相控陣被動(dòng)雷達(dá)信號(hào)處理性能的自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)

吳　衛(wèi)，周邦華，耿樹(shù)巧，劉　劍(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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相控陣被動(dòng)雷達(dá)信號(hào)處理性能的自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)

吳衛(wèi)，周邦華，耿樹(shù)巧，劉劍
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:為了提高相控陣被動(dòng)雷達(dá)信號(hào)處理性能的測(cè)試效率和精度，設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。描述了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理及主要功能，著重介紹了軟件設(shè)計(jì)和硬件組成等關(guān)鍵技術(shù)解決方案。實(shí)際應(yīng)用證明，該測(cè)試系統(tǒng)通用性好，自動(dòng)化和智能化程度高，滿足對(duì)多種技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞:相控陣;被動(dòng)雷達(dá);信號(hào)處理;測(cè)試系統(tǒng);自動(dòng)測(cè)試; DBF

0　引言

在相控陣被動(dòng)雷達(dá)研制過(guò)程期間，需要對(duì)其信號(hào)處理能力進(jìn)行多種技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，從而使測(cè)試過(guò)程能更全面地反映系統(tǒng)的性能指標(biāo)。由于信號(hào)處理功能模塊的前端輸入依賴(lài)于前端的T/R組件傳過(guò)來(lái)的陣元信號(hào)，同時(shí)需要調(diào)度軟件進(jìn)行DBF系數(shù)等各種參數(shù)的傳輸，因此當(dāng)T/R組件或者調(diào)度軟件條件不具備但需要單獨(dú)進(jìn)行信號(hào)處理指標(biāo)考核時(shí)，就需要研究一種方法能夠使信號(hào)處理功能模塊能夠不依賴(lài)T/R組件和調(diào)度軟件從而獨(dú)立工作。具體來(lái)說(shuō)是編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的界面以便輸入相應(yīng)參數(shù)，同時(shí)將各種參數(shù)和命令通過(guò)PCI采集卡發(fā)送給信號(hào)處理功能模塊;信號(hào)處理功能模塊根據(jù)輸入?yún)?shù)模擬產(chǎn)生相應(yīng)的陣元信號(hào)，再進(jìn)行后續(xù)的各種指標(biāo)測(cè)試;用PCI采集卡實(shí)時(shí)采集相應(yīng)的信號(hào)處理后的輸出數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)中分析，最后將分析結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)顯示界面中。為便于界面控制軟件的開(kāi)發(fā)和升級(jí)，選擇MATLAB作為開(kāi)發(fā)工具。與其他開(kāi)發(fā)工具相比，MATLAB有功能強(qiáng)大的GUI界面和用戶交互，并且其Instrument Toolbox有許多調(diào)用簡(jiǎn)單、功能完備的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)處理功能模塊的控制操作［1］。

1　信號(hào)處理設(shè)計(jì)

信號(hào)處理功能模塊主要完成DBF合成和脈沖參數(shù)計(jì)算等功能。硬件主要采用VPX架構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要功能由位于VPX機(jī)箱內(nèi)的6塊相同的通用FPGA信號(hào)處理板實(shí)現(xiàn)。每塊板包括兩片XILINX公司Virtex6 LX550T的FPGA芯片。通用FPGA信號(hào)處理板間通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。具體數(shù)據(jù)流程介紹如下:首先通過(guò)4塊通用FPGA信號(hào)處理板對(duì)前端TR組件傳過(guò)來(lái)的的陣元信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)8波束DBF合成或者IFF和差波束合成。由于前端傳來(lái)的陣元信號(hào)共有40路，所以每塊板對(duì)10路光纖信號(hào)進(jìn)行處理，將前4塊板得到的DBF合成結(jié)果送入第5塊通用FPGA信號(hào)處理板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果送入第6塊通用FPGA信號(hào)處理板的脈沖參數(shù)測(cè)量單元中進(jìn)行被動(dòng)脈沖參數(shù)測(cè)量，得到脈沖描述字(PDW)，并將PDW送往計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理。信號(hào)處理框圖如圖1所示。

