雷达回波信号的采集与自适应滤波

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郑州大学硕士学位论文雷达回波信号的采集与自适应滤波姓名：李富强申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：万红20060510 雷达回波信号的采集与特征分析摘要本课题的研究背景是基于商用FM广播的双基无源雷达，文章首先说明了选题背景及意义，并介绍了国内外研究现状。然后分析了调频信号利调频广播的特点。针对调频广播信号的高频窄带特性，研究了带通采样原理及实现，并仿真研究了带通过采样倍数对sNR的影响。基于雷达信号数据处理要求，需要对目标回波和参考信号进行两路同步采集。由于目标回波的低信杂比，需要采集卡具有较高的采样率和分辨率。ADLⅢK公司的Pcl9820由于其优良的性能而被选用。Pcl9820可同步采集两路信号，无杂散动态范围(sFDR)为75dB，分辨率为14位，支持最高130MHz的采样频率，满足实际需要，所以本课题选择使用PCI9820进行信号采集。文章分别从模拟输入、采集、存储器、触发方面、校准和多卡同步等方面介绍了Pcl9820的性能特点，并结合奉课题内容完成了硬件性能分析和所需资源选择，为系统的软件开发打下基础。在此基础上，在Vc++6．0中对PCI9820进行了基于C／c++的采集程序设计。针对不同的实际需求，分别编制了板卡自校正程序、定量采集程序、连续采集程序、混合采集程序以及定量连采程序，并对程序开发中用到的内部函数做了解释，文章中给出了程序流程图及部分程序的核心部分和运行界面。这些程序各自独立，分别实现不同的采集模式，程序设计逻辑简洁流畅，使用方法简单，人机交匾界面高效。程序调试完毕后，在实验室作了大量的试验并投入实际现场使用，现场运行良好，很好的满足了实际需求。根据需要，又在Vc++6．0中对Pcl9820进行了基于MFc的采集程序设计，该软件集成了之前设计的所有独立采集模式，具有友好的用户界面，方便了相关采集参数的输入和显示等工作。文章中给出了程序运行界面图及使用方法。程序调试完毕后，在实验室作了大量的试验并投入实际现场使用，运行良好，很好的实现了设计功能，较好的满足了各种实际采集需求。实际应用中，用户可根据需要选用基于不同编程模式的采集程序。由于雷达回波信号中混有相对较大的直达波干扰，需要进行直达波的对消，才‘能进行多谱勒频移估计与距离估计等后续信号处理。所以介绍了LMs自适应算法，然后在MATLAB中进行了程序实现。分别对单频信号单频干扰和宽带随机干扰以及FM信号宽带随机干扰的抑制进行了仿真，取得了较好的仿真效果。最后，对现场实测信号进行直达波对消，目标天线信号中的直达波得到了很大的衰减，取得了较好的对消效果。文章最后进行了本文工作总结及进一步工作展望。关键词无源雷达，凋频广播信号，带通采样，Pcl9820，LMs AbstractTheresearchback甜oundisthebistaticpassivera出IrbasedoncommercialFM(FrequencyModulation)broadcast．Firstly，p印erin们ducesrese孤chback锣rounda芏1ditssense．aswenasintemationalresearchconditioncurrentlvThenthecharacteristicofFMsi印a1andFMbroadcastisa11alvSed．Asf_ortlleFMbmadcastwithhi曲抒equency锄dna玎0wband，meprinciplcandr同iz撕onofb柚dpasss锄plingareresearchedlat甑Andmeefredofbandpassover-samplmgtoSNRissimulatedthereafteLBascdondataprocessingd啪柚dsforradarsigllal，押osyIlc|1I_onouss哪plingchaIlnelsareneeded．Besides，meta瞎etechosi2皿alisoftenweakwimstrongnoise，sodataacquisition(DAQ)card&houldsustainhi曲saInplingm码uencyandres01ution．PCI9820ofADLINKischosenbecauseofgoodcharacter．ncaJls踟pletwoch籼elssimllltaIleouslv．ItsSFDRis75dBanditsresolutionis14bit．Moreover，thema)【imums锄pling行equencyitcanbearis130MS，s。P印eranalysesthehardl^，arecharacteristicofPCI9820inthewayofanaloginputs，datasampling，datastorage，triggering，calibration，multi口1ecardssvncllronizationetc．