CN104459690A - 一种多探头阵列微波成像系统及开关控制方法 - Google Patents

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Abstract

针对常规开关控制软件编码实现方法中存在着操作系统延时、总线通信延时、软件中断延时等多种延迟时间，进而造成测量速度慢、测试效率低的缺点，本发明提出一种利用系统主机触发脉冲信号的多探头阵列微波成像系统与开关控制方法，包括：主控计算机、微波信号收发与数据采集设备、开关阵列、多探头天线收发阵列、开关控制模块，除启动命令外，整个控制过程均由硬件触发脉冲作用实现，不存在软件干预，大大提高实时性与稳定性；硬件脉冲信号的使用，有效避免了软件编码控制过程中的操作系统延时、总线通信延时、软件中断延时等多种延迟时间，实现了整个控制流程中的最小延迟控制。

Description

一种多探头阵列微波成像系统及开关控制方法
技术领域
本发明涉及微波领域，特别涉及一种多探头阵列微波成像系统，还涉及一种多探头阵列微波成像系统的开关控制方法。
背景技术
多探头天线阵列微波成像系统，不需要被测目标与测试设备的相对运动，具有测试速度快、操作方便、设备组成简洁等优点，目前已成为微波成像领域，特别是实时成像领域的研究与发展重点。多探头阵列微波成像系统利用按照一定规则布置的多探头阵列，结合高速电子开关进行收发探头天线的切换来实现空间分辨率。如何协调控制开关切换与主机数据采集时序，不仅关系到数据采集的准确度，还直接影响数据采集速度，进而影响成像测试效率。
目前常规多探头阵列微波成像系统实现原理如图1所示，主要由主控计算机、微波信号收发与数据采集设备、开关阵列、多探头天线收发阵列、开关控制处理模块等部分组成。系统利用按照一定规则布置的多探头阵列，结合高速电子开关进行收发探头天线的切换来实现空间采样等效，进而实现机械扫描系统的高空间成像分辨率。现有技术是利用主控计算机完成数据采集与开关切换的软件同步与控制。原理为：主控计算机将开关控制命令通过通用接口(LAN/GPIB/串口/并口)发送，开关控制处理模块接收该命令并经格式与电平转换处理，变换成开关阵列可以接收的数据形式，完成开关阵列切换控制。主控程序设定固定延迟，等待并确保开关切换到位，主控计算机控制微波设备完成该收发天线组合下的数据采集，依次控制开关切换与数据采集，最终完成全部天线组合的数据采集，最后利用软件完成成像处理。
如图1所示的开关控制方法是通过软件编码控制实现，控制流程如图2所示，由于控制流程为单向，没有反馈信号的参与，无法实现开关切换与数据采集完成的识别，只能通过软件设定固定延迟的办法来实现，为了保证数据采集的正确性，该延迟时间设定值通常比实际数据采集时间大很多，最终造成每两组开关切换控制命令间的延迟时间很长，总的测试时间耗费较大，测试效率低，不利于实时成像。
发明内容
本发明针对常规开关控制软件编码实现方法中存在着操作系统延时、总线通信延时、软件中断延时等多种延迟时间，进而造成测量速度慢、测试效率低的缺点，提出一种利用系统主机触发脉冲信号的多探头阵列微波成像系统与开关控制方法，在保证采集数据准确度的同时，可以实现最小延迟等待时间，达到提高数据采集速度与成像测试效率的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种多探头阵列微波成像系统，包括：主控计算机、微波信号收发与数据采集设备、开关阵列、多探头天线收发阵列、开关控制模块；
系统开机上电后，主控计算机的主控软件对微波信号收发与数据采集设备主机进行初始化操作，微波信号收发与数据采集设备主机等待外部触发脉冲信号；
