便攜式相控陣?yán)走_(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

楊先超,任 超,熊 函,王 凱

（國(guó)營(yíng)第七八三廠，四川綿陽(yáng)，621000）

便攜式相控陣?yán)走_(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

楊先超,任 超,熊 函,王 凱

（國(guó)營(yíng)第七八三廠，四川綿陽(yáng)，621000）

相控陣?yán)走_(dá)的工作狀態(tài)多，測(cè)試工作量大，在設(shè)備交付用戶使用后，缺少一種在外場(chǎng)就能對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的便攜式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。文章介紹的相控陣?yán)走_(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，將板卡式的系統(tǒng)控制模塊、儀器模塊集成到一個(gè)PXI機(jī)箱中，并研制一套專用軟件對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)重量輕、體積小，非常便于攜帶。

便攜式；相控陣?yán)走_(dá)；自動(dòng)測(cè)試

0 引言

由于相控陣?yán)走_(dá)具有波束快速掃描、波束形狀捷變、多波束形成等技術(shù)特點(diǎn)，使相控陣?yán)走_(dá)得到了廣泛的運(yùn)用。要充分發(fā)揮相控陣?yán)走_(dá)的這些特點(diǎn)，對(duì)其發(fā)射/接收通道幅相參數(shù)的控制和測(cè)試尤為重要。

對(duì)幅相參數(shù)測(cè)試通常采用離散標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行手工測(cè)試，如網(wǎng)絡(luò)分析儀，信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜分析儀、脈沖碼型發(fā)生器等，這種測(cè)試方式在測(cè)試前準(zhǔn)備工作量大、手工測(cè)試數(shù)據(jù)量不足、測(cè)試效率極低、對(duì)測(cè)試人員技能要求高等問(wèn)題。進(jìn)一步的改進(jìn)測(cè)試方法是將上述離散標(biāo)準(zhǔn)儀器組裝到測(cè)試機(jī)柜中，并采用GPIB等接口進(jìn)行相連，通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制各儀器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，這種測(cè)試方式設(shè)備成本高、機(jī)柜體積大、重量重，測(cè)試地點(diǎn)的靈活性受到限制。

PXI（PCI extensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展）是為滿足對(duì)復(fù)雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一個(gè)基于PC的兼具高性能和低成本的測(cè)量與自動(dòng)化系統(tǒng)部署平臺(tái)。使用PXI平臺(tái)開發(fā)新一代相控陣?yán)走_(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可克服以上缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件組成

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由三個(gè)基本組件構(gòu)成：PXI機(jī)箱、系統(tǒng)控制模塊和外設(shè)模塊。

PXI機(jī)箱：為系統(tǒng)控制模塊和外設(shè)模塊提供安裝插槽，含有包括PCI總線、時(shí)鐘與觸發(fā)總線的高性能PXI背板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制模塊、各外設(shè)模塊之間控制與通信。

系統(tǒng)控制模塊：位于機(jī)箱最左邊的系統(tǒng)控制器插槽，可選具有標(biāo)準(zhǔn)桌面PC的遠(yuǎn)程控制器或高性能嵌入式控制器，用于運(yùn)行自動(dòng)測(cè)試軟件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)分析處理。

外設(shè)模塊：PXI作為一個(gè)開放的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，有來(lái)自PXI系統(tǒng)聯(lián)盟多個(gè)成員的豐富產(chǎn)品提供選擇，如模擬輸入/輸出、總線接口與通信、數(shù)字信號(hào)處理、功能測(cè)試與診斷、儀器、開關(guān)等等。自測(cè)試系統(tǒng)使用的外設(shè)模塊有功率測(cè)試模塊、示波器模塊、信號(hào)分析模塊、脈沖碼型產(chǎn)生模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、網(wǎng)絡(luò)分析模塊。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

另外：增加一臺(tái)顯示器，與系統(tǒng)控制模塊相連，進(jìn)行操作系統(tǒng)、外設(shè)模塊界面、自動(dòng)測(cè)試軟件的顯示；增加一臺(tái)穩(wěn)壓電源，為功耗較大的被測(cè)件提供工作電源；定制一個(gè)自帶滾輪和伸縮拉桿的儀器運(yùn)輸箱，滿足外場(chǎng)測(cè)試時(shí)攜帶方便的需求。