圖1　信號(hào)處理框圖

2　自測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自測(cè)系統(tǒng)是在信號(hào)處理功能模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建的。需要外接一臺(tái)安裝有自測(cè)系統(tǒng)界面軟件的計(jì)算機(jī)，使用脈沖參數(shù)測(cè)量板作為信號(hào)處理功能模塊唯一輸入輸出端口和計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI卡上的光纖端口進(jìn)行信息交互。需要說(shuō)明的是，由于自測(cè)系統(tǒng)不依賴(lài)于前端TR組件傳來(lái)的陣元信號(hào)數(shù)據(jù)和調(diào)度軟件傳來(lái)的DBF系數(shù)，因此需要在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下在第1到第4塊DBF板上模擬產(chǎn)生陣元信號(hào)數(shù)據(jù)。同樣的，也需要根據(jù)界面輸入的波束方位信息由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出相應(yīng)的DBF系數(shù)并傳輸?shù)叫盘?hào)處理功能模塊中的前4塊DBF板上。具體流程如下:

(1)在計(jì)算機(jī)界面上輸入模擬產(chǎn)生的陣元信號(hào)的脈寬、載頻、波束方位等信息，將這些信息形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包通過(guò)PCI卡上的光纖端口進(jìn)行輸出并送到信號(hào)處理功能模塊中的脈沖參數(shù)測(cè)量板上。

(2)脈沖參數(shù)測(cè)量板收到控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過(guò)VPX背板分發(fā)到前4塊DBF板上，前4塊DBF板上根據(jù)數(shù)據(jù)包中脈寬、載頻等參數(shù)生成相應(yīng)的模擬陣元信號(hào)。一方面，模擬陣元信號(hào)根據(jù)數(shù)據(jù)包中波束方位信息生成的DBF系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的DBF合成，并通過(guò)背板傳輸?shù)矫}沖參數(shù)測(cè)量板上實(shí)現(xiàn)脈沖參數(shù)測(cè)量功能，或者在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下通過(guò)PCI卡采集DBF合成之后的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)以便畫(huà)DBF方向圖;另一方面，模擬陣元信號(hào)本身也會(huì)通過(guò)背板傳輸?shù)矫}沖參數(shù)測(cè)量板上，同時(shí)在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下通過(guò)PCI卡采集模擬陣元信號(hào)數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行DBF處理?yè)p失的指標(biāo)計(jì)算;

(3)脈沖參數(shù)測(cè)量板收到DBF合成結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的脈沖參數(shù)測(cè)量得到脈沖描述字(PDW)，并在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下將PDW通過(guò)PCI卡采集后傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行脈寬、載頻等參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)及結(jié)果顯示。

具體交互流程參見(jiàn)圖2。

圖2　信號(hào)交互流程圖

3　PCI采集卡及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

信號(hào)處理功能模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的采集卡是基于XILINX公司XC5VLX30T信號(hào)處理芯片的高速信號(hào)PCI采集卡，可以接收光纖模塊傳入的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩存、以及對(duì)控制參數(shù)的發(fā)送等功能。采集卡的FPGA芯片中提供的硬件資源見(jiàn)表1。

表1　FPGA芯片中提供的硬件資源表

根據(jù)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅琍CI采集卡選用2個(gè)Finisar公司生產(chǎn)的光-電轉(zhuǎn)換模塊FTLF8524E2GNL，最高轉(zhuǎn)換速率為4.25 Gb/s，傳輸距離最大550 m，工作電壓為單一3.3V供電。

驅(qū)動(dòng)程序采用Windriver8.0開(kāi)發(fā)包進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用VC + +編譯成DLL，供應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)用。

驅(qū)動(dòng)程序包括以下幾個(gè)部分［2］:

①加載采集卡的DLL驅(qū)動(dòng)程序loadlibrary('CaijiDLL.dll'，'CaijiDLL_Matlab.h');

②打開(kāi)采集卡，并得到狀態(tài)標(biāo)記return_status = calllib('CaijiDLL'，'MyPCICardOpen');［return_status card_flag］= calllib('CaijiDLL'，' MyPCICardRead_Flag'，0);

③控制板子開(kāi)始采集數(shù)據(jù)return_status = calllib('CaijiDLL'，'MyPCICardStartDaq');

④得到采集的數(shù)據(jù)［return_status，PDW_Raw_Data］= calllib('CaijiDLL'，' MyPCICardGetData'，PDW _ Raw _ Data，DATA _ SIZE);

⑤關(guān)閉設(shè)備Calllib(' CaijiDLL'，' MyPCICard-Close');