主控软件启动测试命令经串口发送到开关控制模块，开关控制模块的串口数据译码器对所述命令译码，产生触发启动脉冲发生器内部程序，启动脉冲发生器输出的脉冲信号首先作为复位信号，强制清零脉冲计数器并复位开关控制编码发生器，使开关控制编码发生器产生开关组合1切换所需的并行控制数据；随后，所述脉冲信号经TRG OUT1接口送微波信号收发与数据采集设备主机TRG IN接口，主机启动测试，完成开关组合1对应数据的采集，并产生数据采集完成脉冲信号经TRG OUT接口送入开关控制模块TRG IN1接口，开关控制模块依据该脉冲信号进行两项操作，一是脉冲计数，并产生同步开关控制数据，控制开关切换到下一开关组合，二是将该脉冲信号整形处理后转发至模块TRGOUT1接口，触发主机开始该开关组合对应数据的采集，主机完成该开关组合对应数据的采集后发出触发脉冲信号，在系列脉冲信号作用下，系统完成设置开关组合数的数据采集。
可选地，所述开关控制模块包括：
串口数据译码器，完成微波信号收发与数据采集设备主机发送测试启动命令的串并转换；
启动脉冲发生器将主机启动命令转换为启动脉冲信号，该脉冲信号首先作为使能信号，用于脉冲计数器的复位清零与开关控制编码发生器的初始数据复位；随后，该脉冲信号经TRG OUT1接口送微波信号收发与数据采集设备主机TRG IN接口，主机启动测试；
脉冲计数器为累加计数器，用于对系统主机产生的触发脉冲信号计数，当计数值等于系统成像所需的所有天线组合总数时，计数器清零；
开关控制编码发生器产生开关阵列控制并行码，其内部依据设置好的开关组合控制码编写控制码矩阵，依据上一级脉冲计数器计数值输出对应控制码；
脉冲合成器将启动脉冲发生器产生脉冲与TRG IN1接口接收系统主机触发输出脉冲合并成一路脉冲串输出，该脉冲串用于触发主机开始不同开关通道数据的采集，该脉冲串需要经过脉冲整形电路处理后，再经TRG OUT1接口输出到主机TRG IN接口。
可选地，所述串口数据译码器、启动脉冲发生器、脉冲计数器、开关控制译码发生器和脉冲合成器通过可编程逻辑器件实现，脉冲整形电路为外部电路。
可选地，所述微波信号收发与数据采集设备主机工作于单次扫描模式，扫描点数为一次成像测试所需的全部收发天线组合对应开关阵列组合的总数，当完成全部开关组合对应数据采集后，主机停止工作，主控软件存储采集的数据并进行成像处理，一次成像测试结束。
基于上述系统，本发明还提供了一种多探头阵列微波成像系统开关控制方法，包括以下步骤：
首先，系统开机上电完成初始化操作；
下一步，启动测试命令；
下一步，对命令译码并复位开关控制模块；
下一步，控制开关切换到开关组合1；
下一步，触发脉冲启动主机采集开关组合1对应数据；
下一步，开关组合1数据采集完成，主机触发脉冲输出；
下一步，控制开关切换到下一组合；
下一步，触发脉冲启动主机采集该开关组合对应数据；
下一步，该开关组合数据采集完成，主机触发脉冲输出；
接下来，判断全部开关组合数据是否采集完毕，如果未采集完毕，控制开关切换到下一组合；
如果采集完毕，数据存储与处理，一次成像测试结束。
可选地，系统开机上电后，主控计算机上的主控软件完成微波信号收发与数据采集设备主机的初始化操作，此时微波信号收发与数据采集设备主机等待外部触发脉冲信号；
