关键词: 虚拟仪器 测速雷达 PXI
ABSTRACT This paper deals with a radar velocity measurement system based on PXI and virtual instruments, also we develop a terminal of data acquisition and processing of radar velocity measurement system .
Key words virtual instruments, radar velocity measurement, PXI
1 引言
虚拟仪器（Virtual Instruments，以下简称VI）技术创造了仪器仪表新概念，开辟了测控技术的新纪元。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。依靠日新月异的计算机技术，虚拟仪器给用户一个发挥自己的才能、想象力的空间。设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。同传统仪器相比，虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的优点。虚拟仪器的用户可自己设计和定义功能，满足特殊的需要。与传统仪器不同，虚拟仪器的关键在软件实现，能方便的改变软件来完成不同的测试需要。
PXI规范是NI公司1997年9月1日发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI与CompactPCI完全兼容。PXI支持在工业仪器 、数据采集及工业自动化应用中要求更高的机械、电气、软件特性。为更适于工业应用，PXI扩充了CompactPCI规范，对提供优异的机械完整性及易装易卸的PCI硬件定义了坚固的结构形式。PXI产品对工业环境中的振动、冲击、温度和湿度等环境性能试验提供了更高更细的要求。PXI在CompactPCI机械规范上增加了必须的测试环境和主动冷却。这样以来，可以简化系统集成并确保多供应商产品的互操作性。
2 雷达测速
测速雷达是采用多普勒效应对动目标进行测速。当目标与雷达之间存在相对速度时，接受到目标回波信号的载频相对与发射信号的载频产生一个频移，即多普勒频移，它的数值为：
fd=2vr/λ
其中：fd————-多普勒频移（hz）
vr ————雷达与目标间的相对速度（m/s）
λ——-载波波长
当目标向雷达运动时，vr >0，回波载频提高;反之vr <0;回波载频降低，雷达只要能够测量出回波信号的多普勒频移便可计算出目标的相对速度vr。
3 基于虚拟仪器的雷达测速系统硬件组成
3.1系统的硬件组成框图
图1 系统硬件组成框图
3.1.1天线及其控制系统
本文所采用的雷达系统是连续波多普勒雷达，收发天线共用。天线及其控制系统主要作用时发射连续单频的无线电磁波，同时跟踪目标，接收目标反射的回波信号，通过环流器的隔离后，通过混频器后输出多普勒频移信号，然后将多普勒频移信号输入到PXI采集与处理系统。在本系统中采用的天线系统的多卜勒信号频率范围（测速范围）：2K～140K （30～2000m/s），输出电压幅度范围：±10V，输出信号带宽：0-200KHz。触发启动器输出一个整形脉冲触发信号。其输出电平幅度：±5V，信号宽度为微秒极。
3.1.2 数据采集模块
在数据采集领域中，各大仪器公司开发出了各种各样的数据采集模块。有基于多种PC机总线的PC-DAQ数据采集卡，也有基于VXI总线和PXI总线的各种数据采集模块。但是，在GPIB、PC-DAQ和VXI三种VI体系结构中，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸;PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能;而第一次构建VXI系统尚需较大的投资强度。PXI这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。它通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验和测量用户的要求。基于PXI总线的数据采集模块的最高同步采集频率达10MS/s，数据传输率达132Mb/s ，能很好地满足现有测试项目的所有要求。在这里，我们采用NI公司的PXI…6115数据采集模块。其采样频率：同步采集最高10MS/s（大于10倍的信号输入频率，远远满足采样定理）;垂直精度：12位;
3.1.3 计算机控制模块
采用 NI公司PXI-1000B机箱，拥有8个PXI插槽，零槽控制模块采用PXI-PCI833X 。NI公司的PXI-PCI833X产品通过采用MXI-3技术，使得普通PC机可以通过透明的硬件和软件连接，直接对PXI系统进行控制。还可以使用PXI-8330和PXI-8335模块完成多PXI机箱连接使用。MXI-3采用的是标准PCI-PCI桥技术及1.5Gb/s高速串口连接，为PXI控制引入了更加快速方便的扩展方式。采用铜缆或光纤进行连接至计算机系统。通过计算机系统还可连接至网络测控系统实现远地测试
