利用虛擬儀器系統(tǒng)的概念來構(gòu)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(shè)備驅(qū)動程序和實用軟件包，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種設(shè)備的編程控制，完成數(shù)據(jù)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(shè)計的RailSAR測控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。
1 系統(tǒng)開發(fā)平臺
　　虛擬儀器系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用計算機(jī)強(qiáng)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(xiàn)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(shè)備驅(qū)動程序構(gòu)成了虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)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?qū)ο蟮目梢暬幊汰h(huán)境，以ANSIC為核心，以各種豐富的庫函數(shù)為基礎(chǔ)，為儀器控制、自動測試和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供了一個功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺。LabWindows/CVI應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：①用戶接口；②程序控制；③數(shù)據(jù)采集；④數(shù)據(jù)分析。LabWindows/CVI的強(qiáng)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(shù)據(jù)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對各種儀器的靈活控制。對于數(shù)據(jù)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(xiàn)各種算法，還可以用用戶接口庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種表示。
2 RailSAR測控系統(tǒng)的實現(xiàn)
　　RailSAR在軌道上做等間隔的步進(jìn)運(yùn)動，每步進(jìn)一次，就要進(jìn)行一次雷達(dá)回波測量和天線位置測量，將測量數(shù)據(jù)以文件形式存入硬盤，測量結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)的成像處理。RailSAR系統(tǒng)需要主機(jī)通過各種不同的接口，實現(xiàn)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(jìn)電機(jī)，通過串口控制經(jīng)緯儀。LabWindows/CVI提供了豐富的接口函數(shù)，能夠方便地實現(xiàn)這些控制。RailSAR數(shù)據(jù)處理最主要的特性是算法復(fù)雜、數(shù)據(jù)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(shù)，能夠迅速地生成高效的數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序，達(dá)到RailSAR數(shù)據(jù)處理的要求。
2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取
　　RailSAR正交解調(diào)接收機(jī)輸出的I、Q兩路信號，由數(shù)字存儲示波器進(jìn)行采集。RailSAR的脈沖重復(fù)頻率為2kHz，每個雷達(dá)回波的數(shù)據(jù)接近1MB，總數(shù)據(jù)量高達(dá)幾百MB。所以RailSAR的數(shù)據(jù)錄取具有高速、大容量的特點，要求主機(jī)通過高速接口將數(shù)據(jù)從示波器傳輸?shù)街鳈C(jī)的大容量硬盤。通過接口總線(GPIB)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力能夠滿足RailSAR數(shù)據(jù)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(xié)議，也稱為IEEE 488標(biāo)準(zhǔn)，因為其使用簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率高，因而受到廣泛地應(yīng)用。GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1MB/s，新的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將傳輸速率提高到了8MB/s。主機(jī)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(qū)動程序必須滿足IEEE 488標(biāo)準(zhǔn)，最新版本的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 488.2。IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)定義了GPIB儀器控制的通用命令及格式，例如讀寫命令I(lǐng)BRD和IBWRT的參數(shù)個數(shù)及類型，而命令的具體內(nèi)容則根據(jù)儀器的不同而不同，由儀器的生產(chǎn)廠家提供。 LabWindows/CVI提供了豐富的GPIB/GPIB 488.2庫，包括打開和關(guān)閉設(shè)備、讀寫數(shù)據(jù)等函數(shù)面板，可以很方便地調(diào)用及輸入?yún)?shù)。
2.2 雷達(dá)運(yùn)動控制