2 參數(shù)測(cè)試方案

相控陣?yán)走_(dá)的測(cè)試參數(shù)主要有發(fā)射通道幅相參數(shù)（發(fā)射功率、發(fā)射脈沖特性、相位一致性、移相步進(jìn)等）、接收通道幅相參數(shù)（接收增益、接收相位一致性、移相步進(jìn)等）、駐波、噪聲系數(shù)等。通常相控陣?yán)走_(dá)各通道均含有移相器、衰減器，若移相器為6位數(shù)字移相器，則含26=64種狀態(tài)，若衰減器為5位數(shù)控衰減器，則含25=32種狀態(tài)，并且相控陣?yán)走_(dá)屬寬帶雷達(dá)，需對(duì)帶內(nèi)各工作頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，因此由移相器、衰減器、工作頻點(diǎn)組成的測(cè)試狀態(tài)非常多，手工測(cè)試時(shí)無(wú)法全狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)射/接收通道幅相參數(shù)的全狀態(tài)測(cè)試必須采用編程自動(dòng)測(cè)試方式。駐波、噪聲系數(shù)由于測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，仍采用手工測(cè)試方式。

2.1 發(fā)射通道幅相參數(shù)測(cè)試

2.1.1 發(fā)射功率、發(fā)射脈沖特性

本項(xiàng)測(cè)試主要對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射峰值功率，脈沖特性如上升沿、下降沿、脈寬、平坦度等進(jìn)行測(cè)試。相控陣?yán)走_(dá)通常采用脈沖功率放大器，因此需采用脈沖碼型發(fā)生模塊對(duì)信號(hào)產(chǎn)生模塊和被測(cè)件進(jìn)行脈沖同步，采用功率測(cè)試模塊進(jìn)行功率測(cè)試，測(cè)試過(guò)程使用的相關(guān)模塊為系統(tǒng)控制模塊、功率測(cè)試模塊、脈沖碼型發(fā)生模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊。測(cè)試框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量框圖

自動(dòng)測(cè)試過(guò)程為：

a.系統(tǒng)控制模塊將被測(cè)件控制相應(yīng)的工作狀態(tài)（工作頻點(diǎn)、移相器移相值、衰減器衰減值等）；

b.系統(tǒng)控制模塊設(shè)置信號(hào)產(chǎn)生模塊狀態(tài)（外觸發(fā)方式、信號(hào)激勵(lì)電平、信號(hào)頻率等）；

c.系統(tǒng)控制模塊控制脈沖碼型產(chǎn)生模塊產(chǎn)生兩路相關(guān)的離散脈沖，一路用于觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出射頻信號(hào)，另一路用于控制被測(cè)件收/發(fā)狀態(tài)；

d.射頻信號(hào)由信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出至被測(cè)件，經(jīng)被測(cè)件移相、衰減、放大后輸入功率測(cè)試模塊，系統(tǒng)控制模塊讀取功率測(cè)試模塊發(fā)射功率、發(fā)射脈沖特性參數(shù)，存儲(chǔ)并送顯示器顯示；

e.系統(tǒng)控制模塊更換被測(cè)件和信號(hào)產(chǎn)生模塊的工作狀態(tài)，完成所有工作頻點(diǎn)、移相器移相值、衰減器衰減值、信號(hào)激勵(lì)電平等狀態(tài)的測(cè)試。

2.1.2 發(fā)射相位一致性、發(fā)射移相步進(jìn)

本項(xiàng)測(cè)試主要對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的各個(gè)發(fā)射通道的同一控制狀態(tài)的相位一致性、單個(gè)發(fā)射通道移相器移相步進(jìn)量進(jìn)行測(cè)試。同樣需要采用脈沖碼型發(fā)生模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析模塊和被測(cè)件進(jìn)行脈沖同步，測(cè)試過(guò)程使用的相關(guān)模塊為系統(tǒng)控制模塊、脈沖碼型產(chǎn)生模塊、網(wǎng)絡(luò)分析模塊。測(cè)試框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量框圖

