雷達(dá)高度表靈敏度測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

劉振吉，高世鷹，冉啟友

（1.中國(guó)工程物理研究院　計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川　綿陽(yáng)　621900；2.中國(guó)工程物理研究院　電子工程研究所，四川　綿陽(yáng)　621900）

雷達(dá)高度表靈敏度測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

劉振吉1，高世鷹2，冉啟友2

（1.中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川綿陽(yáng)621900；2.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽(yáng)621900）

提出了一種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)高度表接收機(jī)靈敏度的自動(dòng)化測(cè)試，提高了接收機(jī)靈敏度的測(cè)試效率和測(cè)試準(zhǔn)確度；利用計(jì)算機(jī)程序通過(guò)GPIB協(xié)議控制直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、示波器等標(biāo)準(zhǔn)儀器，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)高度表的加電和斷電、雷達(dá)回波信號(hào)的模擬、雷達(dá)高度表輸出端信號(hào)的檢測(cè)；針對(duì)測(cè)試需求，充分考慮接收機(jī)靈敏度測(cè)試方案的通用性和可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)了通用的測(cè)試模型，據(jù)此開(kāi)發(fā)的軟件可自動(dòng)給出測(cè)試結(jié)論；在程序中設(shè)計(jì)了求取靈敏度最優(yōu)頻點(diǎn)和靈敏度的優(yōu)化迭代算法，節(jié)省了測(cè)試時(shí)間；利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)被測(cè)雷達(dá)高度表相關(guān)信息和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，便于將測(cè)試結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

雷達(dá)高度表；接收機(jī)靈敏度；自動(dòng)化測(cè)試；參數(shù)化

0　引言

雷達(dá)高度表是利用電磁波傳輸特性實(shí)現(xiàn)高度測(cè)量的電子設(shè)備，因其測(cè)高準(zhǔn)確度高、受天氣影響小、實(shí)時(shí)性好，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備領(lǐng)域。而其工作環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)電子系統(tǒng)的可靠性要求高［1］，接收機(jī)靈敏度是表征雷達(dá)高度表接收能力的重要參數(shù)，需要定期測(cè)試，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除問(wèn)題［2］。以往依靠技術(shù)人員手動(dòng)操作儀器來(lái)完成靈敏度測(cè)量，不僅耗時(shí)久，而且由于操作人員的技術(shù)水平、責(zé)任心和工作經(jīng)驗(yàn)的差異常常影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性［2］。隨著自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，不少單位開(kāi)展了接收機(jī)靈敏度自動(dòng)化測(cè)試的研究工作，在測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果一致性方面都有很大提高，但是對(duì)自動(dòng)化測(cè)試的通用性和測(cè)試數(shù)據(jù)的管理很少考慮。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的通用化。

1　測(cè)試原理及參數(shù)化

接收機(jī)靈敏度是雷達(dá)高度表正常工作時(shí)接收機(jī)組件可接收的最弱信號(hào)強(qiáng)度，通常用功率表示，單位為dBm。理論上接收機(jī)靈敏度應(yīng)針對(duì)接收頻帶內(nèi)每一個(gè)頻率點(diǎn)都有一個(gè)閥值，工程上只對(duì)中心頻率點(diǎn)的接收機(jī)靈敏度進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)閾?jù)此可判斷接收頻帶內(nèi)的接收能力。此外工程上對(duì)不同高度的測(cè)試能力即接收機(jī)靈敏度會(huì)有不同要求，因?yàn)楦叨仍降?，靈敏度要求也越低，通常在設(shè)計(jì)雷達(dá)高度表時(shí)針對(duì)低高度不會(huì)為了提高靈敏度而增加技術(shù)復(fù)雜度。

接收機(jī)靈敏度的傳統(tǒng)測(cè)量方法一般采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源法和噪聲系數(shù)法，采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源法時(shí)如果用功率計(jì)直接在接收機(jī)輸入端測(cè)量輸入的功率值，就會(huì)存在難以準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題［5］。采用具備可設(shè)置功率衰減的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)源來(lái)模擬接收機(jī)輸入端的回波信號(hào)，可以解決此問(wèn)題，改進(jìn)的信號(hào)源法測(cè)試原理連接框圖如圖1所示。

