基于9223模块超宽带雷达回波信号实时采集系统的设计与实现

张延波, 王忠民, 徐文青 , 杨秀蔚

(1.山东金睛锐达电子科技有限公司， 山东 济南 250101；

2.山东省科学院自动化研究所， 山东 济南 250014)



基于9223模块超宽带雷达回波信号实时采集系统的设计与实现

张延波1,2, 王忠民2, 徐文青2, 杨秀蔚2

(1.山东金睛锐达电子科技有限公司， 山东 济南 250101；

2.山东省科学院自动化研究所， 山东 济南 250014)

摘要：针对超宽带探测雷达回波的采集要求，设计了一种基于9223采集模块的回波信号中频信号采集系统.该系统将穿墙雷达回波信号与本振信号进行混频处理获取可直接采样的中频信号，由计算机控制9223采集模块完成了四通道回波信号同步采集并经以太网传输至计算机；依据数据采样流程，系统给出了混凝土墙体(墙体厚度12cm)后面1米处、2米处目标回波信号.实验结果表明，该采集系统有效避免了超宽带穿墙雷达直接采样的实施难度，回波信号能有效分辨目标对应峰值，满足了超宽带数据采集系统的需求.

关键词：超宽带雷达； 回波信号； 中频采样； 9233模块； 实时采集

超宽带探测成像雷达是一种新型高科技反恐技术装备，具有极高分辨率，穿透性强、多径干扰小等优点，能够探测识别被障碍物遮挡的目标，主要用于反恐防暴斗争中对未知建筑物内犯罪分子的搜寻定位，同时也可用于地震、塌方、火灾等重大灾害的人员救援[1-3].

回波信号的采集是超宽带探测雷达目标识别、探测成像的前提与基础，超宽带雷达具有GHZ级别的信号带宽，受限于采样器件的水平与处理性能，实现雷达回波信号的直接采样具有很大难度[4-6].目前，超宽带雷达系统大多采用的是将回波信号与本振信号进行混频处理获取中频信号，回波信号相对于发射信号的延迟包含在中频信号的频谱中，直接采样后的中频信号能准确记录目标回波的时延信息，保持了信号相位的相参性[7].传统的雷达回波数据采集方式多是基于ISA 、PCI总线设计的，在带宽、实时性、数据容量及传输速率方面受到限制，本文设计了一种基于9223采集模块的以太网数传采集系统，实现了回波信号实时同步高速采集、传输、存储分析系统.

1超宽带雷达回波信号采集系统设计

1.1系统结构

本文中采用4个小型接收天线接收超宽带雷达回波信号，经滤波、放大后与系统提供的本振信号进行混频获取中频信号，中频信号由数据采集模块经以太网传输至计算机.系统仅对对中频信号进行直接采样、处理，避免了宽频、高频高速采样的限制，降低了雷达回波信号数据采集的难度[8].系统组成如图1所示.

图1　系统组成框图

其中，计算机通过以太网口与机箱相连(机箱用NI 公司的CompactDAQ-9188系列)，机箱cDAQ-9188有8个插槽，在任意插槽上插有数据采集模块 9223，9223模块的CH1，Cp，Cp，Cp 4个输入通道通过同轴电缆与4个混频器的输出端连接.

计算机及其控制软件是系统的控制核心，控制采集模块完成四个通道的回波信号同步自动采集、采集数据通过以太网上传到计算机，计算机将接收的数据按照不同通道进行存储，并进行滤波分析、处理.

1.2采集模块

本文中的选用的9223是NI公司C系列采集模块，是一款16位同步模拟输入模块，有4个差分的模拟输入通道，特别注意的是该模块只能工作在CompactDAQ或CompactRIO机箱中，具有软件触发、模拟触发与数字触发等多种触发模式，有效的保证了多个通道数据采集的同步性.NI提供了采集模块的API函数库，实现了模块底层I/O的实时读写，支持VC、VB、Labview等可视化开发工具的二次开发，为应用该模块进行二次开发提供了极大便利.9223模块的性能参数如表1所示，其参数满足了雷达回波中频信号直接采样的的性能需求.

表19223模块性能参数

型号总线输入范围/V最大采样率/MS·s-1分辨率精度/%最小输入范围/mV9223以太网,USB±10.0116位±0.10.1

2回波信号采集系统程序设计

Visual C++作为目前流行的可视化编程工具，支持面向对象和事件驱动机制的程序开发[9]，开发者可利用该开发工具通过调用NI提供API函数，控制数据采集模块，实现回波信号的单次或连续采集功能.

