雷達(dá)微波綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230031）

雷達(dá)性能指標(biāo)的測(cè)試，在雷達(dá)調(diào)試和維護(hù)保障階段的作用越來越突出，隨著雷達(dá)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，測(cè)試通路和數(shù)據(jù)量越來越多，微波測(cè)試效率和數(shù)據(jù)分析效率受到很大的限制。為解決上述需求，通過通用化的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)微波性能指標(biāo)綜合自動(dòng)測(cè)試與分析，滿足測(cè)試與分析的高效化和智能化，應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)理論的關(guān)聯(lián)分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)微波系統(tǒng)性能指標(biāo)的綜合測(cè)試與評(píng)估[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)方面，其中硬件設(shè)計(jì)主要是綜合考慮現(xiàn)有測(cè)試需求，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)采集和切換的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)系統(tǒng)和儀表之間的連接，完成對(duì)射頻、中頻、數(shù)字信號(hào)的控制。軟件設(shè)計(jì)是從測(cè)試控制、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試儀表和硬件系統(tǒng)的自動(dòng)控制，同時(shí)將影響系統(tǒng)指標(biāo)的因素進(jìn)行綜合分析判斷。

本文重點(diǎn)從綜合系統(tǒng)測(cè)試算法和系統(tǒng)評(píng)估算法方面進(jìn)行闡述。在雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)的電性能指標(biāo)中，靈敏度、增益和動(dòng)態(tài)范圍、改善因子、相位噪聲和發(fā)射功率等是測(cè)試重點(diǎn)，因此，系統(tǒng)將從雷達(dá)的靈敏度、雷達(dá)的抗飽和能力、雷達(dá)的信號(hào)檢測(cè)能力等方面進(jìn)行測(cè)試與分析。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是通過相應(yīng)的輸入輸出接口和邏輯控制電路，將測(cè)試和被測(cè)信號(hào)送到相應(yīng)設(shè)備中，通過計(jì)算機(jī)控制和采集，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試和分析。

硬件測(cè)試系統(tǒng)主要包括輸入輸出接口、開關(guān)模塊、邏輯控制電路、數(shù)據(jù)選擇電路等，如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Block diagram of hardware system

硬件的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1）測(cè)試頻率覆蓋范圍：0.5 MHz～6000 MHz；

2）可以實(shí)現(xiàn) 1 GHz～6 GHz通路數(shù)：72 路（64 輸入、8 路輸出），插損：≤2 dB；

3）0.5 MHz～1 GHz通路數(shù)：72 路 （64 輸入、8 路輸出），插損：≤1 dB；

4）通路隔離度：≥80 dB；

5）通路的幅度不一致性：≤±0.5 dB；

6）開關(guān)速度：≤200 ns；

7）最大可承受功率：≤27 dBm；

8）雙DIO控制接口。

功能模塊：

1）控制電路：與被測(cè)系統(tǒng)（DUT）之間的通信通過數(shù)字型USB IO口來實(shí)現(xiàn)，與儀表之間通過USB/GPIB卡實(shí)現(xiàn)儀表指令的輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集。

2）數(shù)字接口：被測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)通過LVDS輸入，經(jīng)數(shù)據(jù)分選控制，實(shí)現(xiàn)被測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的分解、選擇、打包，將數(shù)字信號(hào)通過采集板的網(wǎng)絡(luò)輸出口（LAN），傳送到計(jì)算機(jī)控制分析系統(tǒng)內(nèi)。

3）射頻接口：測(cè)試系統(tǒng)所有連接多輸入的開關(guān)模塊均設(shè)計(jì)成吸收式的開關(guān)，所有多輸出的開關(guān)模塊均設(shè)計(jì)成反射式的開關(guān)，除了改善信號(hào)輸入輸出端口駐波對(duì)被測(cè)試系統(tǒng)的影響外，還可以改善通路之間信號(hào)的隔離。另外，為了降低硬件設(shè)計(jì)和指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的難度，內(nèi)部開關(guān)采用分頻段組合設(shè)計(jì)，以滿足開關(guān)隔離、幅度一致性、開關(guān)速度等要求。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)試控制系統(tǒng)平臺(tái)是基于LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)的，前期對(duì)儀表校準(zhǔn)、采集、運(yùn)算等進(jìn)行了獨(dú)立封裝，通過模塊化的組合，每個(gè)獨(dú)立測(cè)試功能都通過相應(yīng)的VI程序?qū)崿F(xiàn)，使系統(tǒng)的維護(hù)、修改和擴(kuò)展更加簡單[1-4]。

1.2.1 總體設(shè)計(jì)

綜合測(cè)試系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制界面Fig.2 System control screen

系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行和測(cè)試功能如圖3所示，在此不再詳細(xì)闡述。

圖3 測(cè)試分析系統(tǒng)邏輯控制Fig.3 Logic control block diagram of test and analysis system