3.2软件组成
在虚拟仪器中，其基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件来实现不同的功能。软件是虚拟仪器的关键。所以，提高软件的编程效率也就成了一个非常现实的问题。在当今信息时代，提高软件编程效率的关键是采用面对对象的编程技术。编 程软件的选择不仅影响系统的整体性能和功能，而且影响系统的开发时间和效率。我们不可能采用简单的编程方法去实现，而需要采用虚拟仪器的软件开发平台去开发自己的工程应用软件。常用的虚拟仪器的软件开发平台主要有HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW和LabWINDOWS/CVI等几种流行的软件开发平台。其中NI公司的LabVIEW是一种实用的图形化的软件编程平台。LabVIEW提供了大量的函数库供用户直接调用，从底层的VXI、GPIB、串口及数据采集模块的硬件控制程序到600多个仪器驱动程序程序，从基本的数字函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I/O函数到高级分析库（包括信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等），函盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。
在LabVIEW软件开发平台上，并选择具体应用的、依附于软件平台的开发工具包对测试系统进行图形化软件编程，这种编程功能模块化，利于多种选择，方便调试。软件界面编为开放式的全中文人机交互界面，参数选择、装定都在一个界面上，分窗口，可随时选择，避免原来那种层层下拉式的众多复杂的界面，同时，系统支持各种方法的中文输入，使用更灵活方便。
整个雷达测试系统软件分为系统试验参数设置、数据（多谱勒信号）采集、数据FFT处理、数据文件管理四个模块。
3.2.1系统试验参数设置模块：
包括对测试试验任务的任务名称、任务编号、测试时间、地点、相关的气象诸元、目标参数及天线位置坐标的设置。
3.2.2数据采集：
测试实时采集，输入试验测试条件、试验测试参数（包括天线频率、信号输入量程等），并对测试所采用的数据通道、触发电平脉冲、采样时间（触发采集、时间结束）、采样频率、采样方式等进行设置。对数据采集硬件模块进行驱动。同时自动等待信号触发并存储原始采集的天线输出的多谱勒信号及相关的各种参数信息。
图3数据采集模块
3.2.3数据处理：
3.2.3.1窗函数及 FFT谱分析
在用FFT运算对离散信号进行变换的过程中，会引起“谱泄露”现象，加窗就是为了减小“谱泄露”的影响。对某个特定的信号，选择一个合适的窗函数并不是一件容易的事情。窗函数越宽，抑制杂波能力越强，越窄，分辨率越高。本软件提供几种常用窗函数精心选择。
对采集得到的原始多谱勒信号进行FFT处理，设置合适的FFT运算数据段长度（任意输入），FFT运算点数（或速度测量点数）可任意输入。显示处理后的瀑布图，同时可在瀑布图上进行特殊的带通数字滤波（效果显著）及FFT平滑操作，滤掉杂波噪声干扰，并再显示滤波及平滑后的功率谱瀑布图。
图4 FFT谱分析
3.2.3.2速度计算
对采集后进行FFT计算的数据频率点，显示波形图（功率瀑布图、时域信号幅值图），提供ZOOM功能和光标与鼠标的搜索功能，对异常数据能进行剔除、数据平滑、功率谱分析、幅值谱分析、计算峰值频率点打印输出。利用公式vr=λfd/2计算显示处理后的目标“速度——-时间曲线”，目标初速、径向速度时间的数据波形。利用G. Math数学库及HIQ提供的直线最小二乘拟合法对初速进行计算、修正并显示处理速度结果。
图5 速度计算
3.2.3数据文件管理：
每次测试对应一个数据文件，当查看时，只要调出相应文件名即可。对每次数据可自由选择打印采集的原始多谱勒信号时域曲线、处理的功率瀑布图曲线、处理的VR——-T曲线及VR——-T数据，每组速度数据可建立一个文件，进行必要的组处理后，按规定的表格打印输出。
4 结束语
基于虚拟仪器的雷达测试技术在测量己微波领域具有广阔的应用前景。通过在LabVIEW平台上开发基于PXI平台的雷达速度测试系统，对基于虚拟仪器的雷达测量技术的内容、方法和优势有了比较深入的认识。我们开发的虚拟仪器充分利用现有的技术资源，系统功能丰富，转换灵活，具有很高的性能价格比，在实践中取得很好的效果。
参考文献：
1.《雷达原理》 丁鷺飞 耿富录 西安电子科技大学出版社
2. G Programming Reference Manual NATIONAL INSTRUMENTS
3 .Data Acquisition Basics Manual NATIONAL INSTRUMENTS
4. Function and VI Reference Manual NATIONAL INSTRUMENTS
5.《虚拟仪器新产品与技术》 陕西海泰
6.《多普勒雷达导引头信号处理技术》 高烽 国防工业出版社
7.《数字技术在雷达中的应用》 戴树荪 国防工业出版社
8.The PXI System Architecture NATIONAL INSTRUMENTS