2.1回波信号实时采集设计

在采集目标回波信号之前，首先要在计算机上安装硬件驱动程序NI-DAQmx，安装驱动之后，计算机识别数据采集设备，API库函数才能被编译调用.安装完毕后重启计算机然后启动DAQ配置软件，设定机箱的IP地址，配置NI9223模块.

数据采集模块操作大致由设备查找，模块初始化、触发指令、读取数据、缓冲释放等步骤组成，实时采集数据流程如图2所示.

图2　采集数据流程图

2.2实时采集程序

实时采集程序主要是调用9223API函数库中的设置函数，触发函数以及读数据函数，实现对模块的读取数据操作.限于篇幅，本文仅给出采集程序的核心代码.

TaskHandletaskHandle；//定义任务句柄

intlength；//采样数据长度

floattempdata[length*4];//4个通道数据缓冲区

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

{if(DAQmxCreateAIVoltageChan(taskHandle,"/cDAQ9188-17411B8Mod1/ai0:3","",DAQmx_Val_Cfg_Default,MinV,MaxV,DAQmx_Val_Volts,NULL)==0) //创建模拟电压输入通道

{ if(DAQmxCfgDigEdgeStartTrig(taskHandle,"/cDAQ9188-17411B8/PFI0",DAQmx_Val_Rising)==0)//外部数字触发

{

if(DAQmxReadAnalogF64(taskHandle,2500,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,tempdata,length*4,&lengtn,NULL)==0)//读取4通道数据

{

………..；//处理所采集数据

}

else

{

return;

}

}

else

{

return;

}

}

else

{return;

}

}

2.3实验结果

图3、图4为超宽带雷达探测混凝土墙体(墙体厚度12cm)后面运动目标的回波信号数据，数据采集参数为采样率25KS/s，量程±1V，采样点数2500点.

图3　1m处回波信号

图4　2m处回波信号

图3、图4显示了墙体后面运动目标的位置信息，其中，图3为墙体后1m处第一通道回波数据，图4为墙体后2m处第一通道回波数据，图中纵坐标为回波信号的电压幅值，采集系统可检测出微弱信号，能有效分辨0.1mV信号；图3、图4回波信号的峰值对应着不同的时间轴，说明了墙体后运动目标的不同位置，采集的回波信号满足了中频采样设计需求，为非实时成像算法验证提供了良好的数据基础.

3结束语

基于9223数据采集系统，最高采样率1MS/s，四通道实时、同步采集雷达目标回波信号，计算机同时将信号进行处理、存储.实验结果表明，该系统操作简单便捷，运行稳定，信号采集精度高，传输速率快，满足了雷达系统中频信号的采集要求，为超宽带雷达目标识别与探测成像前期算法验证及后期的实时探测成像提供了良好的数据基础，有较好的应用前景.

参考文献：

[1]姚雪，孔令讲，易川，等. 一种适用于穿墙雷达成像的墙体补偿算法[J].雷达科学与技术,2014,12(6):654-655.

[2]介利军，欧阳缮，杨洁，等. 超宽带穿墙雷达成像技术研究[J].现代雷达，2012,34(5):35-36.

[3]贺峰，朱国富，牟妙辉，等. 超宽带穿墙雷达对人体动目标探测的实验研究[J].现代雷达,2010,32(7):29-30.

[4]林钱强，唐鹏飞，陈曾平. 宽带雷达中频直接采样与高速存储系统设计与实现[J].雷达学报,2012,1(3):283-291.

[5]顾苏，王晓红，陈沁梅. 超宽带雷达中超高速数据采集技术[J].雷达与对抗,2007(4):27-28.

[6]李斌，傅唯威，王勇. 基于周期抽样的超宽带生命探测雷达信号处理方法[J].仪器仪表学报,2010,31(9):1980-1981.

[7]胡凯，欧阳缮，徐五生. 超宽带穿墙雷达数据采集系统的设计与实现[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(1):10-11.

[8]翟晓军，陈明，李阿楠. 基于超宽带的隔墙探测二维成像雷达系统[J].探测与控制学报,2007,29(4):22-23.

[9]李娟，张钦. 基于动态链接库的VisualC++混合编程[J].计算机工程与设计,2010,31(9):2140-2149.

(编辑：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

中图分类号：TN911

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2016)04-0053-03

作者简介：张延波,男,zhangyanbo@163.com

基金项目：济南高新区企业自主创新计划(济高管发(2013)Z38号38#);山东省科学院先导科技专项计划(201220102);山东省科技厅自主创新及成果转化专项(2014CGZH1104)

收稿日期：2015-09-02