，andsomecorrespondingresourcesarechosenforresearch，whichpro们desfoundationforthefollowingsonwaredevelo伽ng．Thens锄plin2soRwarebasedonC／C十+isdesi舶edinVC++6．OforPCI9820．Asforv撕ouss锄plingneeds，pro掣姗susedforautocalibration，spec街eddatacounts锄pling，re甜一timesampling，mixeds锄plingofmeabovetwo锄dcircles姗plingofspecifieddatacounts咖plinzaredesi鲷ed．Besides，intemalfhnctionsusedinthesepro伊帅sarealsoexplained．Allthepro乒咖flowcharts，aswenaSruIminginterfacesaIldcorepansofsomepro掣锄s，isshowcdinpap乱Thesepm铲锄sarejnd印endentoneaIlotller'usedtorealizediff打entsamplingInodeS．Thedesi母llogicisclearandnuent，wilhpellucidoperationmetllod锄dlli出一e伍ciellcyintemce．Anerdebug百n岛itisusedtodolotsofexperimelltsin1ab，me圭1inradarstation．Itmmsoutthatthesepro茚amsrunsteadilyandsatisfyrealrequ打ementsweilLater，samplingsoftwarebasedonMFCisalsodesiP州minVC++6．OforPCI9820．Alltheindependentpm盯amsdesi印edbefbfeareincluded．Amditpossesses倒endlyinterface，whichfacilitatestheinputanddiSplayofsalllplingpar啪etersetc．ItsrIlminginterfaceaJldoperationmallualare百veninpaperAnerdebug西n岛itisusedtodolotsofexperimelltsinlabbeforeinradarstation．Itrunsstead{ly，realizesitsdesi毋1ingfundionsa11dsatisfiesrealrequir啪e11tswell．Uscrscanchoose丘ompro罩amsbasedondiffhentdesignmodestoworkforyollrpllIpose．Becausethereisstron2directwaveinradarechosi辨a1receivedbyradartargetanfenna，thedirectwaveshouldbesuppressed，oritisverydimculttodothef0110wingDSPsuchasDopplerfrequencyaIldr卸geestimationetc．So，theLMSadaptiVearithmeticisintroduced．And也epro盯啪foritisdesi印edinMATLAB．Asfor 雷达回波信号的采集与特征分析sin百e一行equencysi印alwithsin西e一舶quencynoiseorwid曲andmdomnoiseandFMsignalwimw试ebandrandomnoise，noisesuppressionsimuladonsaredonetoproveitSValidityThendatasalnpled舶mradarstationisprocessedtosllppresstlledirectwave．Anditworl(s、vdl．Atlast，researchresultsaresummarizedandeXpectationisprovided．KeyWordsPassiVerad盯，FMbmadcastsi鲈al，baIldpasss甜npling，PCI9820，LMS．1Il— 郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。学位论文作者(签名)：季宴纭沙谢年爹月冲日 雷达回波信号的采集与特征分析1．1研究背景及意义1绪论在电子干扰曰益复杂的现代高科技战争中，如何进一步提高雷达的“四抗”(抗干扰、抗低空突防、抗反辐射导弹和抗隐身)能力是研制新体制雷达的首要目标。由于使用广播、通讯、电视信号探测目标，雷达本身不辐射无线电信号、不增强菜一区域的广播、通讯、电视信号、也不发射与广播、通讯、电视信号接近的信号，可以降低探测设备本身被敌方发现的可能性，从而减小被打击的可能性。最新的研究表明，频率比较低的信号有可能发现隐身飞机类目标，这更提高了各国对利用广播、通讯、电视信号探测目标研究的积极性。随着计算机技术、大规模数字电路和新的信号处理技术的发展，使得利用广播、通讯、电视信号探测目标成为可能¨j。