基于LabVIEW的运动目标速度测量

Author(s):
金杰 姚 - 山西省中北大学

Industry:

Products:
LabWindows/CVI, LabVIEW, PXI/CompactPCI, LabVIEW SignalExpress

The Challenge:
利用虚拟仪器技术结合现代信号处理技术，短期内构建一套精度高、成本低、移植性强的运动目标测速平台。

The Solution:
使用NI公司的PCI-5124高速数字化仪板卡实现高速多普勒信号采集；利用LabVIEW 8.0软件结合LabVIEW 高级信号处理工具包完成复杂的现代信号处理算法。使用NI软硬件结合的虚拟仪器技术开发基于PC机的运动目标测速平台，大大减少了开发时间和成本，充分体现了虚拟仪器构架的优势。

软件无线电思想

软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的设计方法中解放出来。无线电功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性，全面可编程性和模块化特点，可通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。由于虚拟仪器构架恰好符合软件无线电的思想，因此非常适合于软件无线电系统的开发。

 

运动目标速度测量方案

在汽车、飞机等运动目标速度测量的发展过程中，硬件上从区截装置测速仪发展到了现在的毫米波测速雷达，软件平台从单片机、DSP，一直发展到后来的虚拟仪器，信号处理技术则从时域测速、频域测速，直到今天的时频域测速。结合运动目标测速的发展现状，本文则提出了基于毫米波测速雷达、虚拟仪器和时频域测速的运动目标速度测量方案。

在利用测速雷达对运动目标进行速度测量过程中，由雷达天线向目标运动方向上发出连续等幅度的电磁波，同时接收目标反射回来的电磁波信号，经射频前端处理后，结合软件无线电的思想，直接利用NI的高速数字化仪PCI-5124采集多普勒信号，并存储至装有  LabVIEW软件的PC机，最后通过LabVIEW8.0构建运动目标测速软件系统对信号进行处理和分析，完成对运动目标的速度测量。

对运动目标多普勒信号而言，由于其受到各种噪声的影响，信号变化剧烈，首先应通过小波变换去除信号噪声及趋势项；其次，由于其频率成分是不断变化的，通过加入窗函数对多普勒信号进行分段，并且使每段数据尽可能地包含回波信号中大于一个周期小于两个周期的数据，可认为每段信号的频率特征都没有发生改变；然后进行FFT分析，求出每段数据的功率谱，即进行STFT时-频分析，通过峰值搜索求得各段功率谱峰值对应的频率点；最后根据多普勒原理完成运动目标速度的计算。其整体设计框图如图1所示。

图1 运动目标测速系统总体框图

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运动目标多普勒信号采集

根据软件无线电的思想，应使A/D或D/A尽可能靠近射频天线。在运动目标速度测量中，则应将数据采集卡置于最接近天线的地方，因此对数据采集设备的速度提出了很高的要求。本课题所使用的微波雷达工作频率高达35.92GHz，因此可将回波信号作下变频处理后进行采集。将下变频处理后得到的多普勒信号直接利用NI公司的PCI-5124高速数字化仪板卡进行采集，并利用板卡上的滤波功能进行处理后，将数据存储至计算机等待进一步分析处理。

PCI-5124数据采集卡的主要指标如下：

（1）200 MS/s的实时采样，4.0 GS/s的等效时段采样或外部时钟控制；

高速的采样率和灵活的时钟配置方式使得该板卡非常适合软件无线电构架，对于本系统中频率范围宽的多普勒信号也非常实用。

（2）-75dBc无寄生动态范围(SFDR)；

（3）带有去噪和防混叠滤波器的150MHz带宽；

较大的动态范围和滤波功能，非常适合于本系统中噪声干扰大的特点，有效抑制了噪声干扰对测量精度的影响。

（4）8MB、32 MB、256 MB或512 MB可选板载采集内存；

由于包括PCI总线在内的各种总线都有一定的速率限制，因此大的板载内存使得采集到的信号可以有效地进行实时存储，而且更多的采集结果也有助于信号分析的精确性。

（5）使用100ps时间信息进行边缘、视窗、滞环、视频和数字触发；

（6）12位分辨率的双同步采样通道。

通过以上分析可以看出， NI公司的PCI-5124高速数字化仪板卡可以实现高速采集，大容量存储，并且带有滤波功能，因此针对本系统中要求高频数字化且面临噪声干扰大的情况是非常适合的。另外值得一提的是，该板卡的驱动中提供了NI-Scope软面板，可以无需编程直接进行数据采集和存储，通过这种方式可以方便地进行离线信号处理。因此，在本项目中即采用此方法处理采集的多普勒信号。