圖1中主控計(jì)算機(jī)與采集控制卡之間通過(guò)PCI總線連接，與示波器、信號(hào)源、程控直流穩(wěn)壓電源之間通過(guò)USB-GPIB轉(zhuǎn)接電纜和GPIB電纜連接，其它通過(guò)測(cè)試電纜與雷達(dá)高度表相關(guān)輸入輸出接口連接。

通過(guò)軟件調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率，并判斷示波器檢測(cè)到雷達(dá)高度表的視放輸出信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，記住頻率值。然后以此頻率設(shè)置信號(hào)源，按一定衰減幅度調(diào)節(jié)信號(hào)源功率，當(dāng)雷達(dá)高度表處于臨界輸出狀態(tài)后繼續(xù)調(diào)節(jié)，直至信號(hào)強(qiáng)度小到雷達(dá)高度表不輸出為止，此時(shí)信號(hào)源的上一步進(jìn)輸出幅度，加上微波通路的衰減量，即為接收機(jī)靈敏度。

圖1　接收機(jī)靈敏度測(cè)試原理框圖

上述過(guò)程中的各相關(guān)量和求優(yōu)過(guò)程在程序設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，該方法可以用于不同型號(hào)的雷達(dá)高度表的接收機(jī)靈敏度測(cè)試。

2　硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)在硬件上必須盡量覆蓋不同型號(hào)雷達(dá)高度表的測(cè)試需求，所以儀器的選型、連接通路的設(shè)計(jì)、輸出信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)都要便于整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.1儀器選型

根據(jù)擬測(cè)試的雷達(dá)高度表型號(hào)特點(diǎn)，選擇能覆蓋測(cè)試需求的信號(hào)源、示波器和程控直流穩(wěn)壓電源。信號(hào)源的選擇要考慮頻率范圍及設(shè)定時(shí)間、電平范圍、寬帶噪聲、寬帶噪聲、支持的調(diào)制類型和支持GPIB連接等；示波器的選擇要考慮帶寬、通道數(shù)量、觸發(fā)方式、輸入阻抗、最大輸入電壓、最大存儲(chǔ)量和支持GPIB連接等；電源的選擇要考慮最大輸出功率、輸出電壓范圍、路數(shù)、紋波特性、讀回值準(zhǔn)確度和支持GPIB連接等。

2.2微波信號(hào)轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)

微波通路的連接相對(duì)復(fù)雜，需要串接環(huán)行器、隔離器、定向耦合器、衰減器和匹配電路等。為方便使用和通用化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一款微波信號(hào)轉(zhuǎn)接器將上述組件集成在一起，并封裝成獨(dú)立器件。微波信號(hào)轉(zhuǎn)接器如圖2所示。

圖2　微波信號(hào)轉(zhuǎn)接器示意圖

具體技術(shù)要求如下，部分參數(shù)數(shù)值用X、Y統(tǒng)一代替：

1）各端口功率容量為峰值功率XW或平均功率YW，特性阻抗均為50Ω，駐波系數(shù)不大于1.3，頻率范圍滿足要求。

2）各端口對(duì)傳輸方向要求：小信號(hào)（-Xd BW-Yd BW）從端口2輸入并從端口1輸出；大功率信號(hào)（脈沖峰值功率XW，平均功率YW）從1端口輸入并從端口4輸出，并同時(shí)耦合其中部分能量從端口3（耦合輸出）輸出，此時(shí)，不允許1端口中大于XmW的信號(hào)從端口1進(jìn)入端口2。

3）各端口相對(duì)隔離度要求：正向：2→1：≤X d B；1→3：X dB±0.4 dB；1→4：X dB±0.4 d B；反向：1→2：≥X dB，其余上述各端口反向隔離不小于Y d B。

2.3采集控制卡設(shè)計(jì)