　　為了獲取比較好的成像結(jié)果，RailSAR要求天線平臺做精確的等間隔直線運(yùn)動。運(yùn)動的直線性由軌道的平直度保證，等間隔運(yùn)動由高精度的步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(zhuǎn)動的角度，脈沖的頻率決定轉(zhuǎn)動的速度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有三根控制線：一根脈沖線，輸出適當(dāng)占空比和頻率的矩形脈沖，控制步進(jìn)的大小和頻率；一根方向線，控制運(yùn)動的方向是正向還是反向；還有一根脫機(jī)線，用來保護(hù)步進(jìn)電機(jī)。
　　主機(jī)選取并口的低3位信號線控制步進(jìn)電機(jī)，并口地址為0x378。LabWindows/CVI的Utility庫提供了INP和OUTP兩個函數(shù)，用于從端口讀和向端口寫一個字節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的方向線和脫機(jī)線都是通過電平控制的，通過置位和復(fù)位就能夠?qū)崿F(xiàn)方向和脫機(jī)控制。脈沖線的矩形脈沖則是通過重復(fù)置位和復(fù)位來實現(xiàn)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(shù)難以滿足要求，所以我們采用了For循環(huán)來實現(xiàn)這種短時間延遲。步進(jìn)電機(jī)對于啟動、平穩(wěn)運(yùn)行和制動時的脈沖頻率的要求是不同的，這就是步進(jìn)電機(jī)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(yùn)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(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線。
2.3 雷達(dá)坐標(biāo)測量
　　理想的RailSAR運(yùn)動是等間隔的直線運(yùn)動。但是由于軌道平直度的誤差以及等間隔運(yùn)動的誤差，RailSAR的實際運(yùn)動總是偏離理想狀況。運(yùn)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(chǎn)生畸變，降低了RailSAR圖像的質(zhì)量，所以運(yùn)動補(bǔ)償是必不可少的。RailSAR采用經(jīng)緯儀跟蹤天線的運(yùn)動，獲得運(yùn)動補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。
　　經(jīng)緯儀放置在軌道的一端，反射器安裝在天線附近。經(jīng)緯儀根據(jù)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(zhuǎn)動確定水平和垂直角。經(jīng)緯儀有本地和遙控兩種控制方式，RailSAR采用后一種方式。主機(jī)通過串口和經(jīng)緯儀通訊，發(fā)送指令和讀取測量結(jié)果。
　　LabWindows/CVI的RS－232庫提供了一整套通訊函數(shù)，能夠很方便地實現(xiàn)主機(jī)和經(jīng)緯儀的連接。為了保證控制的可靠性，經(jīng)緯儀對于主機(jī)發(fā)送的每一條指令，都會有確認(rèn)字來確認(rèn)指令已經(jīng)被正確接收或執(zhí)行。主機(jī)首先發(fā)送持續(xù)時間1秒的Break命令來遠(yuǎn)程啟動經(jīng)緯儀，然后設(shè)置控制方式為遙控，測量模式為跟蹤方式，搜索并鎖定目標(biāo)，使經(jīng)緯儀跟蹤雷達(dá)的運(yùn)動。每步進(jìn)一次，主機(jī)就發(fā)出測量命令，指示經(jīng)緯儀測量雷達(dá)的水平角、垂直角和斜距，主機(jī)讀取雷達(dá)坐標(biāo)，存入數(shù)據(jù)文件。
2.4 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理
　　RailSAR主機(jī)采用一臺PII400臺式機(jī)，不僅要完成雷達(dá)運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)錄取，還要擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。RailSAR的數(shù)據(jù)處理主要分為4個部分：系統(tǒng)補(bǔ)償、距離向脈沖壓縮、運(yùn)動補(bǔ)償、方位向脈沖壓縮或成像處理。RailSAR數(shù)據(jù)處理的算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，給數(shù)據(jù)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(yùn)算、圖像處理等方面的函數(shù)。這些函數(shù)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(xiàn)信號處理的算法。而且由于這些函數(shù)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(shù)，可以非常方便地將RailSAR結(jié)果顯示出來。
　　虛擬儀器系統(tǒng)是現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展方向，它通過計算機(jī)軟件，能夠?qū)y量儀器自由組合，實現(xiàn)用戶特定的測量任務(wù)。RailSAR是一個復(fù)雜的測控系統(tǒng)，需要各種儀器協(xié)調(diào)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(xiàn)了RailSAR的測量要求。
參考文獻(xiàn)
1 Getting Started with LabWindows/CVI.National Instruments
2 LabWindows/CVI Programmer Reference Manual.NationalInstruments
3 LabWindows/CVI User Manual.National Instruments
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5 Winn L.Rosch著，李增民等譯.微機(jī)硬件使用與維護(hù)手冊.北京：科學(xué)出版社，1995