LabVIEW開發(fā)用于雪崩成像的FMCW相控陣?yán)走_(dá)LabVIEW開發(fā)用于雪崩成像的FMCW相控陣?yán)走_(dá)

雪崩嚴(yán)重威脅到人類的生命和居住環(huán)境，因此，對(duì)雪崩進(jìn)行研究是確定雪崩危險(xiǎn)區(qū)域的關(guān)鍵。 此前，由于缺少高質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，用于預(yù)測(cè)雪崩行為的驗(yàn)證模型受到了限制。 我們可以使用雷達(dá)傳感器來采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但以目前的形式，這些模型只能提供一維的測(cè)量數(shù)據(jù)。 發(fā)射器功率也限制了它們只能達(dá)到50米的距離分辨率，這對(duì)于展現(xiàn)雪崩的真實(shí)動(dòng)態(tài)情況是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

本項(xiàng)目通過采用新開發(fā)的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)相控陣?yán)走_(dá)來研究雪崩流體的深層動(dòng)力。 借助這個(gè)功能*的雷達(dá)，我們現(xiàn)在可以生成高分辨率的二維速度測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)雪崩事件的全二維動(dòng)畫重現(xiàn)。 參與本項(xiàng)目的研究機(jī)構(gòu)包括: 謝菲爾德大學(xué)、 劍橋大學(xué) 和 倫敦大學(xué)學(xué)院 (UCL)。 我們?cè)赨CL進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)及其相關(guān)的雷達(dá)信號(hào)處理。

該雷達(dá)安裝在瑞士Valléede Sionne(VDLS)一處設(shè)備齊全的雪崩測(cè)試站點(diǎn)的鋼筋混凝土掩體中。 掩體固定在與雪崩軌道相對(duì)的斜坡坡腳，為雷達(dá)設(shè)備提供保護(hù)。 我們?cè)谠摐y(cè)試站點(diǎn)上安裝了雷達(dá)、壓力傳感器和聲學(xué)傳感器等各種傳感器來研究雪崩的過程。 我們可以在下雪后通過在山頂引爆來人為地引發(fā)雪崩，以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。 該站點(diǎn)也適用于自然雪崩，它可通過聲學(xué)傳感器自動(dòng)觸發(fā)儀器進(jìn)行測(cè)量。

數(shù)據(jù)采集和雷達(dá)控制

一些的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)看起來似乎可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求，但是，只有NI的解決方案能夠?yàn)槲覀兊捻?xiàng)目提供足夠緊密的硬件和軟件集成來保證項(xiàng)目的成功。 我們購買了配置NI PXIe-8130控制器的 PXIe-1082 機(jī)箱以及一個(gè)8通道16位NI PXIe-6366 X Series DAQ設(shè)備，DAQ設(shè)備的規(guī)格參數(shù)*我們的數(shù)據(jù)吞吐量和動(dòng)態(tài)范圍要求。系統(tǒng)結(jié)合了一個(gè)第三方高速固態(tài)驅(qū)動(dòng)，可以測(cè)量整個(gè)雪崩事件（預(yù)計(jì)至少可持續(xù)兩分鐘），而不會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失或緩沖區(qū)溢出。

該系統(tǒng)與 LabVIEW 的結(jié)合對(duì)于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)非常重要。 我們需要雷達(dá)在整個(gè)冬天*地運(yùn)行，因此軟件的可靠性至關(guān)重要。 該雷達(dá)還與雪崩測(cè)試站點(diǎn)掩體處的觸發(fā)系統(tǒng)連接。 我們通過NI提供的和現(xiàn)場(chǎng)支持迅速完成了LabVIEW的配置，然后開始檢測(cè)觸發(fā)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)控制繼電器打開雷達(dá)發(fā)射器。 我們?cè)诓渴鹬皩?duì)基于LabVIEW的軟件進(jìn)行了大量測(cè)試來證明其可靠性。 軟件開發(fā)進(jìn)行得非常順利，幫助我們節(jié)省了大量關(guān)鍵的開發(fā)時(shí)間，我們的系統(tǒng)在雪崩季節(jié)即可開始運(yùn)行。

雷達(dá)設(shè)計(jì)

在UCL開發(fā)的雷達(dá)采用FMCW設(shè)計(jì)，通過混合發(fā)射的線性頻率調(diào)制(LFM)信號(hào)與接收的返回信號(hào)來進(jìn)行測(cè)距修正。 這種混合過程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻差（差頻），用于提取目標(biāo)的距離和速度信息。 在本案例中，雷達(dá)的工作頻率為5.3 GHz，該頻率可以定位雪崩的潛在密集區(qū)域。

我們的FMCW雷達(dá)具有亞米級(jí)分辨率，發(fā)射器功率相對(duì)較低，這是因?yàn)閭鬏數(shù)男盘?hào)具有較寬的帶寬(200 MHz)，而且雷達(dá)會(huì)連續(xù)不斷地發(fā)射信號(hào)。 混合過程還會(huì)將所有信號(hào)能量壓縮到一個(gè)非常小的帶寬中，從而相對(duì)于其他脈沖壓縮技術(shù)減少接收器采集硬件的形變。