采集卡主要用于采集雷達(dá)高度表的終端輸出等信號(hào)，由于不同型號(hào)雷達(dá)高度表的終端輸出信號(hào)類型不同，有的是接點(diǎn)信號(hào)，有的是TTL電平信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化通用化設(shè)計(jì)，基于PCI總線研制了一款帶有8個(gè)繼電器輸出及8路隔離數(shù)字量輸入卡，提供2 500 VDC的隔離保護(hù)；繼電器可以用作開(kāi)關(guān)控制式電源斷路開(kāi)關(guān)，每個(gè)隔離輸入都同時(shí)支持干接點(diǎn)和濕接點(diǎn)信號(hào)。

3　軟件設(shè)計(jì)

該方法是在被測(cè)對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)已知的前提下開(kāi)展測(cè)試工作，因此在頻點(diǎn)確定和靈敏度測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)參數(shù)設(shè)置縮小求優(yōu)范圍，提高效率。

3.1軟件總體結(jié)構(gòu)

軟件采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將軟件程序和參數(shù)分開(kāi)。主控軟件用Visual C++開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)編程技術(shù)采用ADO。Lab VIEW編程調(diào)用VISA接口庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器、信號(hào)源、程控直流穩(wěn)壓電源的控制，并封裝成動(dòng)態(tài)庫(kù)供Visual C ++調(diào)用。對(duì)采集控制卡的控制Visual C++通過(guò)其驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)［8］。

3.2測(cè)試流程參數(shù)化

由測(cè)試原理及方法可知，靈敏度測(cè)試流程中需要設(shè)置與被測(cè)雷達(dá)高度表及測(cè)試儀器設(shè)置相關(guān)的一些物理量：雷達(dá)高度表相關(guān)物理量有測(cè)試靈敏度的高度、靈敏度合格范圍、頻率初始值等；信號(hào)源設(shè)置相關(guān)物理量有信號(hào)延時(shí)初始值、脈沖寬度值、頻率搜索上下限、設(shè)置時(shí)間間隔、起始功率值、功率步進(jìn)值等；示波器設(shè)置相關(guān)物理量有顯示通道、觸發(fā)通道、光標(biāo)初始位置等；程控直流穩(wěn)壓電源設(shè)置相關(guān)物理量有輸出通道、電壓值、電流保護(hù)限值等；采集控制卡設(shè)置相關(guān)物理量有輸入通道號(hào)、是干接點(diǎn)還是濕接點(diǎn)、判斷是否動(dòng)作的參考值、輸出繼電器號(hào)、動(dòng)作值等。

對(duì)這些物理量進(jìn)行參數(shù)化，用數(shù)據(jù)庫(kù)管理起來(lái)。換一種型號(hào)的雷達(dá)高度表，只需要將與之相關(guān)的物理量參數(shù)增加進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)的參數(shù)表即可。程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)被測(cè)雷達(dá)高度表的型號(hào)信息，從參數(shù)表中調(diào)用該型號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù)表記錄、儀器設(shè)置表記錄等，自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)的測(cè)試流程，給出測(cè)試數(shù)據(jù)和是否合格的結(jié)果。

3.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

測(cè)試參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)都需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行管理，下面以產(chǎn)品信息表、測(cè)試參數(shù)表和測(cè)試數(shù)據(jù)表為例簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1　產(chǎn)品信息表結(jié)構(gòu)

表2　測(cè)試參數(shù)表結(jié)構(gòu)

表3　測(cè)試數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

3.4頻點(diǎn)確定算法

根據(jù)測(cè)試原理，接收頻帶內(nèi)對(duì)應(yīng)終端視放信號(hào)以最優(yōu)頻點(diǎn)為中心最大值成左右對(duì)稱分布。最優(yōu)頻點(diǎn)ff肯定在頻率初始值f 0的上下偏差f d范圍內(nèi)，否則被測(cè)產(chǎn)品肯定不合格。用S（f）表示頻率設(shè)置成f時(shí)對(duì)應(yīng)的示波器視放信號(hào)值，采用二分法求優(yōu)［9］。頻點(diǎn)確定算法流程圖見(jiàn)圖3。

