車載多波束發(fā)射機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張 薇

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

在地空電子戰(zhàn)干擾設(shè)備中，多波束發(fā)射機(jī)是重要組成部分之一。發(fā)射機(jī)要能產(chǎn)生出滿足要求的干擾發(fā)射信號(hào)、達(dá)到有效干擾的目的，各項(xiàng)性能指標(biāo)都要滿足系統(tǒng)規(guī)定的要求。

多波束發(fā)射機(jī)是通過空間功率合成技術(shù)在規(guī)定的方向上產(chǎn)生高功率微波輻射，主要的技術(shù)參數(shù)體現(xiàn)在大功率方向圖和有效輻射功率上。由于受場(chǎng)地距離尺寸的限制，這2項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的測(cè)試往往無法在微波暗室完成，而是要在室外空曠的場(chǎng)地進(jìn)行，現(xiàn)有的測(cè)試手段還無法完成這一測(cè)試任務(wù)。本文中設(shè)計(jì)的車載多波束發(fā)射機(jī)測(cè)試系統(tǒng)能對(duì)多波束發(fā)射機(jī)的大功率方向圖、有效輻射功率等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)試。目前該測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用到車載多波束發(fā)射機(jī)測(cè)試中，取得了預(yù)期的效果。

1 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)采用全自動(dòng)計(jì)算機(jī)管理，對(duì)被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)的輸入輸出信號(hào)以及發(fā)射機(jī)方位信息進(jìn)行全程管理和跟蹤，將輸入輸出數(shù)據(jù)采集、處理，繪制成直觀的多波束方向圖，從而達(dá)到能自動(dòng)測(cè)試多波束發(fā)射機(jī)大功率方向圖和有效輻射功率的目的。

1.1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多波束發(fā)射機(jī)大功率方向圖的測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)由以下硬件組成：計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、伺服系統(tǒng)、打印機(jī)、接收天線、功率計(jì)。測(cè)試系統(tǒng)組成框圖見圖1。

其中作為服務(wù)器的主控計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、打印機(jī)布置在車載作戰(zhàn)艙室中，被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)安置在艙室外伺服系統(tǒng)控制的轉(zhuǎn)臺(tái)上，此為發(fā)射端硬件配置。接收端配置了天線、功率計(jì)和作為客戶端的計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)接收傳送發(fā)射端輻射的大功率信號(hào)。計(jì) 算機(jī)之間通過網(wǎng)線連接。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在本測(cè)試系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通過GPIB接口完成對(duì)信號(hào)源和功率計(jì)的輸入輸出控制，測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)2臺(tái)計(jì)算機(jī)以及伺服系統(tǒng)之間的通信則通過組建局域網(wǎng)完成。

1.2.1 發(fā)射網(wǎng)絡(luò)組建

發(fā)射網(wǎng)絡(luò)主要完成對(duì)被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)的管理，控制伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，掃描輻射一定角度范圍內(nèi)的功率信號(hào)，收集接收網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，依據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)以及角度信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制大功率方向圖。

發(fā)射網(wǎng)絡(luò)的控制中心為擔(dān)任服務(wù)器角色的主控計(jì)算機(jī)。它與發(fā)射網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他組件控制關(guān)系如圖2所示。

圖2 發(fā)射網(wǎng)絡(luò)

服務(wù)器計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)組建中的控者和聽者，通過GPIB接口與信號(hào)源進(jìn)行通訊。GPIB系統(tǒng)作為目前使用的標(biāo)準(zhǔn)化接口母線系統(tǒng)，可以使世界上不同廠家生產(chǎn)的儀器設(shè)備用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)母線聯(lián)接起來，消除了以往每次組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)都要設(shè)計(jì)一套專用接口的重復(fù)勞動(dòng)。在本方案中，計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源的頻率范圍、功率大小和頻率步徑，控制信號(hào)源開放與關(guān)閉信號(hào)的時(shí)間，從而達(dá)到能精確測(cè)量數(shù)據(jù)的目的。

其通過局域網(wǎng)與伺服系統(tǒng)進(jìn)行通訊。由于局域網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸率高、傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)良、兼容性和互操性良好等特點(diǎn)，筆者選擇了組建局域網(wǎng)進(jìn)行控制命令的下發(fā)執(zhí)行，以及測(cè)試數(shù)據(jù)之間的傳輸和交換。計(jì)算機(jī)將被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)當(dāng)前的方位信息下發(fā)給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，帶動(dòng)被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)變換水平方位角度，對(duì)當(dāng)前角度的輸出信號(hào)進(jìn)行掃頻測(cè)試。

打印機(jī)通過計(jì)算機(jī)通用接口并口傳輸方式將最終需要輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，便于保存與查閱。

1.2.2 接收網(wǎng)絡(luò)的組建

接收網(wǎng)絡(luò)完成被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的接收工作，根據(jù)服務(wù)器計(jì)算機(jī)的要求，客戶端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)記錄和傳輸接收功率信息，對(duì)當(dāng)前的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，以便能進(jìn)行更精準(zhǔn)的測(cè)量。接收網(wǎng)絡(luò)組件關(guān)系如圖3所示。

圖3 接收網(wǎng)絡(luò)

接收天線接收來自被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào)，通過射頻電纜傳輸?shù)焦β视?jì)中，當(dāng)客戶端計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)接收到來自服務(wù)器的控制指令后，對(duì)功率計(jì)的當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行多次錄取，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法剔除異常數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器。