 

运动目标多普勒信号预处理

在完成多普勒信号的采集后，在PCI-5124降噪和滤波功能的基础上，为了进一步减小实际环境对于测量精度的影响，需要进一步进行信号预处理。目前实现降噪有传统的滤波法和小波降噪法，在实际测试时需根据噪声和信号的不同选择不同的降噪方法。滤波器降噪方法只适于平稳随机信号和噪声与信号分离的情况，而小波分析方法因其具有多分辨率的特点，用于对非平稳信号的去噪，既能有效地去除噪声，又能很好地保留信号的突变部分。

小波降噪方法主要有阈值法、模极大值法和平移不变量法等。其中阈值法是众多小波降噪方法中应用最为广泛的一种。阈值法中关键的问题是选择合适的阈值，使其能够将与噪声和信号相对应的小波系数合理地区分开来。在运动目标多普勒信号的预处理过程中，首先去掉信号中的直流分量，然后利用阈值法进行信号的小波降噪。其中阈值法中又选取了固定阈值准则、极小极大准则、无偏风险阈值准则（rigrsure）和基于小波包变换的penalty准则分别对多普勒信号进行预处理，具体选择由软件平台界面控制。值得一提的是，在LabVIEW高级信号处理工具包中直接提供了小波降噪功能的函数，大大的减少了开发时间和编程复杂度。

 

运动目标测速软件平台设计

在运动目标测速软件系统设计过程中，主要包括虚拟仪器前面板和程序框图两部分的构建。

虚拟仪器前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口。在运动目标信号处理软件系统中，主要包括数据管理模块、小波降噪参数设置模块、STFT时频分析模块、测速数值显示模块和信号图形显示模块五部分。其中数据管理模块，完成数据来源的选取、仿真信号类型的定义和数据读取路径的保存等功能；小波降噪参数设置模块，完成小波函数的选择、小波分解的层数、门限规则的选取等功能；STFT时频分析模块，主要完成采样频率、时域步长、窗函数、窗长等参数的设置；测速数值显示模块，主要完成测量速度的显示；信号图形显示模块则完成原始信号、STFT时频谱图和测量速度曲线的显示。整个运动目标软件平台的前面板设计如图2所示。

而在后面板，即程序框图设计过程中，则根据多普勒数据读取、去直流分量、小波降噪、STFT时频谱分析、峰值搜索和多普勒速度计算的编程思路，充分利用LabVIEW高级信号处理工具包的现有函数来实现程序的编写。首先通过调用LabVIEW高级信号处理工具包中的TFA Data Samples. vi来仿真运动目标多普勒信号，与此同时，选择Read from Text File. vi来读取文件中存储的实际采集数据（该数据是通过NI-Scope软面板采集并保存到文件中，用于进行离线分析）；其次，使用AC&DC Estimator. Vi来完成多普勒信号的去直流分量处理，并使用工具包中的WA Denoise. vi来完成小波降噪功能；紧接着调用工具包中的TFA STFT Spectrogram. vi来完成STFT时-频分析，然后利用数组模块中的Array Max & Min. Vi，并结合For循环结构，完成峰值搜索并求得各段功率谱峰值对应的频率点；最后辅以各具体参数的控制模块，有机地连接各图标，最终实现了运动目标速度的测量。系统程序框图如图3所示。

图2 运动目标测速软件系统前面板设计

图3 运动目标测速软件系统框图程序设计

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可以看出，使用NI提供的高级信号处理分析包，只需要简单设置所选模块的控制参数，调用相关VI就可以实现复杂的算法，因此对程序开发来说大大缩短了开发时间。

 

实验结果

利用所设计的运动目标测速软件系统分别对仿真信号和实际采集的信号进行分析处理，都可以容易地得到测量速度的数值显示结果和图形显示结果。

如图2所示的图形显示模块，则包含了实际采集信号的原始信号图、STFT时频谱图和速度曲线。从图中时频谱图可以看出运动目标速度有由小变大，再减为零，然后增大的变化规律，与最后的速度显示曲线完全一致。

 

结论

在LabVIEW环境下，利用LabVIEW 高级信号处理工具包提供的现代信号处理算法，并结合NI公司的PCI-5124高速数字化仪板卡，开发完成了基于软件无线电思想和虚拟仪器的运动目标测速系统平台。该系统配合微波探头、电源等其它相应的硬件设备，就可完成运动目标的高精度速度测量。鉴于整套设备具有成本低、可移植性强和容易升级等优点，可广泛应用于汽车、飞机等运动目标的速度测量。

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金杰 姚
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