圖3　頻點(diǎn)確定流程框圖

3.5靈敏度測(cè)試算法

根據(jù)測(cè)試原理，接收機(jī)靈敏度S可以從合格下限值Smin開(kāi)始搜索，優(yōu)于Smin為合格，否則為不合格，根據(jù)測(cè)試高度th計(jì)算出信號(hào)源的延遲時(shí)間t，根據(jù)Smin、通路衰減Pt計(jì)算出對(duì)應(yīng)的信號(hào)源功率P 0。每次信號(hào)源功率設(shè)置值用Px，雷達(dá)終端輸出信號(hào)用O（Px）表示，有穩(wěn)定輸出為TRUE，反之為FALSE。靈敏度測(cè)試算法流程見(jiàn)圖4。

圖4　靈敏度測(cè)試流程框圖

4　應(yīng)用情況

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在某項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，基于該方法研制的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)4種型號(hào)雷達(dá)高度表的靈敏度測(cè)試。

對(duì)4種型號(hào)多臺(tái)雷達(dá)高度表進(jìn)行了超過(guò)100次的靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)試效率有了明顯提高，同型號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)一致性好。不考慮測(cè)試前的準(zhǔn)備時(shí)間，原來(lái)手工方式下測(cè)量單臺(tái)雷達(dá)高度表靈敏度，因操作人員不同測(cè)量時(shí)間為10～15 min，而采用新研測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，單臺(tái)測(cè)量時(shí)間不超過(guò)5 min。

5　結(jié)論

采用參數(shù)化方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)高度表靈敏度自動(dòng)化測(cè)試，不僅減少了人工操作引入的測(cè)試誤差，而且具有較好的通用性和可擴(kuò)展性。不用重新編寫程序，只需在參數(shù)表中增加相關(guān)記錄、新研部分測(cè)試電纜，即可擴(kuò)展應(yīng)用于不同型號(hào)雷達(dá)高度表靈敏度測(cè)試，大大提高了測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。提供的歷史測(cè)試數(shù)據(jù)管理功能有利于相關(guān)技術(shù)人員及時(shí)掌握被測(cè)產(chǎn)品的性能變化情況，便于提出預(yù)防性維修計(jì)劃。通過(guò)頻點(diǎn)確定求優(yōu)算法和靈敏度測(cè)試求優(yōu)算法，提高了測(cè)試效率，降低了測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了測(cè)試數(shù)據(jù)的客觀性。此外這種用最優(yōu)頻點(diǎn)靈敏度判斷接收機(jī)性能的檢測(cè)方法值得探討，應(yīng)該用最差頻點(diǎn)靈敏度表征整個(gè)接收頻帶內(nèi)的接收能力才更合適。

［1］郭明明，李成玉，尚朝軒，等.雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試，2013，39 （6）：107-109.

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Parameterized Design Method for Testing System of Radar Altimeter Receiver Sensitivity

Liu Zhenji1，Gao Shiying2，Ran Qiyou2
（1.Institute of Computer Application，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China）

A parametric design method is put forward，which made it possible to automatically measure receiver sensitivity of radar altimeter.It improved the receiver sensitivity test efficiency and test accuracy.Using a computer program through GPIB protocol control standard instrument such as DC regulated power supply，signal generator，oscilloscope，to turn on or off radar altimeter，to simulate radar echo signal，to detect radar altimeter output signal.According to test requirements，fully considering the receiver sensitivity test scheme for universal and scalability，a general test model is designed.The software is developed which can automatically giving the test results.A program designed to calculate the sensitivity of the optimal frequency and sensitivity of the optimal iterative arithmetic，which save the test time.Test data and information of the measured radar altimeter are managed by database technology，which make it easy to compare the result of the test with the historical data.

radar altimeter；receiver sensitivity；automatic measurement；parameterization

1671-4598（2016）05-0129-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.037

TN95；TP274

A

2015-12-04；

2015-12-22。

劉振吉（1974-），男，山東濰坊人，碩士，副研究員，主要從事自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用方向的研究。