1.2.2 校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

啟動(dòng)后檢查與儀表的通信，系統(tǒng)發(fā)送讀取指令，讀取各儀表的GPIB地址（*ISDN），如果各儀表的地址均讀取成功，則說明儀表通信正常，否則送出錯(cuò)誤代碼，程序停止。

校準(zhǔn)模塊分為2個(gè)部分：

1）對(duì)測(cè)試平臺(tái)的校準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試過程的準(zhǔn)確，綜合測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)具有自校準(zhǔn)功能，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試平臺(tái)性能的評(píng)估和誤差的實(shí)時(shí)修正。為了準(zhǔn)確全面地修正誤差數(shù)據(jù)，通過選擇不同型號(hào)的雷達(dá)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配置內(nèi)部的測(cè)試需求，達(dá)到更加精確測(cè)量的目的。

2）對(duì)儀表的校準(zhǔn)。如噪聲測(cè)試儀，校準(zhǔn)前需要對(duì)各儀表（*RST）進(jìn)行校準(zhǔn)，避免儀表在后續(xù)接收指令中發(fā)生沖突。

1.2.3 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

1）噪聲系數(shù)的測(cè)試與分析

噪聲系數(shù)是表征接收機(jī)內(nèi)部噪聲大小的物理量，它是限制雷達(dá)接收機(jī)靈敏度的根本原因。

噪聲系數(shù)測(cè)試是通過噪聲測(cè)試儀采用Y因子法的測(cè)試方法直接測(cè)出，具體如下：

式中：NF 為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，dB；ENR（excess noise radio）為噪聲發(fā)生器的超噪比，dB；Y為2次測(cè)量功率比值的倍數(shù)。

測(cè)試時(shí)噪聲系數(shù)直接通過計(jì)算機(jī)采集得出，系統(tǒng)會(huì)在“一鍵測(cè)試”完成后，給出相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)與分析結(jié)果。

內(nèi)部程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過選擇結(jié)構(gòu)，調(diào)用不同的功能模塊，來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和不同雷達(dá)型號(hào)的控制與測(cè)試，內(nèi)部校準(zhǔn)程序如圖4所示。

圖4 噪聲系數(shù)模塊程序設(shè)計(jì)Fig.4 Program design of noise figure module screenshot

2）動(dòng)態(tài)范圍和增益的測(cè)試與分析

信號(hào)從射頻輸入，然后由數(shù)字IQ部分采集，折算出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和增益。

在實(shí)際應(yīng)用中，常用“1 dB增益壓縮點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍”和“無失真信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍”來表征。采用“一鍵測(cè)試”時(shí)，系統(tǒng)的“1 dB動(dòng)態(tài)范圍”應(yīng)用如下：

如果選擇“分步測(cè)試”，則系統(tǒng)運(yùn)算采用式（2）來運(yùn)算，所需要的Smin參數(shù)來自該雷達(dá)的理論值。

通過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，可以分析出雷達(dá)系統(tǒng)無失真動(dòng)態(tài)范圍：

其中，雷達(dá)系統(tǒng)的增益可以表征如下：

式中：PO為測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，在Pi-1時(shí)系統(tǒng)的輸出功率。由于系統(tǒng)在測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，增益壓縮了1 dB，所以，系統(tǒng)在分析時(shí)，對(duì)其進(jìn)行修正[1-4]。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，將上述分析嵌入到具體的設(shè)計(jì)中，通過理論分析節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同模式下的測(cè)試分析。如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)范圍與增益程序Fig.5 Dynamic range and gain programming screenshot

3）相位噪聲的測(cè)試與分析

本振的頻率穩(wěn)定度和頻譜純度直接影響到雷達(dá)系統(tǒng)在強(qiáng)雜波中對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別能力，即雷達(dá)系統(tǒng)的改善因子。

短期的頻率穩(wěn)定度從頻域角度考慮用單邊帶相位噪聲（SSB）來衡量，其中L（fm）相對(duì)于載波1 Hz的對(duì)數(shù)表示，即dBc/Hz，

頻譜純度主要是頻率源的雜波抑制度和諧波抑制度[1-4]。

上述測(cè)試通過信號(hào)分析儀直接測(cè)出，通常采集偏離載頻1 kHz的相位噪聲和工作頻帶內(nèi)的雜波抑制。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)本振信號(hào)直接測(cè)試采集，數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的報(bào)表，在執(zhí)行“一鍵測(cè)試”時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)將會(huì)被調(diào)用，并進(jìn)行最后的綜合分析。

4）功率和改善因子的測(cè)試與分析

動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)之一就是改善因子，在實(shí)際的應(yīng)用中，雷達(dá)系統(tǒng)的改善因子取決于多個(gè)部分，其中包括發(fā)射信號(hào)的改善因子，A/D量化噪聲對(duì)改善因子的限制，單邊帶相位噪聲對(duì)改善因子的影響，信號(hào)處理的模式對(duì)改善因子的限制4個(gè)主要方面。