用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法處理可疑數(shù)據(jù)的基本思想是：給定一個(gè)置信概率，找出相應(yīng)的置信區(qū)間，凡在這個(gè)置信區(qū)間以外的數(shù)據(jù)，就定為異常數(shù)據(jù)并予以剔除。在實(shí)際測(cè)量中常用算術(shù)平均值代替真值，用標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值σ（x）代替標(biāo)準(zhǔn)偏差，凡測(cè)量值xi在區(qū)間［x－cσ（x），x＋cσ（x）］以外的，即｜xi－x｜＞cσ（x）時(shí)，就將數(shù)據(jù)xi剔除不用［1］。

1.3 工作流程

當(dāng)被測(cè)多波束發(fā)射機(jī)完成順序加電后，伺服系統(tǒng)調(diào)整發(fā)射機(jī)的發(fā)射方位，打開信號(hào)源的射頻信號(hào)，將初始設(shè)定好頻率、功率的射頻信號(hào)通過射頻電纜輸出給被測(cè)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)將該射頻信號(hào)放大后，在距離發(fā)射機(jī)約幾十米處的接收喇叭天線將輻射信號(hào)接收并通過射頻電纜輸入到功率計(jì)中。當(dāng)處于客戶端的計(jì)算機(jī)接收到來自服務(wù)器的“讀功率”指令后，將當(dāng)前的功率信息錄入處理并傳送到服務(wù)器端，繼續(xù)等待下一指令的到來。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整理、記錄、圖形繪制，具體工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程

2 系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

多波束發(fā)射機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件是在Visual Basic（VB）6.0環(huán)境下開發(fā)的。VB提供了良好的人機(jī)對(duì)話界面，方便用戶利用控件和模塊加載功能進(jìn)行程序的開發(fā)［2］。

為了實(shí)現(xiàn)在VB環(huán)境中對(duì)儀表的控制，必須利用VB中的模塊加載功能，將專用控制儀表的通用類模塊加載到工程設(shè)計(jì)中來。此模塊包含了所有功能函數(shù)的聲明，在對(duì)儀表的控制中直接調(diào)用某些函數(shù)進(jìn)行編程，達(dá)到對(duì)儀表程控的目的。

在VB環(huán)境下，為了方便局域網(wǎng)的建立，VB提供了一個(gè)Winsock控件。它提供了訪問傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。為編寫客戶或服務(wù)器應(yīng)用程序，不必了解TCP的細(xì)節(jié)或調(diào)用低級(jí)的Winsock APIs，通過創(chuàng)建服務(wù)器和客戶端就可完成局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換。

軟件分為兩大部分：一是發(fā)射端控制軟件；二是接收端控制軟件。發(fā)射端軟件完成服務(wù)器對(duì)伺服系統(tǒng)、信號(hào)源的控制及數(shù)據(jù)信息的處理和輸出。接收端軟件完成對(duì)服務(wù)器下發(fā)指令的接收和執(zhí)行。

2.1 服務(wù)器控制軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器控制軟件分為三大功能：控制儀表，數(shù)據(jù)處理及顯示，控制客戶端的指令接收和反饋。發(fā)射機(jī)工作正常后，將發(fā)射機(jī)切換到1號(hào)波束，按照測(cè)試要求將信號(hào)源初始化，與作為客戶端的伺服系統(tǒng)和控制功率計(jì)的計(jì)算機(jī)確立連接后，方可開始進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中收集到的頻率、功率等數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)客戶的要求不同顯示不同的數(shù)據(jù)圖表。圖5為軟件工作流程框圖。

圖5 服務(wù)器控制流程

2.2 接收端軟件設(shè)計(jì)

接收端軟件完成兩大功能：接收服務(wù)器指令錄入及處理數(shù)據(jù)，反饋數(shù)據(jù)信息。軟件流程見圖6。

圖6 接收端軟件流程

2.3 測(cè)試軟件界面

本軟件需要用戶對(duì)頻率范圍、頻率步徑、輸入功率、角度范圍、角度步徑進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)用戶對(duì)圖形的要求修改顯示界面，如圖7所示。

3 應(yīng)用軟件測(cè)試及分析

車載多波束發(fā)射機(jī)測(cè)試系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)及調(diào)試后，應(yīng)用于某設(shè)備多波束發(fā)射機(jī)方向圖的測(cè)試。在室外場(chǎng)地測(cè)試時(shí)，地面反射會(huì)影響發(fā)射機(jī)方向圖的測(cè)試，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定發(fā)射機(jī)與接收喇叭之間距離≥35m，接收喇叭垂直高度≥20m，發(fā)射機(jī)天線仰角設(shè)置≥20°，在這種測(cè)試條件下能消除地面反射所帶來的測(cè)量誤差。

圖7 用戶圖形界面

設(shè)置初始頻率8GHz，終止頻率18GHz，每隔1GHz測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，角度每隔1°為一個(gè)點(diǎn)。角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍在0°～30°內(nèi)。方向圖測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

用戶也可根據(jù)對(duì)方向圖副瓣的要求來設(shè)置更寬的角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，角度間隔精度可達(dá)到0.1°。

4 結(jié)束語

隨著車載多波束發(fā)射機(jī)設(shè)備量的增多，調(diào)試測(cè)試工作也隨之繁雜起來。多臺(tái)套設(shè)備需要在較短時(shí)間內(nèi)完成各項(xiàng)工作，對(duì)調(diào)試人員提出了很高的要求。傳統(tǒng)手工控制耗時(shí)、耗力且效率低下，測(cè)試數(shù)據(jù)也不能立刻直觀地繪制出來并存儲(chǔ)。車載多波束發(fā)射機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的研制成功，使得一名調(diào)試人員即可完成上述測(cè)試工作。

圖8 測(cè)試結(jié)果

［1］王成安，李福軍.電子測(cè)量技術(shù)與實(shí)訓(xùn)簡(jiǎn)明教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］李雁翎，王建忠，孔銳睿.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2012.