⑥關(guān)閉動(dòng)態(tài)庫(kù)unloadlibrary CaijiDLL。

4　軟件控制流程

4.1 DBF板軟件控制流程

DBF板的指標(biāo)測(cè)試主要包括DBF合成之后的方向圖以及DBF處理?yè)p失計(jì)算兩個(gè)方面，因此分兩個(gè)部分進(jìn)行介紹。

被動(dòng)8波束或者IFF和差波束的軟件控制流程介紹如下:

(1)在自測(cè)系統(tǒng)界面軟件上輸入生成陣元信號(hào)脈寬、載頻以及8個(gè)波束方位指向等參數(shù)，再在被動(dòng)8波束框中點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕，根據(jù)輸入的波束方位計(jì)算出相應(yīng)的DBF系數(shù)，并連同脈寬、載頻等信息送入PCI卡形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過(guò)光纖輸出到信號(hào)處理分系統(tǒng)中，DBF板接收到控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)生成陣元信號(hào);

(2)點(diǎn)擊“噪聲控制”按鈕，發(fā)送噪聲控制命令包到信號(hào)處理分系統(tǒng)中，將DBF板上生成的陣元信號(hào)疊加上“高斯”噪聲;

(3)點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，模擬目標(biāo)沿陣面從－50°～50°進(jìn)行切向運(yùn)動(dòng)，角度精度設(shè)置為0.2°，由此可以計(jì)算出501個(gè)相位碼和方位碼并將生成的相位碼和方位碼形成數(shù)據(jù)包發(fā)送到信號(hào)處理分系統(tǒng)中，DBF板接收到傳入的相位碼和方位碼后就能夠向計(jì)算機(jī)發(fā)送當(dāng)前相位碼和方位碼所對(duì)應(yīng)的DBF結(jié)果，計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI卡采集到DBF結(jié)果后進(jìn)行分析并畫(huà)出最終方向圖。

IFF和差波束合成的軟件控制流程和被動(dòng)8波束合成一樣，參見(jiàn)被動(dòng)8波束介紹。

DBF處理?yè)p失計(jì)算的軟件控制流程介紹如下:

(1)和被動(dòng)8波束合成操作一樣在界面輸入相應(yīng)的參數(shù)，再在DBF處理?yè)p失框中點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕，將輸入的參數(shù)送入PCI卡形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過(guò)光纖輸出到信號(hào)處理分系統(tǒng)中;

(2)點(diǎn)擊“噪聲控制”按鈕，發(fā)送噪聲控制命令包到信號(hào)處理分系統(tǒng)中，將DBF板中生成的陣元信號(hào)疊加上“高斯”噪聲;

(3)點(diǎn)擊“陣元采樣”按鈕，此時(shí)計(jì)算機(jī)將依次發(fā)送陣元采集指示數(shù)據(jù)包到信號(hào)處理分系統(tǒng)中，該包包含有1～40路通道號(hào)以及IQ索引號(hào)，此時(shí)DBF板接收到該數(shù)據(jù)包后就將相應(yīng)通道相應(yīng)IQ陣元信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，直到采集完整的40個(gè)通道的I路數(shù)據(jù)以及40個(gè)通道的Q路數(shù)據(jù)總計(jì)80路陣元信號(hào)數(shù)據(jù);

(4)點(diǎn)擊“DBF采樣”按鈕，這個(gè)步驟和前面被動(dòng)8波束采集一樣在此不展開(kāi)敘述。計(jì)算機(jī)在收集到完整的陣元數(shù)據(jù)以及DBF合成之后的數(shù)據(jù)后就可以進(jìn)行DBF處理?yè)p失的分析，并得出相應(yīng)的結(jié)果顯示在界面軟件上。

4.2脈沖參數(shù)測(cè)量板軟件控制流程

脈沖參數(shù)測(cè)量板的軟件控制流程介紹如下:

(1)在自測(cè)系統(tǒng)界面軟件上輸入生成陣元信號(hào)脈寬、載頻等參數(shù)，再在脈沖參數(shù)單元測(cè)試框中點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕將輸入的參數(shù)送入PCI卡形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過(guò)光纖輸出到信號(hào)處理功能模塊中;

(2)點(diǎn)擊“噪聲控制”按鈕，發(fā)送噪聲控制命令包到到信號(hào)處理功能模塊中，將DBF板中生成的陣元信號(hào)疊加上“偽隨機(jī)”噪聲;

