鄧萬紅

中國人民解放軍92493部隊 98分隊，遼寧 葫蘆島 125000

導(dǎo)航雷達作為艦船關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作狀態(tài)和回波信號的正常與否對艦船的航行安全有著舉足輕重的影響。除目標(biāo)信息外，雷達回波信號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)，實時精確地采集雷達回波信號顯得尤為重要[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試、測量和自動化的應(yīng)用，它利用計算機系統(tǒng)的強大功能結(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)航雷達信號采集系統(tǒng)，集導(dǎo)航雷達回波信號采集、同步顯示、雷達工作狀態(tài)監(jiān)視、雷達圖像存儲及回放等多種功能于一體，實現(xiàn)了導(dǎo)航雷達回波模擬視頻信號和多路同步信號的實時高速采集、存儲和圖像的實時回放。該系統(tǒng)在東海臺灣海峽某海區(qū)的雷達監(jiān)測岸基實驗取得了很好的效果。

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

將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計算機軟件技術(shù)結(jié)合起來，以實現(xiàn)并擴展傳統(tǒng)儀器的功能，在智能化、處理能力、性價比和可操作性等方面均比傳統(tǒng)儀器具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)實際科研需求，本文設(shè)計的導(dǎo)航雷達信號采集器前端使用的是古野公司出品的1942MK2型導(dǎo)航雷達，涉及視頻回波處理的模擬輸出信號共有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，電平均為CMOS），分析這4路信號的時序特性可知，觸發(fā)信號可直接作為A/D采集的同步脈沖，而其他3路信號需要同步進行采集，即需要同步采集1路模擬量和2路開關(guān)量信號。基于導(dǎo)航雷達信號采集器的功能需要，模擬視頻信號的采樣頻率不低于20 MHz，A/D采樣分辨率不低于12位，雷達視頻圖像距離不低于4 500 m，通過對市面上幾款常見高速A/D采集卡進行功能性能對比分析，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，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)航雷達視頻信號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，可實現(xiàn)多個模塊同步采集的功能，特別是提供了2組與ADC有相同時鐘的同步取樣數(shù)字輸入，非常適用于混合信號（模擬加數(shù)字信號）的采集，與本項目的需求直接匹配。由于 PXI-9820的觸發(fā)信號和2路開關(guān)量輸入端電平均為TTL，和古野1942MK2導(dǎo)航雷達的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調(diào)理模塊，實現(xiàn)信號的電平轉(zhuǎn)換。雷達單元產(chǎn)生的船艏信號、方位信號和觸發(fā)信號通過信號調(diào)理模塊預(yù)處理后，同雷達回波信號一起作為A/D采集卡的輸入信號。對于觸發(fā)信號只是加簡單的幅值變換，將方位信號和船首信號變換到A/D采樣要求的電平。A/D變換器對輸入信號的幅值有一定的要求，因此在原始雷達視頻信號在送人A/D變換器之前要進行幅值的反向變換，使得雷達視頻信號變成正視頻信號。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于PXI技術(shù)的工控機箱，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總線工控機平臺和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)運行[6-7]。由于PXI來源于PCI，使得系統(tǒng)后續(xù)的軟件設(shè)計可以采用通用性強的主流軟件模型，提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性[8]。

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

根據(jù)實際科研需求設(shè)計的基于虛擬儀器技術(shù)的導(dǎo)航雷達信號采集器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 導(dǎo)航雷達數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

目前主要的虛擬儀器的開發(fā)軟件有 Visual C++、Labview等，Visual C++是一個功能強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。結(jié)合導(dǎo)航雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求，基于Visual C++6.0設(shè)計了數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括雷達信號監(jiān)視、回波信號采集與實時回放、采集數(shù)據(jù)預(yù)處理、采樣數(shù)據(jù)成像處理、數(shù)據(jù)存儲等功能模塊。

圖2 雷達信號采集器軟件結(jié)構(gòu)

利用Visual C++6.0設(shè)計了多路雷達信號采集系統(tǒng)的軟面板，繪制了雷達圖像顯示界面，并對雷達信號參數(shù)進行實時監(jiān)測。在輸出參數(shù)組合框中根據(jù)實測的觸發(fā)頻率、船首周期、方位個數(shù)監(jiān)視雷達的工作狀態(tài)，對導(dǎo)航雷達輸出的信號進行實時監(jiān)測，判斷雷達工作狀態(tài)是否正常。

根據(jù)用戶實際需求可以在軟面板上進行采樣參數(shù)配置，可針對不同型號的導(dǎo)航雷達進行參數(shù)配置，有較好的通用性，同時可以在參數(shù)配置對話框中選擇對回波信號進行存儲。點擊開始可對雷達回波信號進行采集和實時顯示，并且通過軟件設(shè)計的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 雷達信號采集器軟件顯示主界面

在同時進行實時顯示和存儲圖像時，當(dāng)雷達工作在短脈沖時，每幅圖像有 5000多根線，每根線600個點，往往來不及同時處理，對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)，這樣即可以滿足實時顯示和圖像存儲，也不影響雷達圖像觀測效果。

