[NI技术]借助 LabVIEW、 PXI和 DIAdem创建用 于雪崩成像的 FMCW相控阵雷达.doc

NI技术借助 LabVIEW、 PXI和 DIAdem创建用 于雪崩成像的 FMCW相控阵雷达借助紧密集成的 NI LabVIEW软件 和PXI Express数据采集硬件，我们在冬 天成功地测量了三个 自然雪崩事件，接下来我们预计将会记录 更多的数据。- Matthew Ash, University College LondonThe Challenge:研究雪崩流体动力 学，从而更好地预测 雪崩行为以及判断危 险区域。The Solution:图1. VDLS掩 体的雷达天线阵列借助紧密集成的 NI PXI硬件和 LabVIEW软件 来采集高分辨率高速 雷达阵列数据，生成 雪崩流体密集区域的 二维动画。Author (s):Matthew Ash - University College London雪崩严重威胁到人类 的生命和居住环境， 因此，对雪崩进行研 究是确定雪崩危险区 域的关键。 此前， 由于缺少高质量的现 场数据，用于预测雪 崩行为的验证模型受 到了限制。 我们可 以使用雷达传感器来 采集现场数据，但以 目前的形式，这些模 型只能提供一维的测 量数据。 发射器功 率也限制了它们只能 达到50米的距离分 辨率，这对于展现雪 崩的真实动态情况是 远远不够的。本项目通过采用新开 发的调频连续波 (FMCW)相控阵 雷达来研究雪崩流体 的深层动力。 借助 这个功能独特的雷 达，我们现在可以生 成高分辨率的二维速 度测量数据和实现雪 崩事件的全二维动画 重现。 参与本项目 的研究机构包括: 谢菲尔德大学、 剑桥大学 和 伦敦大学学院 (UCL)。 我 们在UCL进行雷达 系统开发及其相关的 雷达信号处理。该雷达安装在瑞士 Vallede Sionne (VDLS)一处设 备齐全的雪崩测试站 点的钢筋混凝土掩体 中。 掩体固定在与 雪崩轨道相对的斜坡 坡脚，为雷达设备提 供保护。 我们在该 测试站点上安装了雷 达、压力传感器和声 学传感器等各种传感 器来研究雪崩的过 程。 我们可以在下 雪后通过在山顶引爆 炸药来人为地引发雪 崩，以进行实验测 量。 该站点也适用 于自然雪崩，它可通 过声学传感器自动触 发仪器进行测量。数据采集和雷达控制一些专用的数据采集 系统看起来似乎可以 满足我们的设计要 求，但是，只有NI 的解决方案能够为我 们的项目提供足够紧 密的硬件和软件集成 来保证项目的成 功。 我们购买了配 置NI PXIe- 8130控制器的 PXIe-1082 机箱以及一个8通 道16位NI PXIe- 6366 X Series DAQ设备， DAQ设备的规格参 数完全满足我们的数 据吞吐量和动态范围 要求。系统结合了一 个第三方高速固态驱 动，可以测量整个雪 崩事件（预计至少可 持续两分钟），而不 会存在数据丢失或缓 冲区溢出。该系统与 LabVIEW 的结合对于系统的 软件设计非常重 要。 我们需要雷达 在整个冬天无故障地 运行，因此软件的可 靠性至关重要。 该 雷达还与雪崩测试站 点掩体处的触发系统 连接。 我们通过 NI提供的电话和现 场支持迅速完成了 LabVIEW的配 置，然后开始检测触 发并进行数据采集， 同时控制继电器打开 雷达发射器。 我们 在部署之前对基于 LabVIEW的软 件进行了大量测试来 证明其可靠性。 软 件开发进行得非常顺 利，帮助我们节省了 大量关键的开发时 间，我们的系统在雪 崩季节即可开始运 行。雷达设计在UCL开发的雷达 采用FMCW设计， 通过混合发射的线性 频率调制(LFM) 信号与接收的返回信 号来进行测距修 正。 这种混合过程 会产生一个频差（差 频），用于提取目标 的距离和速度信 息。 在本案例中， 雷达的工作频率为 5.3 GHz，该 频率可以定位雪崩的 潜在密集区域。我们的FMCW雷达 具有亚米级分辨率， 发射器功率相对较 低，这是因为传输的 信号具有较宽的带宽 (200 MHz)，而且雷达 会连续不断地发射信 号。 混合过程还会 将所有信号能量压缩 到一个非常小的带宽 中，从而相对于其他 脉冲压缩技术减少接 收器采集硬件的形 变。UCL雷达具有八个 接收器通道，第一次 可以提供水平分辨率 （因此雷达生成的是 二维图像）。 8个 接收器天线随机分布 在一个宽5.3米的 口径上，可实现1公 里范围内大约10m 的水平分辨率。该雷达的最大测量范 围大约是3公里，以 实现整个雪崩轨道的 成像。 为了达到该 要求，我们采用了 NI PXIe- 6366 DAQ设 备，该设备能够以我 们所需的2 MS/s采样率同时 采集八个通道的数 据。 对雷达发射天 线和与其最靠近的接 收天线之间的交叉耦 合进行估算意味着雷 达需要具有约 80dB的动态范 围；因此，接收器模 数转换器至少需要 14位的分辨率。雪崩测量数据系统采集雪崩测量数 据之后，便可完全脱 机处理记录的雷达数 据。 为了减少数据 处理时的内存占用 （因为数据集非常 大），系统通过 NI DIAdem 及其Visual Basic脚本 (VBS)函数将数 据分成段。 DIAdem 以第三方软件可直 接读取的格式方便地 输出数据段。 每个 接收器通道首先分别 对采集的数据进行处 理。 通过对数据进 行移动目标检测，我 们可以过滤掉静止的 目标，并隔离出与正 在移动的雪崩相关的 目标。 图像中的每 个像素强度与移动目 标返回的信号强度成 正比。结论借助紧密集成的 NI LabVIEW软件 和 PXI Express数 据采集硬件，我们在 冬天成功地测量了三 个自然雪崩事件，接 下来我们预计将会记 录更多的数据。” 未来的计划包括采用 技术来跟踪雪崩前 沿，从而通过多普勒 信息来测量雪崩速 度。 我们将会根据 藏在雪崩掩体中的其 他雷达仪器所采集的 数据来对我们的速度 估算进行验证。 我 们的终极目标是以每 秒50帧的速率生成 整个雪崩事件的二维 动画。Author Information:Matthew AshUniversity College LondonDepartment of Electronic and Electrical Engineering, University College LondonLondon1/7United KingdomTel