(3)點(diǎn)擊“方位歸零”按鈕，保證DBF合成波束都指向法線，此時(shí)DBF后的IQ信號(hào)幅值最大利于脈沖參數(shù)測(cè)量;

(4)點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，將脈沖參數(shù)測(cè)量板對(duì)前端送入的DBF合成信號(hào)處理之后生成的PDW送入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換和分析計(jì)算，得到脈沖和載頻的測(cè)量結(jié)果及均方根誤差顯示在界面軟件上。

5　分析結(jié)果及顯示

顯示界面如圖3所示。

圖3　自測(cè)系統(tǒng)顯示界面

同時(shí)8波束合成方向圖如圖4所示(界面輸入的8波束分別指向－30°，－20°，－10°，0°，10°，20°，30°，40°)。

圖4　同時(shí)8波束合成方向圖

由被動(dòng)8波束合成圖可以清晰看出波束的個(gè)數(shù)和指向都和界面輸入能夠一一對(duì)應(yīng)。

IFF和差波束合成方向圖如圖5所示(界面輸入的波束方位指向10°)。

由IFF波束合成圖可以清晰看出和差波束的指向都和界面輸入能夠一一對(duì)應(yīng)。

對(duì)陣元信號(hào)分析后得到的頻譜如圖6所示。

圖5　IFF和差波束合成方向圖

圖6　陣元信號(hào)的頻譜圖

對(duì)DBF后信號(hào)分析后得到的頻譜如圖7所示。

圖7　DBF后信號(hào)的頻譜圖

由圖6、圖7可知，考慮了FFT所帶來(lái)的增益，陣元信號(hào)SNR =－13.95，DBF后信號(hào)SNR2 = 4.63 dB，故DBF所帶來(lái)的信噪比提高為SNRo =4.63－(－13.95)= 18.58 dB，理論增益為10* log10(80)= 19.03 dB。因此，DBF處理?yè)p失為: 19.03 dB－18.58dB = 0.45 dB。將DBF處理?yè)p失顯示到界面上，最后對(duì)采集的PDW進(jìn)行分析并得到的脈寬和頻率的均值并顯示在界面上，同時(shí)統(tǒng)計(jì)脈寬和頻率的均方誤差并顯示在界面上，參見(jiàn)圖3。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文以相控陣被動(dòng)雷達(dá)信號(hào)處理功能模塊為例，介紹了一種基于MATLAB的自動(dòng)化測(cè)試軟件設(shè)計(jì)方法。通過(guò)圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)，由程序控制來(lái)自動(dòng)產(chǎn)生覆蓋測(cè)試要求的不同參數(shù)組合信號(hào)，并能自動(dòng)計(jì)算出方向圖、DBF合成損失等測(cè)試結(jié)果。根據(jù)實(shí)際使用情況表明，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，大部分操作均采用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)控制，而人工操作部分相對(duì)簡(jiǎn)單;測(cè)試過(guò)程時(shí)間短，易于后期作數(shù)據(jù)分析比較;還能根據(jù)需要擴(kuò)展功能，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率和定位排查故障點(diǎn)等方面有著十分現(xiàn)實(shí)的意義［3］。

參考文獻(xiàn):

［1］劉映杰.用WinDriver開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序［J］.信息技術(shù)，2004(2).

［3］薛年喜.MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，2007:53-73.

［2］熊毅.有源相控陣天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2012(5).

Automatic test technology of signal processing performance for passive phased-array radar

WU Wei，ZHOU Bang-hua，GENG Shu-qiao，LIU Jian
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A new automatic test system(ATS)is designed to improve the test efficiency and precision of the signal processing performance of the passive phased-array radar.The working principle and main functions of the ATS are described with an emphasis on the solutions to the key technologies such as the software design and the hardware constitution.It is verified through actual applications that the ATS meets the test demands of multiple technical indexes，featuring good universality and high automation and intelligence.

Keywords:phased array; passive radar; signal processing; test system; automatic test; DBF

作者簡(jiǎn)介:吳衛(wèi)(1977-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù);周邦華(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù);耿樹(shù)巧(1987-)，女，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù);劉劍(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。

收稿日期:2015-03-11;修回日期:2015-03-20

文章編號(hào):1009－0401(2015)02－0033－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):TN958.92