同时，随着半导体技术的发展，信号处理机所采用的技术也在不断更新。这就要求必须花费大量的时间、精力和财力来研制不同的信号处理机。为了能集中精力更快更好地研究出性能更实用的雷达，我们认为有必要构建，一个通用的雷达回波信号采集处理平台如图1．1所示，由数据采集卡将雷达接收机的接收数据采入计算机，然后再由计算机来进行信号和数据处理。用计算机或DsP号的信号和数据处理来替代具体某雷达特定的信号处理机，从而可节省出大量的时间和精力来用于雷达的体制研究、性能研究和各种算法研究等。正是基于这样的思路，提出研制基于PcI总线的雷达回波信号采集系统。图1．1雷达回波信号处理平台本课题采用的是基于商用FM的无源雷达，直达波相对目标回波信号很强 郑州大学工学硕士论文要在强的直达波背景下直接检测到回波信号无疑是相当困难的，在如此强的噪声背景下进行目标定位也是十分困难的，所以我们采用带通过采样技术提高采样信号的信噪比，采用基于LMs自适应滤波技术抑制直达波，为回波信号的参数估计和特征提取打下良好的基础。1．2研究历史与现状雷达是在无线电通信和电波传播实验基础上诞生的。二战以前，最先在美、英等园从无线电传播的试验中开始了收发分置的雷达装备研究。雷达发展的早期阶段采用双基地体制，都是接收机和发射机分开，以解决接收机和发射机之间的隔离问题。自从美国海军实验室于1936年发明了天线收发开关后，人们的注意力开始转向单基地雷达，基于无线电通信的双基地雷达领域的研究从此很少受到关注。随着现代武器系统的发展，电子战在现代或未来战争中的地位日益提高，由于无源雷达在电子战中潜在的优势，对利用民用通信辐射源的无源雷达系统，近年来人们从更新的、更高的角度重新认识。1994年，在法国召开的国际雷达年会上，三篇基于电视信号发射的双多基地雷达系统的文章标志无源雷达的研究进入了一个全面发展的崭新阶段。随着科技的发展，～D集成电路的采样速度已经达到非常高的速度。单就～D转换芯片而言，目前市场供应的采样速率能达到500MHz以上。同时微机板卡设计技术工艺的进步，微机标准总线的发展，使得A／D采样卡的采样速率及总线传输率达到很高速率。目前～D采样卡的采样速率已能达到100MHz以上。在以往数据采集中，IsA总线是经常采用的总线，如8位、16位IsA总线。它使用方便，无需开发驱动程序，得到了较为广泛的应用。但是IsA总线时钟仅8MHz，传输速度相对比较慢，不能满足连续大容量采集的要求。PcI总线推出以后，以其突出的性能备受汁算机和通信业界的青睐，它取代阻往的总线，成为高档机及高性能工作站外部部件的基石。PCI作为局部总线，一边与处理器和存储器总线接口；另一边为外设扩展提供了高速通道。采用32，64位BuRsT传输，使用独立于CPU的33MHz／66MHz时钟，峰值传输率132M／264MB／s。它可以有效的解决数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供了方便【2J。为此，我们根据课题的具体要求，以FM广播信号为非合作照射源，利用计算机PcI总线突出的数据传输性能，研制了基于计算机PcI总线的雷达回波信号采集系统，并对采集的数据进行白适应滤波处理。 雷达回波信号的采集与特征分析1．3本文的研究内容及章节安排本文主要是研究了基于FM广播信号的无源雷达的信号采集系统及其直达波对消。由于此课题聚用非协作商用FM信号作为照射源，所以首先介绍了调频信号的特点，由于调频信号的载频较高、带宽相对窄的特点，如果采用过采样技术，则需要较高的采样率，也对ADc及后续处理器件和算法提出很高的要求，有时难以实现，所以在对下变频到中频的信号实时采集时考虑采用带通采样技术。然后重点介绍了高速高精度采集卡PCI9820的工作原理及软件开发，实现了多种模式采集，很好的满足了多种实验及实际应用。然后对采集存储的实测信号数据进行特征分析，目标回波中存在很强的直达波干扰，给信号处理及特征分析带来很大困难，本文运用基于LMs算法的自适应滤波进行直达波对消，得到较好效果。第二章主要分析了调频信号的产生、特点及频谱特性，并简要叙述了调频波传输的特点及几个主要国家的调频广播的标准方式。由于调频信号的高频窄带特点，采样时考虑采用带通采样，所以分析了带通采样的基本原理、Nyguist采样原理及过采样技术，并研究了带通采样采样频率的选择问题，以及带通过采样对SNR的影响。第三章分析了高速高精度数据采集卡Pcl9820的硬件功能模块，分别从模拟输入、采集、存储器、触发方面、校准和多设备同步等方面分析了它的性能特点，并从板卡支持的功能中合理搭配使用适合课题研究的资源。第四章在Pcl9820硬件资源及内部函数的基础上，在Vc十十6．O中分剐编写了基于c／c++和基于MFC的采集软件，实现了板卡校准程序和定量采集、连续采集，定量、连续混合采集及定量连采多种采集功能，该程序已在现场实时数据采集系统中应用，且一‘直性能稳定，操作方便，满足试验和现场采集的各种需求。第五章重点介绍了LMs算法，并进行了仿真研究和实测数据验证。分别对单频信号单频干扰和宽带噪声干扰以及FM信号宽带噪声干扰进行了仿真，取得了较好的仿真效果；最后对实测信号数据进行处理分析，目标天线信号中的直达波信号得到很大的衰减，取得了较好的对消结果。