圖4 測(cè)試框圖

自動(dòng)測(cè)試過(guò)程為：

a.系統(tǒng)控制模塊將被測(cè)件控制相應(yīng)的工作狀態(tài)（工作頻率、移相器移相值、衰減器衰減值等）；

b.系統(tǒng)控制模塊設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析模塊狀態(tài)（外觸發(fā)方式、信號(hào)激勵(lì)電平、信號(hào)頻率、相位測(cè)試方式等）；

c.系統(tǒng)控制模塊控制脈沖碼型產(chǎn)生模塊產(chǎn)生兩路相關(guān)的離散脈沖，一路用于觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)分析模塊輸出射頻信號(hào)，另一路用于控制被測(cè)件收/發(fā)狀態(tài)；

d.射頻信號(hào)由網(wǎng)絡(luò)分析模塊輸出至被測(cè)件，經(jīng)被測(cè)件移相、衰減、放大后輸入網(wǎng)絡(luò)分析模塊，系統(tǒng)控制模塊讀取網(wǎng)絡(luò)分析模塊發(fā)射相位參數(shù)，存儲(chǔ)并送顯示器顯示；

e.系統(tǒng)控制模塊更換被測(cè)件和網(wǎng)絡(luò)分析模塊的工作狀態(tài)，完成所有工作頻點(diǎn)、移相器移相值、衰減器衰減值、信號(hào)激勵(lì)電平等狀態(tài)的測(cè)試。

2.2 接收通道幅相參數(shù)測(cè)試

本項(xiàng)測(cè)試主要對(duì)相控陣?yán)走_(dá)單個(gè)接收通道的增益、各個(gè)接收通道的同一控制狀態(tài)的相位一致性、單個(gè)接收通道移相器移相步進(jìn)量進(jìn)行測(cè)試。接收通道幅相的測(cè)試可采用連續(xù)波測(cè)量方式，因此僅需采用網(wǎng)絡(luò)分析模塊即可完成測(cè)試，測(cè)試過(guò)程使用的相關(guān)模塊為系統(tǒng)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)分析模塊。測(cè)試框圖如圖4所示。

自動(dòng)測(cè)試過(guò)程為：

a.系統(tǒng)控制模塊將被測(cè)件控制相應(yīng)的工作狀態(tài)（工作頻率、移相器移相值、衰減器衰減值等）；

b.系統(tǒng)控制模塊設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析模塊狀態(tài)（內(nèi)觸發(fā)方式、信號(hào)激勵(lì)電平、信號(hào)頻率、幅度/相位測(cè)試方式等）；

c.射頻信號(hào)由網(wǎng)絡(luò)分析模塊輸出至被測(cè)件，經(jīng)被測(cè)件移相、衰減、放大后輸入網(wǎng)絡(luò)分析模塊，系統(tǒng)控制模塊讀取網(wǎng)絡(luò)分析模塊接收幅度/相位等參數(shù)，存儲(chǔ)并送顯示器顯示；

d.系統(tǒng)控制模塊更換被測(cè)件和網(wǎng)絡(luò)分析模塊的工作狀態(tài)，完成所有工作頻點(diǎn)、移相器移相值、衰減器衰減值等狀態(tài)的測(cè)試。

2.3 駐波的測(cè)量

主要使用網(wǎng)絡(luò)分析模塊對(duì)駐波進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前需對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，直接從網(wǎng)絡(luò)分析模塊上讀取工作頻帶內(nèi)的駐波數(shù)據(jù)即可，因此駐波的測(cè)量采用手動(dòng)測(cè)量方式。

2.4 噪聲系數(shù)的測(cè)量

主要使用信號(hào)分析模塊對(duì)噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前需對(duì)信號(hào)分析模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，直接從信號(hào)分析模塊上讀取工作頻帶內(nèi)的噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)即可，因此噪聲系數(shù)的測(cè)量采用手動(dòng)測(cè)量方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)被測(cè)件、各外設(shè)模塊的控制通過(guò)自動(dòng)測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)測(cè)試軟件運(yùn)行于系統(tǒng)控制模塊上，以Visual C#進(jìn)行開發(fā)，主要分為外設(shè)模塊初始化、被測(cè)件控制、測(cè)試參數(shù)配置及自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示、數(shù)據(jù)分析與報(bào)表生成等功能模塊。軟件的用戶界面如圖5所示。

圖5 自動(dòng)測(cè)試軟件用戶界面

外設(shè)模塊初始化：提供外設(shè)模塊的配置、連接等功能，確保各外設(shè)模塊運(yùn)行受控。

被測(cè)件控制：提供自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)件間的接口配置、被測(cè)件控制命令的下發(fā)功能，用于自動(dòng)測(cè)試時(shí)對(duì)被測(cè)件的控制。

