基于9223模塊超寬帶雷達回波信號實時采集系統的設計與實現

張延波, 王忠民, 徐文青 , 楊秀蔚

(1.山東金睛銳達電子科技有限公司， 山東 濟南 250101；

2.山東省科學院自動化研究所， 山東 濟南 250014)

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基于9223模塊超寬帶雷達回波信號實時采集系統的設計與實現

張延波1,2, 王忠民2, 徐文青2, 楊秀蔚2

(1.山東金睛銳達電子科技有限公司， 山東 濟南 250101；

2.山東省科學院自動化研究所， 山東 濟南 250014)

摘要：針對超寬帶探測雷達回波的采集要求，設計了一種基于9223采集模塊的回波信號中頻信號采集系統.該系統將穿墻雷達回波信號與本振信號進行混頻處理獲取可直接采樣的中頻信號，由計算機控制9223采集模塊完成了四通道回波信號同步采集并經以太網傳輸至計算機；依據數據采樣流程，系統給出了混凝土墻體(墻體厚度12cm)后面1米處、2米處目標回波信號.實驗結果表明，該采集系統有效避免了超寬帶穿墻雷達直接采樣的實施難度，回波信號能有效分辨目標對應峰值，滿足了超寬帶數據采集系統的需求.

關鍵詞：超寬帶雷達； 回波信號； 中頻采樣； 9233模塊； 實時采集

超寬帶探測成像雷達是一種新型高科技反恐技術裝備，具有極高分辨率，穿透性強、多徑干擾小等優點，能夠探測識別被障礙物遮擋的目標，主要用于反恐防暴斗爭中對未知建筑物內犯罪分子的搜尋定位，同時也可用于地震、塌方、火災等重大災害的人員救援[1-3].

回波信號的采集是超寬帶探測雷達目標識別、探測成像的前提與基礎，超寬帶雷達具有GHZ級別的信號帶寬，受限于采樣器件的水平與處理性能，實現雷達回波信號的直接采樣具有很大難度[4-6].目前，超寬帶雷達系統大多采用的是將回波信號與本振信號進行混頻處理獲取中頻信號，回波信號相對于發射信號的延遲包含在中頻信號的頻譜中，直接采樣后的中頻信號能準確記錄目標回波的時延信息，保持了信號相位的相參性[7].傳統的雷達回波數據采集方式多是基于ISA 、PCI總線設計的，在帶寬、實時性、數據容量及傳輸速率方面受到限制，本文設計了一種基于9223采集模塊的以太網數傳采集系統，實現了回波信號實時同步高速采集、傳輸、存儲分析系統.

1超寬帶雷達回波信號采集系統設計

1.1系統結構

本文中采用4個小型接收天線接收超寬帶雷達回波信號，經濾波、放大后與系統提供的本振信號進行混頻獲取中頻信號，中頻信號由數據采集模塊經以太網傳輸至計算機.系統僅對對中頻信號進行直接采樣、處理，避免了寬頻、高頻高速采樣的限制，降低了雷達回波信號數據采集的難度[8].系統組成如圖1所示.

圖1　系統組成框圖

其中，計算機通過以太網口與機箱相連(機箱用NI 公司的CompactDAQ-9188系列)，機箱cDAQ-9188有8個插槽，在任意插槽上插有數據采集模塊 9223，9223模塊的CH1，Cp，Cp，Cp 4個輸入通道通過同軸電纜與4個混頻器的輸出端連接.

計算機及其控制軟件是系統的控制核心，控制采集模塊完成四個通道的回波信號同步自動采集、采集數據通過以太網上傳到計算機，計算機將接收的數據按照不同通道進行存儲，并進行濾波分析、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機箱中，具有軟件觸發、模擬觸發與數字觸發等多種觸發模式，有效的保證了多個通道數據采集的同步性.NI提供了采集模塊的API函數庫，實現了模塊底層I/O的實時讀寫，支持VC、VB、Labview等可視化開發工具的二次開發，為應用該模塊進行二次開發提供了極大便利.9223模塊的性能參數如表1所示，其參數滿足了雷達回波中頻信號直接采樣的的性能需求.

表19223模塊性能參數

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

2回波信號采集系統程序設計

Visual C++作為目前流行的可視化編程工具，支持面向對象和事件驅動機制的程序開發[9]，開發者可利用該開發工具通過調用NI提供API函數，控制數據采集模塊，實現回波信號的單次或連續采集功能.