第章总结了本文的主要内容及研究成果，并提出了进一步工作的展望。 郑州人学工学硕士论文2调频信号与带通采样本课题研究的背景是基于商用FM广播信号的双基雷达，所以分析学习调频信号与调频广播是很有必要的。又凼为调频广播载频很高，带宽相对较窄，属于窄带信号，即使下变频到中频后，载频仍有10．7MHz，而且，信号带宽(<180KHz)相对载频仍然较窄。对载频较高的信号如果采用基带采样，根据Nyq城st采样定量，则要求的采样频率，相应的需要高速的ADc，在实际中可能很难实现，而且会带来大量数据的存储与处理困难，所以实验研究中考虑采用带通采样。2．1调频信号和调频广播2．1．1调频信号2．1．1．1调幅、调频和调相众所周知，对于无线电广播来说，一般载波都是一个正弦波，即【3】：[，=L乙cos(qf+臼)(2．1)它包含三个参量：u，——高频载波的幅度；啡——高频载波的角频率(2月f)；臼——高频载波的相位。如果分别将这三个参量按另外某个信号的规律而变化，那我们就可以得到三种彳i同的调制方式，即调幅(变u。)、调频(变吐)和调相(变臼)。其实，调相本质上也是一种调频，因此，下面只研究调幅和调频的形成过程及其差别。2．1．1．2调幅波的形成假设有一个单音音频调制信号4_ 雷达回波信号的采集与特征分析“=u岛cos(Qf)=％cos(2石‘f)以及一个高频载波信号(2-2)u=％cos(qf)=‰cos(2万Zf)(2．3)式中：f——表示音频信号的频率；f——表示高频载波信号的频率；【，n——为音频信号的幅度；u。——为高频信号的幅度。所谓“调幄”(AM)是指高频载波的幅度(v。)随音频信号的变化而变化，而载波的频率(Z)不变化。声音越大，高频电波的振幅变化也越大：仅当话筒上不加信号时，高频载波的振幅才保持不变。调制信号的幅度越大，调制度也越大；调制信号的频率越低，己调信号的包络频率越低。我们通常收听的长、巾、短波广播均采用这种调制方式。调幅波也可以用数学公式表示：％Ⅳ=U(“mcosQf)cosqf(2．4)式中：m。瓷称调制系数或调制度，即音频信号的幅度与高频载波的幅度之比。从公式可见，高频载波的幅度是随着音频调制信号的规律而变化的。2．1l'3调频波的形成“调频”(FM)则是使音频信号去调制高频载波的频率，即高频载波的频率随音频信号而有规律的变化，而高频载波的幅度则保持不变。调频时，高频载波的频率对其中心频率的最大偏移称为频偏△，。声音越强时，频偏就越大，反之频偏就越小，即载波的频率偏移随音频信号的大小而改变。或者说频偏与调制信号的幅度成正比，在调频广播中，其最大频偏规定为±75丘舷。而高频载波频率变化的速度则由调制信号频率的高低来决定。调制信号的频率越高，已调信号在载波中心频率附近变化的速度也越快。最大频偏△F与音频调制波频率．疋之比叫调频指数。 调频波也可以用数学公式来表达：uⅢ=‰sin(qHMsinQf)(25)式中M：竺：竺，鉴于频偏△F与调制信号的幅度成正比，而与调制信号的频￡2，。率无关，因此调频指数M与调制信号的幅度成正比，而与调制信号的频率成反比。频偏：频偏是调频波的瞬时频率厂与原高频载波频率Z之差，即△F=I，’～f。一般国际上规定调频广播的最大频偏为±75翮锄。之所以这么规定，一方向是为了获得高保真的传输所必需的带宽，另一方面是为了有效地利用有限的频道间隔，在这两者之间进行了人为的折衷。调制度(m)：也叫调频度，如果以75尼眈的频偏作为loO％调制的话，那么对于小于100％的调制可阻用该时刻的频偏与75托眈最大频偏的比值来表示。例如，60莨耽的频偏就相当于80％的调制度。显然，一个信号的调制度m可以定义为该信号的振幅所产生的频偏△F与该系统所允许的最大频偏△E之比。调频指数：调频指数与调制度的概念大不一样，它是指由调制信号的振幅产^F生的频偏与调制频率之比，即M=三≥。这旱￡是调制信号的频率。例如：一个1，1n2足他的信号，其幅度产生了20足№的频偏，该信号的调制指数M=善=lo。调Z制信号的幅度越大，调频指数越大；随着调制频率的增加，调频指数却要减小。调^F频指数与调制度之间的关系是M=m竺墨。调频指数对确定调频频谱中边带的个)，数及其振幅大小是极为重要的。2．1．1．4调频信号的频谱调制信号的幅度和频率对调频波的频谱结构都有影响。理论上，由单音频凋制所产生的调频波的频谱应在载频的两边对称的有无数多个边频，边频的间隔等于音频信号的频率f，两边频的幅度则取决于调制频率和调频指数。每一对边频的I旧度可由贝塞尔(Bessel)微分方程的解来确定。调频指数越大，所需传输的边频数越多；反之，调频指数越小，所需传输的边频数越少。此外，中心频率的频谱幅度并不是固定不变的。当M增至某一值以卜-时，载频分量会完全消失。鉴于调频发射机输出的平均功率是固定的，因此此时的全部发射功率都包含在边带里，从能量的观点看，效率最高。对于一个单音频尚且如此，那么对于一个有较宽频带的音乐节目，渊频波的频一R 雷达回波信号的采集与特征分析谱就相当复杂了，所要占用的频带就很宽。实际上，由于远离中心频率的边带幅度很小，小到定程度时甚至可以忽略不计。理论分析，要得到基本满意的传输质量，必须传输99％的频谱能量。由贝塞尔函数的公式推导而知，需要传输的边频数为Ⅳ≥M+1，这里M为调频指数。