UCL雷達(dá)具有八個(gè)接收器通道，*次可以提供水平分辨率（因此雷達(dá)生成的是二維圖像）。 8個(gè)接收器天線隨機(jī)分布在一個(gè)寬5.3米的口徑上，可實(shí)現(xiàn)1公里范圍內(nèi)大約10m的水平分辨率。

該雷達(dá)的zui大測(cè)量范圍大約是3公里，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)雪崩軌道的成像。 為了達(dá)到該要求，我們采用了NI PXIe-6366 DAQ設(shè)備，該設(shè)備能夠以我們所需的2 MS/s采樣率同時(shí)采集八個(gè)通道的數(shù)據(jù)。 對(duì)雷達(dá)發(fā)射天線和與其zui靠近的接收天線之間的交叉耦合進(jìn)行估算意味著雷達(dá)需要具有約80dB的動(dòng)態(tài)范圍；因此，接收器模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少需要14位的分辨率。

雪崩測(cè)量數(shù)據(jù)

系統(tǒng)采集雪崩測(cè)量數(shù)據(jù)之后，便可*脫機(jī)處理記錄的雷達(dá)數(shù)據(jù)。 為了減少數(shù)據(jù)處理時(shí)的內(nèi)存占用（因?yàn)閿?shù)據(jù)集非常大），系統(tǒng)通過NI DIAdem及其Visual Basic腳本(VBS)函數(shù)將數(shù)據(jù)分成段。 DIAdem 以第三方軟件可直接讀取的格式方便地輸出數(shù)據(jù)段。 每個(gè)接收器通道首先分別對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，我們可以過濾掉靜止的目標(biāo)，并隔離出與正在移動(dòng)的雪崩相關(guān)的目標(biāo)。 圖像中的每個(gè)像素強(qiáng)度與移動(dòng)目標(biāo)返回的信號(hào)強(qiáng)度成正比。

結(jié)論

借助緊密集成的NI LabVIEW軟件和 PXI Express數(shù)據(jù)采集硬件，我們?cè)诙斐晒Φ販y(cè)量了三個(gè)自然雪崩事件，接下來我們預(yù)計(jì)將會(huì)記錄更多的數(shù)據(jù)。” 未來的計(jì)劃包括采用技術(shù)來跟蹤雪崩前沿，從而通過多普勒信息來測(cè)量雪崩速度。 我們將會(huì)根據(jù)藏在雪崩掩體中的其他雷達(dá)儀器所采集的數(shù)據(jù)來對(duì)我們的速度估算進(jìn)行驗(yàn)證。 我們的*目標(biāo)是以每秒50幀的速率生成整個(gè)雪崩事件的二維動(dòng)畫。

    我們開業(yè)語言以LabVIEW為主，在硬件選型方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)我們也具備獨(dú)立的硬件開發(fā)及機(jī)械設(shè)計(jì)與加工能力，可以制作、加工非標(biāo)設(shè)備，滿足個(gè)性化的需求。"術(shù)業(yè)有專攻"，每個(gè)人都有自己zui擅長的領(lǐng)域。把這些工作交給我們，使您有精力做科研，這應(yīng)該是一個(gè)雙贏的局面。

服務(wù)領(lǐng)域涵蓋：

   LabVIEW 編程 開發(fā)

     LabVIEW作為圖形化編程語言，近幾年發(fā)展迅速，它具備開發(fā)快、可靠性高等特點(diǎn)，非常適合測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用。在該領(lǐng)域我們已經(jīng)有十年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，合作用戶涉及科研、國防、外企、大中小型各類企業(yè)。服務(wù)領(lǐng)域遍布自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)眾多領(lǐng)域，包括航空航天、汽車產(chǎn)品測(cè)試、工業(yè)自動(dòng)化、故障診斷、圖像處理等。

   非標(biāo)設(shè)備研制

    在系統(tǒng)開發(fā)過程中，購買不到的配件、電路板等產(chǎn)品，我們也可以進(jìn)行研制開發(fā)，為您提供一站式的服務(wù)。

   系統(tǒng)集成

為自動(dòng)化測(cè)試提供完整的解決方案。我們從設(shè)備選擇、采購、安裝、調(diào)試、控制、到配套產(chǎn)品的研制，涵蓋您科研生產(chǎn)的全過程。讓您全身心的投入到核心工作中來，減輕您的工作壓力，提升工作效率。

   產(chǎn)品合作開發(fā)

    如果您那有具有市場(chǎng)潛力的好產(chǎn)品、好創(chuàng)意，我們也愿意與您一起合作開發(fā)。在這方面我們也具備了一定的基礎(chǔ)，例如工業(yè)*/呼吸模擬器/人工肺，勞保測(cè)試產(chǎn)品"防塵測(cè)試儀"已經(jīng)成功推向了市場(chǎng)。成熟的技術(shù)+有潛力的市場(chǎng)，一直是我們追求的目標(biāo)。如果您有好的創(chuàng)意，或者現(xiàn)有的產(chǎn)品需要升級(jí)推廣，也歡迎與我們。

      王