主控软件启动测试命令经串口发送到开关控制模块，开关控制模块的串口数据译码器对命令译码产生触发启动脉冲发生器内部程序，该脉冲信号首先作为复位信号，强制清零脉冲计数器并复位开关控制编码发生器，使开关控制编码发生器产生开关组合切换所需的并行控制数据；随后，该脉冲信号经TRGOUT1接口送主机TRG IN接口，主机启动测试，完成开关组合1对应数据的采集，并产生数据采集完成脉冲信号经TRG OUT接口送入开关控制模块TRG IN1接口，开关控制模块依据该脉冲信号进行两项操作，一是脉冲计数，并产生同步开关控制数据，控制开关切换到下一开关组合，二是将该脉冲信号整形处理后转发至开关控制模块TRG OUT1接口，触发主机开始下一开关组合对应数据的采集，主机完成该开关组合对应数据的采集后，发出触发脉冲信号；
当完成全部开关组合对应数据采集后，主机停止工作，主控软件存储采集的数据并进行成像处理，一次成像测试结束。
可选地，所述初始化操作包括：
设置主机工作于点频、外触发、单次扫描模式，扫描点数为一次成像测试所需的全部收发天线组合对应开关阵列组合的总数。
可选地，所述串口数据译码器、启动脉冲发生器、脉冲计数器、开关控制译码发生器和脉冲合成器通过可编程逻辑器件实现，脉冲整形电路为外部电路。
本发明的有益效果是：
(1)软件干预少：除启动命令外，整个控制过程均由硬件触发脉冲作用实现，不存在软件干预，大大提高实时性与稳定性；
(2)控制延迟小：硬件脉冲信号的使用，有效避免了软件编码控制过程中的操作系统延时、总线通信延时、软件中断延时等多种延迟时间，实现了整个控制流程中的最小延迟控制；
(3)成像测试效率高：本发明开关控制方法实现了测试流程中控制延迟的最小化，大大缩短了总测试时间，提高了成像测试效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有开关控制技术的多探头阵列微波成像系统控制框图；
图2为现有的采用软件编码的开关控制流程图；
图3a为本发明的利用触发脉冲控制开关的多探头阵列微波成像系统原理图；
图3b为本发明的开关控制模块原理框图；
图4为本发明的开关控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种多探头阵列微波成像系统，如图3a所示，包括主控计算机1、微波信号收发与数据采集设备3、开关阵列4、多探头天线收发阵列5、开关控制模块2等部分，微波信号收发与数据采集设备3具备数据采集触发脉冲输入输出功能(例如矢量网络分析仪与AV3655系列RCS测试仪等设备均具备上述功能)，开关控制模块通过图3b所示的电路实现。
开关控制模块的内部结构如图3b所示，串口数据译码器201完成微波信号收发与数据采集设备3主机发送测试启动命令的串并转换，启动脉冲发生器202将主机启动命令转换为启动脉冲信号，该信号首先作为使能信号，用于脉冲计数器203的复位清零与开关控制编码发生器204的初始数据复位。脉冲计数器203为累加计数器，用于对主机产生的触发脉冲信号计数，当计数值等于系统成像所需的所有天线组合总数时(该数值在系统设计时已经确定)，计数器清零。开关控制编码发生器204产生开关阵列控制并行码，其内部依据设置好的开关组合控制码编写控制码矩阵，依据上一级脉冲计数器203计数值输出对应控制码。脉冲合成器205将启动脉冲发生器202产生脉冲与TRG IN1接口接收系统主机触发输出脉冲合并成一路脉冲串输出，该脉冲串用于触发主机开始不同开关通道数据的采集，该脉冲串需要经过脉冲整形电路206处理后，再经TRGOUT1接口输出到主机TRG IN接口。
优选地，开关控制模块核心部分利用可编程逻辑器件(例如CPLD或FPGA)实现，即串口数据译码器201、启动脉冲发生器202、脉冲计数器203、开关控制译码发生器204和脉冲合成器205通过可编程逻辑器件实现，脉冲整形电路206为外部电路。
下面结合图3和图4对本发明的多探头阵列微波成像系统的工作原理进行详细说明。