例如，一般调频广播的最大频偏为±75K化，假设要传输的最高调制频率为±15尼№，对单声道调频广播而言，调频指数1=FSR>=5V>=1V7FFFFSR．1LSB4．99939VO．999878V3FFFMidscale+1LSB0．61mVO．122mV200lMidsca】e0O2000Midscale一1LSB．o，61mV．O．122mV1FFF—FSR．5V一1V0000<=FSR<一5V<．1V4000 雷达回波信号的采集与特征分析使用内部时基时，最高采样率达60MHz／s；使用外部时基时，最高采样率达65MHz／s。使用“pingp|蚰g”模式时，使用内部时基时采样率达120MHz，使用外部时基时达130MHz。注意：只有通道cHO可以使用“pingpong”模式。“pingpong”模式原理如图3．2所示。f]f]厂]厂]▲l相位相差180度]r]r]广]厂图3．2“曲19pong”模式原理圈实验研究中，选用内部时基60MHz，并在后续程序开发的采集程序中，分频数及是否开启“pingpong”模式均可根据实际需要选择。3．3存储PCI9820最大数据吞吐量是60MS／s‘2channels+2Byte“chaIlnel=240Ms／s，它远大于32bi“33MHz的PcI总线带宽，故而采样得到的数据是先存在卡上的sDRAM中的。由于每次采集存储的数据量受到板载内存的限制，所以为了满足不同用户的需求，PcI一9820支持从64MB到512MB的内存扩展。一旦数据在板载内存中存储完毕，再通过bus-mast翻ngDMA机制转移到用户的计算机存储器中。FirstPCIAddressr—．1PcIAddressr．卜PCIAddres3FirstLocalAddres5ILocalAddressILocalAddress1YansferSi积TransferSizcTransferSizeNextDescri饿oI-一NextDescripIoI}一NextDescriDtof△[二二二二二二二二二二]亘亘二二二二二二二二二二二二]△LocalLocaIJⅥemon’MemorvIvlemorv图33scatt刮ga山erDMA数据传输 邦州_凡掌工字坎上论义在多用户和多任务操作系统中，如MicmsofcWindows，Linux等，配置一大块连续的内存块去进行DMA传输是很困难的，所以PcI一9820提供了scatter／ga廿lerDMA功能将不连续的内存块连接起来使用，从而突破了不连续小块内存的限制。如图3．3所示。如果PcI一9820数据流量小于可用的PcI带宽(例如：20Ms／st2charulels+2Bvtes／channel=80MB／s)，可以不经板载sDRAM，实时将数据由板上3k—sampleFlFO(先入先出)存储器传至主机内存。实验中，为方便数据存储，板载内存扩展至512MB。3．4触发PcI一9820可以使用四种触发源：内部软件触发，外部模拟触发，外部数字触发，ssI触发信号，用户必须选择其中之一为触发源。当检测到触发源的特定条件时，触发事件发生，比如外部数字触发的上升沿。对于这四种触发源，当触发事件发生时，有四种触发模式(prc—trigg％middle—trigger，post—trigg钒delay一砸gger)开始不同形式的数据获取。重复触发时间问隔为两个时钟周期，pre-trigger深度、post—trigger深度：64MB到512MB，取决于板载存储器大小。F面分别介绍一下触发源及触发模式。本课题只使用一块板卡，ssI触发不再介绍。3．4．1触发源34．1．1软件触发软件触发不需要外部触发源，当调用执行此操作的特定函数时，触发有效。3．4．1．2外部模拟触发模拟触发来自通道CHo或CHl，触发极性为上升／下降沿，耦合方式为直流。在整个电压范围内有256级触发灵敏度，滞后和偏差分别为全范围的1．5％和1．25％。用户可以选择cHO或cHl作为外部触发源引入通道，并月．可以通过软件设置具有8位分辨率的触发电平，模拟触发电平与数字设置对应关系如表3．2所示。 雷达回波信号的采集与特征分析表3．2模拟触发电平数字化对应表触发!b平0xFFOxFEOx81Ox800x7F0x01数字设置触发电平4．96V4．92V0．04V0．0．04V4．96Vr±5V、触发电平O．992V0984VO．008VO．O．008V—O．992V(±】V)模拟触发条件分两种情况：上升沿触发及下降沿触发，如图3．4所示。上升沿触发：当触发信号(模拟输入信号)从低于指定的触发电平的电压值上升到高于触发电平的电压值时，触发事件发生。下降沿触发：当触发信号(模拟输入信号)从高于指定的触发电平的电压值下降到低于触发电平的电压值时，触发事件发生。j蚴洲＼n夕洲发＼R二夕—弋～___3．4．12外部数字触发当板卡sMB接口TRGIo检测到一个TTL的上升沿或下降沿时，外部数字触发发生，如图3．5所示。触发极性为上升／下降沿，j叮以由软件设置。±兰封_LI图3．5外部数字触发输入TRGlOi．堡一一：1‘。。‘‘‘‘。。‘。·_______________________________J．