在此僅分析發(fā)射信號(hào)的改善因子，通常用下面的公式進(jìn)行衡量：

通過對(duì)發(fā)射改善因子的測(cè)試，可以判斷出本振的相位噪聲、雜波抑制、激勵(lì)調(diào)制脈沖的幅度、相位、寬度等是否在正常的區(qū)間。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)制信噪比是直接通過儀表測(cè)得的，Bw和fr在測(cè)試中也同樣可以測(cè)試出來，通過公式節(jié)點(diǎn)的編程就可以實(shí)現(xiàn)改善因子的輸出。

圖6 功率和改善因子程序Fig.6 Power and improvement factor program design screenshot

5）IQ信號(hào)的測(cè)試與分析

IQ信號(hào)特性中，由于普遍采用數(shù)字下變頻技術(shù)，IQ信號(hào)的幅度一致性和正交度都能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，A/D采樣的信噪比和通路之間的幅度一致性，將是重點(diǎn)關(guān)注的方面。在頻域中影響雷達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)目標(biāo)改善因子，在時(shí)域中影響脈壓的主副瓣比；在不同體制的雷達(dá)中，有些還影響雷達(dá)的測(cè)角精度、測(cè)高精度，以及副瓣電平[1-4]。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，將硬件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化選擇后輸出的信號(hào)，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、LAN口采集，送到系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)算分析。

1.2.4 數(shù)據(jù)輸出設(shè)計(jì)

分布式自動(dòng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)單獨(dú)輸出到報(bào)表，每一項(xiàng)的測(cè)試數(shù)據(jù)均寫到相應(yīng)的測(cè)試表格內(nèi)；綜合測(cè)試時(shí)，不同測(cè)試項(xiàng)的測(cè)試數(shù)據(jù)寫入臨時(shí)表格內(nèi)，待所有測(cè)試項(xiàng)完成后，實(shí)現(xiàn)最終的自動(dòng)分析和運(yùn)算。通過雷達(dá)方程，改善因子數(shù)據(jù)分析等指標(biāo)形成相應(yīng)的分析報(bào)告。

在數(shù)據(jù)分析中，通過調(diào)用不同的數(shù)學(xué)分析模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，其中涉及的公式有式（3）、式（7），則：

2 實(shí)際應(yīng)用情況

雷達(dá)微波綜合測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)雷達(dá)微波性能指標(biāo)的測(cè)試中，測(cè)試應(yīng)用情況如下：

1）測(cè)試功能覆蓋和測(cè)試效率

目前可以實(shí)現(xiàn)10個(gè)型號(hào)雷達(dá)性能指標(biāo)的綜合測(cè)試與分析。通過選取某典型體制雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，將綜合測(cè)試（A項(xiàng)）和分步自動(dòng)測(cè)試（B項(xiàng)）進(jìn)行了分析對(duì)比。如表1所示。

表1 兩種測(cè)試方法的典型特征對(duì)比表Tab.1 Comparison of typical features of the test methods

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度和表1中可以看出，綜合測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)越性得到了很好的體現(xiàn)。

2）測(cè)試報(bào)告的自動(dòng)輸出

測(cè)試報(bào)告的格式可以選擇，如果選擇EXCEL格式的報(bào)表輸出，報(bào)告內(nèi)將不包含圖形化的輸出，如果選擇HTML格式的輸出，測(cè)試過程中的頻譜圖將會(huì)被記錄下來，具體輸出情況如圖7和表2所示。

圖7 輸出頻譜Fig.7 Output spectrum

表2 格式化的數(shù)據(jù)輸出Tab.2 Format of the data output

3）測(cè)試的直觀性

為了考慮測(cè)試顯示的直觀性，除了測(cè)試的主界面外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全部性能指標(biāo)測(cè)試項(xiàng)的獨(dú)立顯示界面，如圖8所示。不僅實(shí)現(xiàn)了測(cè)試圖形和數(shù)據(jù)的同步顯示，另外還實(shí)現(xiàn)了異常數(shù)據(jù)突顯[5-6]，使得測(cè)試過程的監(jiān)控更加直觀。

圖8 IQ測(cè)試顯示界面Fig.8 IQ test display

3 結(jié)語

雷達(dá)系統(tǒng)的綜合測(cè)試需求越來越迫切，不僅要實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)化，還要具備嵌入式測(cè)試與分析的功能，測(cè)試的高效性、完整性，以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性需求更加突出。該系統(tǒng)將不同型號(hào)雷達(dá)的性能指標(biāo)測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過相應(yīng)的關(guān)聯(lián)模型分析，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的集成化和智能化，為雷達(dá)整機(jī)級(jí)的嵌入式測(cè)試與分析提供了借鑒和參考。

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