測(cè)試參數(shù)配置及自動(dòng)測(cè)試：

a.提供自動(dòng)測(cè)試參數(shù)如工作頻率、移相值、衰減值、激勵(lì)電平等的配置，可采用直接修改配置列表框值的形式，亦可采用讀取配置文件加載配置參數(shù)的方式。通過(guò)配置測(cè)試參數(shù)，可方便剪裁自動(dòng)測(cè)試狀態(tài)，加大自動(dòng)測(cè)試靈活性；

b.提供發(fā)射/接收通道幅相參數(shù)測(cè)試流程，該流程根據(jù)配置參數(shù)自動(dòng)循環(huán)工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，并采用一鍵式按鈕，操作簡(jiǎn)捷。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示：提供TXT、EXCEL等形式文件數(shù)據(jù)接口，在測(cè)試過(guò)程中將測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到本地文件中，可對(duì)文件進(jìn)行加密，確保外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的安全性。測(cè)試過(guò)程中同時(shí)可將測(cè)試曲線同步顯示在軟件界面，方便對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。測(cè)試后亦可讀取本地文件，解密后在軟件界面顯示，還原測(cè)試過(guò)程。

數(shù)據(jù)分析與報(bào)表生成：測(cè)試完畢后，調(diào)用本地文件中的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比被測(cè)件指標(biāo)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)的正確性、誤差大小，完成被測(cè)件性能評(píng)估，并以報(bào)表形式給出數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。在設(shè)備驗(yàn)收測(cè)試時(shí)，可讀取測(cè)試數(shù)據(jù)生成驗(yàn)收?qǐng)?bào)表，避免人工失誤，大大提高了驗(yàn)收效率。

4 測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)

隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，板卡式儀器的指標(biāo)已經(jīng)得到了很大提高，部分板卡式儀器的指標(biāo)已經(jīng)和獨(dú)立儀器相當(dāng)、甚至優(yōu)于獨(dú)立儀器。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)使用的板卡式儀器指標(biāo)已完全能滿足相控陣?yán)走_(dá)測(cè)試需求。

便攜是本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)最主要的優(yōu)點(diǎn)。由于采用了PXI架構(gòu)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)重量?jī)H25kg左右，體積僅臺(tái)式機(jī)機(jī)箱大?。粚⒍鄠€(gè)外設(shè)模塊集成到一個(gè)機(jī)箱中，并采用儀器運(yùn)輸箱進(jìn)行包裝，便于管理和運(yùn)輸。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由于集成了多個(gè)不同功能的外設(shè)模塊，各外設(shè)模塊可單獨(dú)使用，因此功能豐富、一機(jī)多用是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的又一特點(diǎn)，其它產(chǎn)品可使用部分模塊完成自身參數(shù)測(cè)試。

據(jù)初步估計(jì)，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的成本價(jià)格比采用離散獨(dú)立儀器方式搭建測(cè)試系統(tǒng)的成本價(jià)格低5～10倍，有利于降低相控陣?yán)走_(dá)的研制保障成本。

5 結(jié)論

便攜式相控陣?yán)走_(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)滿足雷達(dá)測(cè)試需求，體積小、重量輕、成本低，特別適合相控陣?yán)走_(dá)外場(chǎng)保障維護(hù)和內(nèi)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)收使用。

[1]張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]朱亮宇.相控陣?yán)走_(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2009.

[3]余振坤,鄭新.一種微波脈沖大功率器件的幅相測(cè)試方法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2002,3:60～62.

[4]National Instruments.PXI:The Industry Standard Platform for Instrumentation [EB/OL].http://www.ni.com/whitepaper/3889/en/,2014-02-24.

楊先超（1983.8—）男，籍貫：四川瀘縣，2006年畢業(yè)于電子科技大學(xué)。研究方向：相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

任超（1991.2—）男，籍貫：四川綿陽(yáng)，2013年畢業(yè)于電子科技大學(xué)。研究方向：波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

熊函（1988.11—）男，籍貫：重慶酉陽(yáng)，2014年畢業(yè)于四川大學(xué)。研究方向：波束控制軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試；

王凱（1992.10—）男，籍貫：山東濰坊，2014年畢業(yè)于重慶大學(xué)。研究方向：波束控制軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試。

Automatic test system for portable phased array radar

Yang Xianchao,Ren Chao,Xiong Han,Wang Kai
（State seven eight three plant,Sichuan Mianyang,621000）

The phased array radar automatic test system, card system control module, instrument module integrated into a PXI chassis, and developed a set of special software automatic testing of equipment parameters. The automatic test system is of light weight, small size, easy to carry.

portable; phased array radar; automatic test