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．—jI—————————巧；2-3时基时钟数图3．6TRGlO输出信号时序图注意，外部触发信号应该是TTL兼容的，而且最小脉宽是10ns。当触发源是软件触发，外部模拟触发或ssI触发时，用作TRGIo的此sMB接口也可通过编 程输出触发信号，时间特性如图3．6所示。3．4．2触发模式34．2．1Post—trigger模式如果希望在触发事件后开始获取数据，采tI=}j此模式，如幽3．7所示。操作开始触发事件获取结束图3．7后触发模式时间3．4．2．2Pre—trigger模式使用此模式在触发事件发生前获取数据，一旦执行用于pre．triggcr操作的特定函数调用，数据获取开始，当触发事件发生时截止。当触发事件发生在指定量的数据获取之后时，系统只保存触发事件前的指定量的获取数据。如图3．8所示。操作开始触发事件1狄戢，姒甜一■—一定量的数据～—_+获取并存储指『一图3_8预触发(触发事件发生在指定量数据获取完毕之后)时间然而，如果触发事件发生在指定量的数据采集完成之前，通过软件没置系统做出下面响应之一：1、系统在触发事件发生时立即停止数据获取，这样就意味着实际获取的数据量小于指定量，如图3．9所示；2、忽略此触发事件，真到指定量的数据获取完毕，此模式可以保证用户获取到指定量的数据，如图3．10所示。操作开始触发事件图3．9预触发(操作开始后任何时间触发信号被接受)．22- 卜萋娶耋蠹嚣÷图3．10预触发(指定量数据获取完毕之前触发信号均被忽略)3．42．3MiddIe—trigger模式使用此模式，可以在触发事件前后获取数据，触发事件前后获取的数据量(M和N)可以分别设置，如图3．11所示。操作开始触发事件图3．11中间触发时间像pre—t—gger一样，如果触发事件发生在指定数据量M获取完毕之前，存储的数据量会小于指定的数据量M。此时，用户也可以通过程序设置忽略此触发事件，南到指定的数据量M获取完毕。3．4．2．4DeIay—trigger模式此模式是在触发事件发生后延时一段时问再进行数据获取，如图3．12所示，延时时间由一个32位计数器设置，所以最大的延时时间为时基周期*(232—1)，最小的延时时间为一个时基周期。图3．12延迟触发一23-时问 3．4．2．5Post_trigger及Delay—trigger的Re—trigger模式对post—trigger及delay．triggcr使用re-trigger模式，就是在一些触发事件发生后都获取数据，如图3．13所示。用户可以编程设置触发事件数，然后PcI．9820会在指定数的触发事件后都获取数据，直到指定的数据都存储完毕。初始化以后，数据获取过程不需软件干涉。操作开始触发事件时间图3．13后触发的重复触发模式实验中，触发源选择软件触发，触发模式选择后触发(Post-trigger)。3．5校准Pcl9820的自动校准功能是由微调DAc校准模拟输入通道的偏移和增益误差而实现的，而不需要连接外部信号、参考电压或测量设备。其校准电平为5．ooOv，温度系数为±2pp州oc，长期稳定性为6ppIll／1OooHr。校准结束后，校准常数可以保存在EEPROM中。在EEPROM中，除去厂家校准常数的默认模块外，还有三个用户可修改的模块，用于存储三组不同环境下的校准常数，需要的时候可以由此载入校准常数。因为误差随着环境和温度的不同而变化，所以当板卡安装到新的环境时，建议重新进行校准。因为所有的校准是由软件指令自动执行的，故不必调整调谐电位器来校准板卡。注意：校准之前，应先将板卡预热至少15分钟。实验研究中，利用其提供的自校准功能及相关内部函数编制了自校准程序。当板卡插入到新的系统中时，经过至少15分钟的预热后，运行程序校准扳卡。3．6多卡同步在Pcl9820中，一个同步总线(系统同步接口s”tems”chronizationinterface，ssI)在一个或多个PcI一9820设备之问传递时钟和触发信号。ssI可以通过共同的触发信号，或者用于多个设备采集的单个采样时钟以达到不同采集设备的同步。实验研究中，本课题根据实际需要仅使用一块板卡，多卡同步不多介绍。 3．7小结本章分别从模拟输入、采集、存储器、触发方面、校准和多设备同步等方面介绍了Pcl9820的功能模块，并分析了这些方面的性能特点。了解到板卡AI信号数字化规则，支持的各种时基，以及各时基下最大采样速度和“pingpong”模式原理，然后分析了其数据传输原理(scatt刮gatherDMA)。最后，分析了其支持的多种触发源及触发模式，以及方便的自校正功能，并简要介绍多卡同步(ssI)。通过以上分析：PcI一9820是一款65Ms／s采样率，高分辨率，板载大容量sDRAM的PcI总线数据采集卡，支持32bit的3．3v／5v的PcI总线，具有良好的性能，也是本课题选择Pcl9820的原因，针对其硬件特性，本章结合本课题内容完成了硬件性能分析和需要资源选择，为系统的软件开发打下基础。 4数据采集程序设计与开发4．1Pcl9820软件支持ADLINK公司提供了通用的驱动和软件包给开发不同系统的用户。不仅有可编程的函数，例如提供DLLs给大多数windows系统的用户，也为如LabVIEw等软件包提供了其他的驱动。