19223模塊性能參數(shù)

型號(hào)總線輸入范圍/V最大采樣率/MS·s-1分辨率精度/%最小輸入范圍/mV9223以太網(wǎng),USB±10.0116位±0.10.1

2回波信號(hào)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

Visual C++作為目前流行的可視化編程工具，支持面向?qū)ο蠛褪录?qū)動(dòng)機(jī)制的程序開(kāi)發(fā)[9]，開(kāi)發(fā)者可利用該開(kāi)發(fā)工具通過(guò)調(diào)用NI提供API函數(shù)，控制數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的單次或連續(xù)采集功能.

2.1回波信號(hào)實(shí)時(shí)采集設(shè)計(jì)

在采集目標(biāo)回波信號(hào)之前，首先要在計(jì)算機(jī)上安裝硬件驅(qū)動(dòng)程序NI-DAQmx，安裝驅(qū)動(dòng)之后，計(jì)算機(jī)識(shí)別數(shù)據(jù)采集設(shè)備，API庫(kù)函數(shù)才能被編譯調(diào)用.安裝完畢后重啟計(jì)算機(jī)然后啟動(dòng)DAQ配置軟件，設(shè)定機(jī)箱的IP地址，配置NI9223模塊.

數(shù)據(jù)采集模塊操作大致由設(shè)備查找，模塊初始化、觸發(fā)指令、讀取數(shù)據(jù)、緩沖釋放等步驟組成，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)流程如圖2所示.

圖2　采集數(shù)據(jù)流程圖

2.2實(shí)時(shí)采集程序

實(shí)時(shí)采集程序主要是調(diào)用9223API函數(shù)庫(kù)中的設(shè)置函數(shù)，觸發(fā)函數(shù)以及讀數(shù)據(jù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的讀取數(shù)據(jù)操作.限于篇幅，本文僅給出采集程序的核心代碼.

TaskHandletaskHandle；//定義任務(wù)句柄

intlength；//采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

floattempdata[length*4];//4個(gè)通道數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

if(DAQmxCreateTask("",&taskHandle)==0)//

{if(DAQmxCreateAIVoltageChan(taskHandle,"/cDAQ9188-17411B8Mod1/ai0:3","",DAQmx_Val_Cfg_Default,MinV,MaxV,DAQmx_Val_Volts,NULL)==0) //創(chuàng)建模擬電壓輸入通道

{ if(DAQmxCfgDigEdgeStartTrig(taskHandle,"/cDAQ9188-17411B8/PFI0",DAQmx_Val_Rising)==0)//外部數(shù)字觸發(fā)

{

if(DAQmxReadAnalogF64(taskHandle,2500,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,tempdata,length*4,&lengtn,NULL)==0)//讀取4通道數(shù)據(jù)

{

………..；//處理所采集數(shù)據(jù)

}

else

{

return;

}

}

else

{

return;

}

}

else

{return;

}

}

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3、圖4為超寬帶雷達(dá)探測(cè)混凝土墻體(墻體厚度12cm)后面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集參數(shù)為采樣率25KS/s，量程±1V，采樣點(diǎn)數(shù)2500點(diǎn).

圖3　1m處回波信號(hào)

圖4　2m處回波信號(hào)

圖3、圖4顯示了墻體后面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置信息，其中，圖3為墻體后1m處第一通道回波數(shù)據(jù)，圖4為墻體后2m處第一通道回波數(shù)據(jù)，圖中縱坐標(biāo)為回波信號(hào)的電壓幅值，采集系統(tǒng)可檢測(cè)出微弱信號(hào)，能有效分辨0.1mV信號(hào)；圖3、圖4回波信號(hào)的峰值對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)間軸，說(shuō)明了墻體后運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的不同位置，采集的回波信號(hào)滿(mǎn)足了中頻采樣設(shè)計(jì)需求，為非實(shí)時(shí)成像算法驗(yàn)證提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

3結(jié)束語(yǔ)

基于9223數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最高采樣率1MS/s，四通道實(shí)時(shí)、同步采集雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)，計(jì)算機(jī)同時(shí)將信號(hào)進(jìn)行處理、存儲(chǔ).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷，運(yùn)行穩(wěn)定，信號(hào)采集精度高，傳輸速率快，滿(mǎn)足了雷達(dá)系統(tǒng)中頻信號(hào)的采集要求，為超寬帶雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)成像前期算法驗(yàn)證及后期的實(shí)時(shí)探測(cè)成像提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有較好的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)：

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(編輯：姚佳良)

Design and implementation of the real-time acquisition system of ultra-wide band radar echo signal based on 9223

ZHANG Yan-bo1,2, WANG Zhong-min2, XU Wen-qing2, YANG Xiu-wei2

(1.Shandong Smarview Electronic Technology Company Limited, Ji′nan 250014, China;2.Institute of Automation Shandong Academy of Sciences, Ji′nan 250014, China)

Abstract:According to the acquisition requirements of the ultra-wide band radar echo signal ,this paper introduces on IF echo signal acquisition system based on the 9223.Firstly,this system obtains IF echo signal through the mixing processing of the radar echo signal and the local oscillator signal.Secondly,the 9223 acquisition module completes the four channel signal synchronous acquisition and the acquisition data is transmitted to computer by ethernet.Lastly,the system gives 1 meter and 2 meters of target echo signal behind the concrete wall (wall thickness 12cm) according to the data sampling process.The test result show that the system effectively avoids the difficulty of implementing ultra-wide band radar direct sampling and the echo signal can effectively distinguish the target peak.This system meets the demand of the ultra-wide band data acquisition.

Key words:ultra-wide band radar; echo signal; IF sampling; 9223 module; real-time acquisition

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2016)04-0053-03

作者簡(jiǎn)介：張延波,男,zhangyanbo@163.com

基金項(xiàng)目：濟(jì)南高新區(qū)企業(yè)自主創(chuàng)新計(jì)劃(濟(jì)高管發(fā)(2013)Z38號(hào)38#);山東省科學(xué)院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃(201220102);山東省科技廳自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)(2014CGZH1104)

收稿日期：2015-09-02