2.1回波信號實時采集設計

在采集目標回波信號之前，首先要在計算機上安裝硬件驅動程序NI-DAQmx，安裝驅動之后，計算機識別數據采集設備，API庫函數才能被編譯調用.安裝完畢后重啟計算機然后啟動DAQ配置軟件，設定機箱的IP地址，配置NI9223模塊.

數據采集模塊操作大致由設備查找，模塊初始化、觸發指令、讀取數據、緩沖釋放等步驟組成，實時采集數據流程如圖2所示.

圖2　采集數據流程圖

2.2實時采集程序

實時采集程序主要是調用9223API函數庫中的設置函數，觸發函數以及讀數據函數，實現對模塊的讀取數據操作.限于篇幅，本文僅給出采集程序的核心代碼.

TaskHandletaskHandle；//定義任務句柄

intlength；//采樣數據長度

floattempdata[length*4];//4個通道數據緩沖區

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

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

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

{

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

{

………..；//處理所采集數據

}

else

{

return;

}

}

else

{

return;

}

}

else

{return;

}

}

2.3實驗結果

圖3、圖4為超寬帶雷達探測混凝土墻體(墻體厚度12cm)后面運動目標的回波信號數據，數據采集參數為采樣率25KS/s，量程±1V，采樣點數2500點.

圖3　1m處回波信號

圖4　2m處回波信號

圖3、圖4顯示了墻體后面運動目標的位置信息，其中，圖3為墻體后1m處第一通道回波數據，圖4為墻體后2m處第一通道回波數據，圖中縱坐標為回波信號的電壓幅值，采集系統可檢測出微弱信號，能有效分辨0.1mV信號；圖3、圖4回波信號的峰值對應著不同的時間軸，說明了墻體后運動目標的不同位置，采集的回波信號滿足了中頻采樣設計需求，為非實時成像算法驗證提供了良好的數據基礎.

3結束語

基于9223數據采集系統，最高采樣率1MS/s，四通道實時、同步采集雷達目標回波信號，計算機同時將信號進行處理、存儲.實驗結果表明，該系統操作簡單便捷，運行穩定，信號采集精度高，傳輸速率快，滿足了雷達系統中頻信號的采集要求，為超寬帶雷達目標識別與探測成像前期算法驗證及后期的實時探測成像提供了良好的數據基礎，有較好的應用前景.

參考文獻：

[1]姚雪，孔令講，易川，等. 一種適用于穿墻雷達成像的墻體補償算法[J].雷達科學與技術,2014,12(6):654-655.

[2]介利軍，歐陽繕，楊潔，等. 超寬帶穿墻雷達成像技術研究[J].現代雷達，2012,34(5):35-36.

[3]賀峰，朱國富，牟妙輝，等. 超寬帶穿墻雷達對人體動目標探測的實驗研究[J].現代雷達,2010,32(7):29-30.

[4]林錢強，唐鵬飛，陳曾平. 寬帶雷達中頻直接采樣與高速存儲系統設計與實現[J].雷達學報,2012,1(3):283-291.

[5]顧蘇，王曉紅，陳沁梅. 超寬帶雷達中超高速數據采集技術[J].雷達與對抗,2007(4):27-28.

[6]李斌，傅唯威，王勇. 基于周期抽樣的超寬帶生命探測雷達信號處理方法[J].儀器儀表學報,2010,31(9):1980-1981.

[7]胡凱，歐陽繕，徐五生. 超寬帶穿墻雷達數據采集系統的設計與實現[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(1):10-11.

[8]翟曉軍，陳明，李阿楠. 基于超寬帶的隔墻探測二維成像雷達系統[J].探測與控制學報,2007,29(4):22-23.

[9]李娟，張欽. 基于動態鏈接庫的VisualC++混合編程[J].計算機工程與設計,2010,31(9):2140-2149.

(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

中圖分類號：TN911

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)04-0053-03

作者簡介：張延波,男,zhangyanbo@163.com

基金項目：濟南高新區企業自主創新計劃(濟高管發(2013)Z38號38#);山東省科學院先導科技專項計劃(201220102);山東省科技廳自主創新及成果轉化專項(2014CGZH1104)

收稿日期：2015-09-02