另外，此卡可以在L玳uK系统下使用。对于自已编写程序的用户，ADLINK公司为很多不同的操作系统提供了函数库。包括：wD．DAsK：包括适用于Windows98、w证dowSNT和windows2000的设备驱动和DLLs。对于上述三系统，DLL是二迸制兼容的。所有用WD。DAsK开发的应用在上述三系统中也是兼容的。开发工具可以是VB、vc++、Delphi、Bc5或者是任意支持DLL调用的windows程序开发语言。wD—DAsK／)(：包括用于Linux系统的设备驱动和共享库。开发环境可以是Gnuc／c++或任意支持连接共享库的程序开发语言。wD—LVIEw：LabvIEw驱动。wD．L，vIEw包括用于与NI的LabvIEw接口的vls。支持wjndows98／N1、／2000。wD—Ocx：Activex控件。对于熟悉ActiveX控件和VB，vc++编程的用户，可以使用wD—oCxAdiveX控件库进行开发应用。wD．Ocx适用于Windows98／NT／2000。另外，ADLINK提供Activex控制软件DAOBench。DAQBench是一套开发量测或自动化应用系统的ActivcX控件。使用DAOBcnch，可以很容易地丌发出复杂的用户界面(userIntcrface)来显示信号数据、分析所采集到的数据、快速地与Excel、数据库或web做信息整合。运用DAOBench的AcAD洲MI功能，可以很快地开发分布式(dis埘buted)人机界面(HMI)应用系统。虽然DAOBenchActivex控件是以在VisualBasic使用为主要设计考虑，但也可在任何支持Activex标准的软件开发平台(ActiveXcontainer)使用，如ⅥsuaIC++、c++Builder和DelDhi等。 雷达回波信号的采集与特征分析42操作系统及开发软件选择由以上介绍可知，Pcl9820可以在windows98、windowsNT、windows2000及l，inux操作系统下使用。前3个Microsoft的操作系统市场份额非常大，而日本课题中雷达现场所使用的操作系统也是Microsoft公司的产品，所以主要考虑前3个操作系统；而且Linux操作系统是基于多任务的网络操作系统，因此不考虑采用。window95／98具有同样的内核，它们都是基于图形界面的多任务操作系统。它们都是从16位的DOs代码发展而来的，有16位代码的缺点。但它基本支持了win32s的大部分函数。winNT／2000是同一个内核，它是89年以后才开始开发的高级操作系统，起点高，系统具有较好的健壮性，且支持多处理器系统。它是使用纯32位代码的基于图形界面的多任务操作系统，具有较好的安全性和稳定性。win95／98和winNT／2000都是通过多线程的调用完成多任务的执行。线程是windows的唯一执行单位，是windows为程序分配CPu时间的基本实体。每一个进程都由一个或多个线程组成，由于不同线程具有不同的优先级以及可处于不同的状态，因而windows可依靠线程的优先级和分配给线程的cPu时间来调度线程，达到执行多任务的目的。其中win95／98在x86系统上的线程调度的最小时间片是15ms，winNT／2000在x86系统的线程调度最小时间片是l0IIls，由此可见，winNT／2000更有利于实时系统。综上所述，操作系统选择winNT／2000：win98虽然在性能上不及winNT／2000，但其对硬件的需求较低，因此根据设备情况也可以使用它。在Pcl9820支持的软件开发环境中，Visualc++是微软公司开发的基于c／C+十语言的可视化开发平台，具有代码效率高，语言灵活，移植方便等特点，更适合开发与硬件相关的实时应用程序，因此选择Visualc++6．O作为应用程序的开发平台。4．3程序数据类型为了编程方便，在头文件wD—DAsK．H中把常用到的数据类型进行了宏定义，下表列出了这些宏定义、描述、实际范围及c／C++中数据类型的对应关系如表4．1所求。 郑州大学工学硕士论文表41程序数据类型对应表C／c++对应类型宏名描述范围(32bit编译器)U88位AscIl字符0～255unsignedcharJ1616位有符号整数一32768～32767shortU1616位无符号整数0～65535unsignedshort13232位有符号整数．2147483648～214748364710ngU3232位无符号整数O～4294967295unsigned10ngF3232位单精度浮点数．3．402823E38～3．402823E38noat一1．797683134862315E308～F6464位双精度浮点数double1．797683134862315E3084．4板卡校正程序开发因为板卡的误差随着环境和温度的不同而变化，所以当板卡安装到新的环境时，为了得到正确的采集结果，一般需要重新进行校准。注意：在启动校准程序前，应先将板卡预热至少15分钟。板卡预热后，运行程序，输入操作板卡号(0—31)，先注册该操作板卡，成功后再调用自校准内部函数进行自动校准，这可能需要几分钟时间，成功后再释放板卡，退出程序，如果注册或自校准失败，程序将弹出相应的错误对话框并自动退出。