系统开机上电后，主控计算机1上的主控软件通过LAN/GPIB等总线完成微波信号收发与数据采集设备3主机的初始化工作，例如：设置主机工作于点频、外触发、单次扫描模式，扫描点数为一次成像测试所需的全部收发天线阵列5组合对应开关阵列4组合的总数，此时微波信号收发与数据采集设备3主机等待外部触发脉冲信号。
主控软件启动测试命令经串口发送到开关控制模块2，开关控制模块2接收命令，串口数据译码器201对命令译码产生触发启动脉冲发生器202内部程序，该脉冲信号首先作为复位信号，强制清零脉冲计数器203并复位开关控制编码发生器204，使开关控制编码发生器产生开关组合1切换所需的并行控制数据。随后，该脉冲信号经TRG OUT1接口送主机TRG IN接口，主机启动测试，完成开关组合1对应数据的采集，并产生数据采集完成脉冲信号经TRG OUT接口送入开关控制模块TRG IN1接口，开关控制模块依据该脉冲信号进行两项操作，一是脉冲计数，并产生同步开关控制数据，控制开关切换到开关组合2，二是将该脉冲信号整形处理后转发至模块TRG OUT1接口，触发主机开始开关组合2对应数据的采集，主机完成开关组合2对应数据的采集后，发出触发脉冲信号，在系列脉冲信号作用下，系统在不需要外部程序介入的情况下，自动完成设置开关组合数的数据采集。如果主机工作于单次扫描模式，当完成全部开关组合对应数据采集后，主机停止工作，主控软件存储采集的数据并进行成像处理，一次成像测试结束；如果要进行下一次成像测试，重新进行上述控制流程即可。
本发明利用硬件自身触发脉冲实现开关的切换控制，控制过程中避免了常规开关控制软件编码实现方法中的操作系统延时、总线通信延时、软件中断延时等多种延迟时间，具有更快的测试速度与测试效率，在开关矩阵多探头阵列成像领域具有很好的推广和使用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多探头阵列微波成像系统，其特征在于，包括：主控计算机、微波信号收发与数据采集设备、开关阵列、多探头天线收发阵列、开关控制模块；
系统开机上电后，主控计算机的主控软件对微波信号收发与数据采集设备主机进行初始化操作，微波信号收发与数据采集设备主机等待外部触发脉冲信号；
主控软件启动测试命令经串口发送到开关控制模块，开关控制模块的串口数据译码器对所述命令译码，产生触发启动脉冲发生器内部程序，启动脉冲发生器输出的脉冲信号首先作为复位信号，强制清零脉冲计数器并复位开关控制编码发生器，使开关控制编码发生器产生开关组合1切换所需的并行控制数据；随后，所述脉冲信号经TRG OUT1接口送微波信号收发与数据采集设备主机TRG IN接口，主机启动测试，完成开关组合1对应数据的采集，并产生数据采集完成脉冲信号经TRG OUT接口送入开关控制模块TRG IN1接口，开关控制模块依据该脉冲信号进行两项操作，一是脉冲计数，并产生同步开关控制数据，控制开关切换到下一开关组合，二是将该脉冲信号整形处理后转发至模块TRGOUT1接口，触发主机开始该开关组合对应数据的采集，主机完成该开关组合对应数据的采集后发出触发脉冲信号，在系列脉冲信号作用下，系统完成设置开关组合数的数据采集。
2.如权利要求1所述的多探头阵列微波成像系统，其特征在于，所述开关控制模块包括：
串口数据译码器，完成微波信号收发与数据采集设备主机发送测试启动命令的串并转换；
启动脉冲发生器将主机启动命令转换为启动脉冲信号，该脉冲信号首先作为使能信号，用于脉冲计数器的复位清零与开关控制编码发生器的初始数据复位；随后，该脉冲信号经TRG OUT1接口送微波信号收发与数据采集设备主机TRG IN接口，主机启动测试；
脉冲计数器为累加计数器，用于对系统主机产生的触发脉冲信号计数，当计数值等于系统成像所需的所有天线组合总数时，计数器清零；