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

圖4 雷達回波信號顯示方式

為保證獲取回波圖像的連續(xù)性，需采樣數(shù)據(jù)進行連續(xù)的數(shù)據(jù)流存儲，但由于采樣獲取的數(shù)據(jù)圖像文件較大，同時完成數(shù)據(jù)采集和圖像顯示比較困難。在此利用9820采集卡的緩存機制和VC++雙線程編程，一個線程用于進行多通道數(shù)據(jù)采集，將采集到得數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；另一個線程用于從緩存中讀出數(shù)據(jù)進行顯示刷新，并在采集完一幅完整的圖像后進行存儲處理，待文件存儲完畢，再迅速從實時數(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)完整的雷達回波圖像序列。

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

3 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)實驗

本文分析設(shè)計了基于PXI技術(shù)的導(dǎo)航雷達回波信號采樣方案，實現(xiàn)了基于PXI技術(shù)的硬件平臺，利用Visual C++在Windows系統(tǒng)下編制了采集軟件?；赪indows操作系統(tǒng)，采用多線程機制，設(shè)計了實時采樣回放和圖像提取分析軟件，實現(xiàn)了PXI平臺下導(dǎo)航雷達信號采集系統(tǒng)的完整功能。對于設(shè)計和實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵問題，文中給出了合理的解決方案。通過采樣實驗，獲取了大量的有效數(shù)據(jù)，證實了采樣系統(tǒng)的設(shè)計功效。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 信號調(diào)理與多通道同步采集

由于導(dǎo)航雷達的成像特點，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，同時采集視頻回波信號、船首信號和方位信號?？紤]到導(dǎo)航雷達的實際輸出信號并不符合采集卡對輸入的要求，在兩者之間加入信號調(diào)理模塊。信號調(diào)理模塊的主要功能是在保證各信號之間同步性的基礎(chǔ)上，對導(dǎo)航雷達的觸發(fā)脈沖、船首信號和方位信號調(diào)整幅值，并進行整形濾波，使之滿足采集卡的輸入要求。對于多路信號的同步采集，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。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存儲在高2位，視頻信號存儲在低 14位，減少了對船首信號和方位信號的單獨存儲，降低了存儲的數(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，雙通道同時采集時，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量為228.9 MB/s。根據(jù)實際需求，要求采樣過程必須滿足連續(xù)采集32幅以上雷達圖像數(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)寫滿緩存的時間小于緩存數(shù)據(jù)DMA傳輸時間與后續(xù)數(shù)據(jù)操作時間之和。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)剑斐蓪崟r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)航雷達的工作環(huán)境要求系統(tǒng)具有較高的可靠性，在設(shè)計過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了基于PXI技術(shù)的硬件平臺。PXI技術(shù)結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，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)

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

3.2 系統(tǒng)實驗

2013年 8月起以此設(shè)備在國家海洋局福建平潭海洋環(huán)境監(jiān)測站一直在開展海上科研實驗。實驗信源采用1942MK2型導(dǎo)航雷達進行連續(xù)圖像采集，雷達參數(shù)如表1所示，期間采集到大量雷達海面回波圖像序列。測試區(qū)域海深約為20 m，雷達距離海平面高度為 45 m，雷達圖像無遮擋范圍為船首向～，船首方向為地理坐標(biāo)系的正東向。

表1 X-波段導(dǎo)航雷達主要技術(shù)參數(shù)

圖5給出了2013年9月18日獲取的導(dǎo)航雷達海面回波極坐標(biāo)圖像序列。測量時風(fēng)向，風(fēng)速16.4 m/s。極坐標(biāo)圖像為雷達的海面回波區(qū)域。極坐標(biāo)30°～180°為雷達的海面回波圖像區(qū)域，其他區(qū)域是由于海岸等遮擋形成的雷達盲區(qū)。通過圖5給出的一組雷達圖像序列可以看出，由海表面區(qū)域散射的雷達回波受海面波浪的調(diào)制，其強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)很好地實現(xiàn)對導(dǎo)航雷達數(shù)據(jù)的采集與處理功能。

圖5 雷達回波信號圖像序列

4 系統(tǒng)運行與結(jié)論

從實現(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：編程簡單、易于理解和修改；具有強大的人機交互界面設(shè)計能力，易于實現(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)動程序。

利用PXI硬件構(gòu)建了高效可靠的雷達信號采集平臺，實現(xiàn)了模擬量和數(shù)字量多路信號的混合采集?；赪indows操作系統(tǒng)，采用多線程機制，設(shè)計了實時采樣回放和圖像提取分析軟件，實現(xiàn)了PXI平臺下導(dǎo)航雷達信號采集系統(tǒng)的完整功能。

導(dǎo)航雷達數(shù)據(jù)采集器不但可以作為雷達的信號同步調(diào)試和外場實驗的數(shù)據(jù)記錄儀，還可以用于其他多路信號分析和基于PXI技術(shù)的采集等方面，充分實現(xiàn)了同一設(shè)備的多功能復(fù)用，很好地控制了項目成本；同時，采用PXI技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)硬件平臺，精簡了整個系統(tǒng)，減小了系統(tǒng)的體積空間，使儀器工作方式配置靈活，擴展方便，同時提高了系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的實地工作提供了有力保障。

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