探地雷达信号的数据采集系统设计

　　探地雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）又称地质雷达，透地雷达，是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。

　　探地雷达方法是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

　　探地雷达的用途：US RADAR探地雷达可用于检测各种材料，如岩石、泥土、砾石，以及人造材料如混凝土、砖、沥青等的组成。雷达可确定金属或非金属管道、下水道、缆线、缆线管道、孔洞、基础层、混凝土中的钢筋及其它地下埋件的位置。它还可检测不同岩层的深度和厚度，并常用于地面作业开工前对地面作一个广泛的调查。目前，已经有许多国外的探底雷达产品，但是其价格昂贵，且带有一定局限性。因此鉴于探地雷达具有广泛的用途对其进行了开发研制，目前已研制成功。由于篇幅限制，文中在此重点介绍数据采集部分和显示软件。

　　1 数据采集

　　在探地雷达数据采集试验中，所使用的是HY-6070 C通用数据采集控制板，它具有ISA总线接口能，进行模拟电压和数字电压之间的转换，在计算机的控制下构成信号采集、监视输入系统和模拟量电压信号、数字电压信号输入系统。HY-6070 C板上安装有12 bit分辨率的A／D转换器，其通过率为40 kHz。可以为用户提供18路双端输入和16路单端输入两种模式为。模拟电压可以设置输入范围，可以是0～5 V，土2．5 V，±5 V。此板还提供了1路12 bit D／A转换模拟电压输出通道。在HY-6070 C板上还装有可编程定时／计数器82C54，其中82C54的定时／计数器1和定时／计数器2级连，用以生成定时启动A／D转换的信号。定时／计数器O单独引出，供用户使用。HY-6070 C板支持软件触发、定时触发和外触发3种A／D电路启动转换工作方式。支持软件查询和中断申请数据传送工作方式。HY-6070 c板还为用户提供了16路数字输入／输出通道信号，接口电平符合TTL电平标准。

　　文中利用软件编程启动HY-6070 C板的A／D转换功能。在软件触发方式下，每次启动A／D转换前由软件切换通道，然后发送A／D转换启动命令来触发A／D转换。当A／D转换完成后，可通过软件查询A／D完成位，当程序测到A／D完成位为“1”时，即可读取A／D转换的12 bit数据。

　　A／D采样程序步骤如下：

　　(1)设置板上的模拟信号输入通道(共16个通道，编号为0～15)；

　　(2)设置A／D触发方式，这里设置为软件触发；

　　(3)开始触发A／D转换；

　　(4)等待并查询A／D转换完成标志；

　　(5)对接收到的数据进行存储。

　　在HY-6070 c数据采集卡内预先分配了各种地址，程序通过访问这些地址并对其进行相应的读写操作来控制A／D采样的实现。在实际应用中，可以直接利用由C语言编制的应用程序来控制采集卡进行A／D转换，只需调用头文件为dos．h中的outport(address，data)(address为地址值，data为要向该地址输出的数据)与inportb(ADaddress)(ADadress是A／D转换数据所存储的地址)两个函数即可，但是应用程序的使用环境必须是DOS操作系统。这给应用程序的使用者带来了诸多不便。因此为了让用户方便使用，作者制作了基于Windows操作系统的显示软件。由于 Windows操作系统不能像DOS那样直接读取采集卡的板内地址，因此要想面向数据采集卡编程，首先需要安装数据采集卡的驱动程序，既让Windows 操作系统能够识别到此硬件。在接下来的编程中还必须使用到数据采集卡自带的两个文件，HKIoMFC．H和HKIoMFC．lib，在这两个文件中定义了对采集卡进行控制的变量与函数体，编程时即可直接调用。

　　2 显示软件

　　利用Visual C++6．0在Windows操作系统下开发应用程序主要是使用MFC(Microsoft Fbundation Class)类库。MFC(Microsoft Foundation Classes)，是一个微软公司提供的类库（class libraries），以C++类的形式封装了Windows的API，并且包含一个应用程序框架，以减少应用程序开发人员的工作量。其中包含的类包含大量Windows句柄封装类和很多Windows的内建控件和组件的封装类。使用MFC类库的优点：首先，MFC提供了一个标准化的结构，这样开发人员不必从头设计创建和管理一个标准Windows 应用程序所需的程序，而是从一个比较高的起点编程，可节省大量的时间；其次，它提供了大量的代码，指导用户编程时实现某些技术和功能。MFC库充分利用了 Microsoft开发人员多年开发Windows程序的经验，并可以将这些经验融入到自己开发的应用程序中去。

　　Visual C++6．0集成环境对MFC提供了多种界面友好的辅助工具，用AppWizard可以生成新的类，可以对类成员进行维护。MFC提供了一种机制，把 Windows的消息与类的某个成员直接联系起来，减少程序员中间的处理过程。比如在菜单中加了一个命令项，指定其命令ID，然后用 ClassWizard可以指定此菜单ID与类的成员函数相联系，所需要的编程就是实现该成员函数的代码，其他代码均由MFC和Class-Wizard 负责处理。这种机制提高了程序开发效率，而且Visual C++提供了MFC的所有源代码，这些源代码不仅可供参考，还为应用程序的调试提供了方便，源代码的开放性也是MFC获得成功的一个主要原因。

　　作者所设计的显示软件是基于单文档(SDI)框架结构的应用程序，其外观如图1所示。

　　由图可见，单文档的外观与常见的Windows应用程序相似，因此操作方便，只需要选择各个菜单执行相应的功能即可。

　　探测波形实时显示功能的实现需要软件与前面提到的HY-6070 C数据采集卡配合实现。在厂家提供的驱动函数库内定义了一个CHKIoCtrl类，在编程时只需声明一个此类的对象mHKDevice即可，然后就可调用驱动函数进行相应的操作。图2是波形的动态显示效果。

　　当得知地下有物体存在后，人们希望了解这个物体到底是什么，而利用上述波形的动态显示方法就难以给出结论。因此还需要通过这些回波产生一幅可视性强的图像，这通常建立在数字图像处理的基础上。通常称图2所示的波形为一维图像，如果能将其转化为二维图像，可视性会大为改善。这里用“波形堆积”一词来形容将一维图形转化为二维图形的过程。图3所示240个波形直接堆积的结果，这里采用灰度图像。

　　由图3可见，图像出现了灰度不均匀显示的效果，与图2单纯的波形相比，其可视性得到增强。这些不均匀的变化特征反映出目标的某些特性。

　　3 结束语

　　通过应用通用HY-6070 C完成了对探地雷达信号的数据采集，并且应用文中所编制的显示软件，对实时波形和堆积图形进行了正确显示，与所研制的探地雷达主机联调也得以成功，完够正确使用。