程序流程图如图4，1所示。程序运行界面与后续定量采集程序运行界面窗口(图4．3)相似，这里不再显示。m(card=wD—Re百st。r-Card(PcL9820，card—n啪))<0){曲nt州Error％d吲ngtoopenpci982‰”，GeILastE∞r())；exit(1)；}print《”Itwilltal(eseVeralsecondstonnishtheauto—calibration＼n”)；printf(”press’Ent盯’tostartautocalibmtion⋯＼n”)；getcha“)；err=wD—AD—Auto—Calibra石onALL(card)；iHerr!=NoErmr)图41板卡校正程序流程图p—ntf(”＼IlAutocalibrationFailed％d＼n”，e哪；elseprint“”＼nAutoCa“bradonwD-Re】easelCard(card)；程序所用内部函数说明：(1)wD_Re百ster．card()：初始化Pcl9820的硬件及软件状态，然后返回操作 雷达回波信号的采集与特征分析卡的卡号。此函数必须在调用所有其它wDDAsK库函数前进行调用，此函数初始化板卡及内部变量并存入wDDAsI库中。由于wDDAsK器件支持PnP(P1ugandPlav)，其基地址及中断请求IR0级别都直接由系统BIos配置。函数原型如下：116wD_Regist旺card(u16card聊e，u16card_n啪)card，I卸e：被初始化板卡的类型。本课题采用的板卡类型为PcI9820。cardnum：插入主板PcI插槽的相同类型板卡(card伽e中指定的类型)的序号。根据主板上PcI插槽的顺序来设置板卡的序号，插入最优先PcI插槽的板卡的序号设置为cardn啪=0。例如：如果Pc上插有两块PcI9820卡，插入优先PcI插槽的板卡的序号设置为cardnum=O，另一块板卡的序号设置为cardnum=1。返回代码：此函数返回被初始化板卡的卡号，有效的卡号范围为0口3l，数据类型为116。如果函数执行过程中有错误发生，它将返回负的错误代码，可能的错误代码有：ErrDrUnknowncardType，E玎orTooManycardRe垂st盱ed，EnDropenDriverFailcd，E玎orop∞EV锄tFailed。(2)wDADAutocalibrationALL()：此函数用来校正wDDAsK器件，在本课题中也即是Pcl9820。一旦调用此函数，器件进入自校正循环，自校正完毕后函数自动返回。函数原型如下：116wD—AD—Auto—calibratiokALL(U16cardNumber)cardNumber：执行此操作的操作卡卡号。返回代码：NoEn．or’ErrorInvalidcardN啪ber，Erro忙ardNotRe2istered，E玎orFuncNotSu印ort，E仃。订nvalidIoCh釉el。(3)wDRdeaseCard()：系统同时最多可以注册32块板卡，此函数通知wDDAsK库此注册卡现在不用可以释放，以便为注册新板卡预留资源，在程序结尾需调用此函数释放所有注册板卡。函数原型如下：116wD—ReleastCard(u16cardNumber)cardNumber：希望释放的板卡卡号。返回代码：NoEⅡor。注意：板卡内部函数原型包括分别支持MicrosonC／c++、BorJandc++和visualBasic开发环境的，而且MicrosofIC／C++和Bo订鲫dc++使用相同的函数原型。由于本课题软件开发环境选用Vc++6．O，所以论文中只介绍支持MicmsoRc／c++和BorlandC++开发环境的函数原型，支持ViSualBasic开发环境的函数原型与支持支持MicrosofIc／c十十和BorlaJldc++开发环境的函数原型相似，论文中不再另外介绍。另外，本论文中应用到的内部函数均支持Pcl9820板卡，不再一说明；程序 中用到的内部函数只介绍一次，重复应用时不再重复介绍。4．5定量采集程序开发定量采集模式就是在程序设计时预设或在程序运行时指定采集数据量，当指定量的数据采集完毕后程序自动退出，采集后的数据存储到计算机硬盘上，文件名可以由用户给出。由于定量采集用到的是单缓存模式，不涉及到缓存的频繁读写，所以可以利用板卡支持的最高采样频率进行数据采集，这样可以获取到更多的目标信息。另外，由于Pcl9820板卡提供的特殊的数据传输原理，高速采集的数据可以快速存储到计算机硬盘上。此程序采集数据量在程序设计时指定，编译调试成功后运行程序，输入操作板卡号、通道数、输入范围、分频数及自定义文件名等相关参数，然后注册板卡，根据输入的相关参数进行通道、触发及缓存配置，再调用内部采集存储函数wDAIcontsc蛐challllelsToFile()进行数据采集存储，当指定量的数据采集完毕后，缓存复位并释放板卡，程序自动退出。在以上各步骤中均设有判断操作成功与否语句，任何操作失败程序都会弹出相应的错误信息并自动退出。程序流程图如图4．2所示。程序运行界面如图4．3所示。i“(card=wD—Register-一card(PcL9820，card_num))