开关控制编码发生器产生开关阵列控制并行码，其内部依据设置好的开关组合控制码编写控制码矩阵，依据上一级脉冲计数器计数值输出对应控制码；
脉冲合成器将启动脉冲发生器产生脉冲与TRG IN1接口接收系统主机触发输出脉冲合并成一路脉冲串输出，该脉冲串用于触发主机开始不同开关通道数据的采集，该脉冲串需要经过脉冲整形电路处理后，再经TRG OUT1接口输出到主机TRG IN接口。
3.如权利要求2所述的多探头阵列微波成像系统，其特征在于，所述串口数据译码器、启动脉冲发生器、脉冲计数器、开关控制译码发生器和脉冲合成器通过可编程逻辑器件实现，脉冲整形电路为外部电路。
4.如权利要求1所述的多探头阵列微波成像系统，其特征在于，所述微波信号收发与数据采集设备主机工作于单次扫描模式，扫描点数为一次成像测试所需的全部收发天线组合对应开关阵列组合的总数，当完成全部开关组合对应数据采集后，主机停止工作，主控软件存储采集的数据并进行成像处理，一次成像测试结束。
5.一种多探头阵列微波成像系统开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，系统开机上电完成初始化操作；
下一步，启动测试命令；
下一步，对命令译码并复位开关控制模块；
下一步，控制开关切换到开关组合1；
下一步，触发脉冲启动主机采集开关组合1对应数据；
下一步，开关组合1数据采集完成，主机触发脉冲输出；
下一步，控制开关切换到下一组合；
下一步，触发脉冲启动主机采集该开关组合对应数据；
下一步，该开关组合数据采集完成，主机触发脉冲输出；
接下来，判断全部开关组合数据是否采集完毕，如果未采集完毕，控制开关切换到下一组合；
如果采集完毕，数据存储与处理，一次成像测试结束。
6.如权利要求5所述的一种多探头阵列微波成像系统开关控制方法，其特征在于，
系统开机上电后，主控计算机上的主控软件完成微波信号收发与数据采集设备主机的初始化操作，此时微波信号收发与数据采集设备主机等待外部触发脉冲信号；
主控软件启动测试命令经串口发送到开关控制模块，开关控制模块的串口数据译码器对其译码产生触发启动脉冲发生器内部程序，启动脉冲发生器输出的脉冲信号首先作为复位信号，强制清零脉冲计数器并复位开关控制编码发生器，使开关控制编码发生器产生开关组合切换所需的并行控制数据；随后，该脉冲信号经TRG OUT1接口送主机TRG IN接口，主机启动测试，完成开关组合1对应数据的采集，并产生数据采集完成脉冲信号经TRG OUT接口送入开关控制模块TRG IN1接口，开关控制模块依据该脉冲信号进行两项操作，一是脉冲计数，并产生同步开关控制数据，控制开关切换到下一开关组合，二是将该脉冲信号整形处理后转发至开关控制模块TRG OUT1接口，触发主机开始下一开关组合对应数据的采集，主机完成该开关组合对应数据的采集后，发出触发脉冲信号；
当完成全部开关组合对应数据采集后，主机停止工作，主控软件存储采集的数据并进行成像处理，一次成像测试结束。
7.如权利要求5或6所述的一种多探头阵列微波成像系统开关控制方法，其特征在于，所述初始化操作包括：
设置主机工作于点频、外触发、单次扫描模式，扫描点数为一次成像测试所需的全部收发天线组合对应开关阵列组合的总数。
8.如权利要求5所述的一种多探头阵列微波成像系统开关控制方法，其特征在于，所述串口数据译码器、启动脉冲发生器、脉冲计数器、开关控制译码发生器和脉冲合成器通过可编程逻辑器件实现，脉冲整形电路为外部电路。
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