雷達(dá)數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的研究

宋 云,王 維,朱小定,童穎飛,張英浩

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

雷達(dá)數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的研究

宋 云,王 維,朱小定,童穎飛,張英浩

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

針對(duì)雷達(dá)數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析,提出基于標(biāo)準(zhǔn)件的T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)辦法,給出了校準(zhǔn)方法的不確定度分析方法,利用重復(fù)性和穩(wěn)定性選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)T/R組件。

T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng);校準(zhǔn);不確定度;重復(fù)性;穩(wěn)定性

0 引 言

T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分,有通道數(shù)多、測(cè)試參數(shù)多、測(cè)試頻點(diǎn)多的特點(diǎn)。雷達(dá)數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng))解決了T/R組件指標(biāo)人工測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)、耗人力、效率低的問題,大大提升了T/R組件指標(biāo)測(cè)試的速度,提升了科研生產(chǎn)進(jìn)度。T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)屬于專用測(cè)試設(shè)備。根據(jù)《GJB5109 裝備計(jì)量保障通用要求 檢測(cè)和校準(zhǔn)》的要求,凡有定量要求的檢測(cè)設(shè)備,為確保其量值準(zhǔn)確并具有溯源性,要按照規(guī)定的周期進(jìn)行校準(zhǔn)。本文就T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析,提出一種基于標(biāo)準(zhǔn)件的校準(zhǔn)方法,實(shí)現(xiàn)T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

1 T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制與溯源現(xiàn)狀

雷達(dá)數(shù)字T/R組件的特點(diǎn)是以直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)為其核心組成全數(shù)字T/R模塊代替原來由移相器、微波衰減器等構(gòu)成的模擬T/R模塊,利用DDS技術(shù)完成雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生、頻率源和幅相控制的一體化實(shí)現(xiàn)[1]。發(fā)射工作方式時(shí),雷達(dá)主機(jī)將波束指向角對(duì)應(yīng)的幅相控制信息經(jīng)光纖傳輸至 T/R 組件,數(shù)據(jù)暫存在幅相寄存器中,在觸發(fā)到來時(shí)各個(gè)通道的 DDS 利用幅相控制信息對(duì)生成的 DDS 信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,形成初相受控的數(shù)字正交 DDS 信號(hào)。該信號(hào)經(jīng) DAC、濾波、變頻、功率放大產(chǎn)生所需要的發(fā)射波形,經(jīng)過收發(fā)開關(guān)傳輸至天線單元,輻射出去。接收工作方式時(shí),天線接收的雷達(dá)回波信號(hào)首先經(jīng)過收發(fā)開關(guān)和低噪放,濾波后與本振進(jìn)行混頻,得到中頻信號(hào),再經(jīng)過 A/D 采樣,下變頻為數(shù)字零中頻I/Q信號(hào),各路I/Q信號(hào)數(shù)據(jù)打包后從光纖接口送出[2-3]。

在T/R組件上行發(fā)射狀態(tài)下,不需要外加激勵(lì)信號(hào),可通過直接控制組件狀態(tài),在信號(hào)發(fā)射端用通用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行參數(shù)測(cè)試;在下行接收狀態(tài)下,經(jīng)中頻采樣后的數(shù)字I/Q信號(hào)需要通過數(shù)學(xué)分析和計(jì)算,得到下行參數(shù)指標(biāo)[3]。T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常在通用測(cè)試開發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上利用中樞建立相應(yīng)的測(cè)試通道,通過儀表總線接口控制通用測(cè)試設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)T/R組件參數(shù)指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試。通常還要根據(jù)被測(cè)T/R組件的特點(diǎn)和測(cè)試系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)專用的波控板卡和采集板卡,分別用于控制T/R組件的工作狀態(tài)以及采集接收通道數(shù)字信號(hào),同時(shí)對(duì)采集的數(shù)字I/Q信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和分析[4]。

為了滿足溯源性能要求,T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的量值應(yīng)溯源到國防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或者國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前,暫無針對(duì)T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)專用的溯源方法。當(dāng)無法向國防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或者國家計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)溯源時(shí),也可以采用以下幾種方法進(jìn)行[5]:

方法1:同類設(shè)備量值比對(duì)或能力測(cè)試;

方法2:選擇標(biāo)準(zhǔn)件(標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)進(jìn)行核查;

方法3:比例測(cè)量;

方法4:采用其他行業(yè)或國際上公認(rèn)的方法校準(zhǔn)。

表1對(duì)4種校準(zhǔn)方法進(jìn)行了適用范圍的說明。該4種校準(zhǔn)方法均是針對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。

表1 4種校準(zhǔn)方法適用范圍

通過分析上述T/R組件的特點(diǎn)以及校準(zhǔn)方法的適用范圍可知,T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)功能復(fù)雜,接口樣式多,沒有可以實(shí)現(xiàn)比對(duì)的同類設(shè)備;上行發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生與下行接收的信號(hào)均為數(shù)字信號(hào),也使測(cè)得量值無法向上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溯源。但是,T/R組件技術(shù)指標(biāo)和功能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)工藝標(biāo)準(zhǔn)化。綜上所述,T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可采用第3種校準(zhǔn)方法,即標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)法[6]。

所謂標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)法,即通過T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量,從數(shù)據(jù)穩(wěn)定、指標(biāo)一致的產(chǎn)品中選擇3塊以上的被測(cè)件作為標(biāo)準(zhǔn)件來校準(zhǔn)T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。首次校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以作為后期周期校準(zhǔn)用的對(duì)比數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)法對(duì)測(cè)試通道多、測(cè)試參數(shù)多、接口種類多且測(cè)試參數(shù)關(guān)系復(fù)雜的數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有較為實(shí)用的意義。

2 標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)方法的測(cè)量不確定度評(píng)定方法

將量值溯源到國家標(biāo)準(zhǔn),除了采取合適的校準(zhǔn)方法,還必須要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖見圖1[4]。

圖1 寬帶T/R組件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)框圖

從圖1中可以看出,T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)連接復(fù)雜,輸入信號(hào)復(fù)雜,決定了組件被測(cè)參數(shù)的測(cè)量模型復(fù)雜,不確定度來源復(fù)雜。表2列出了組件兩種工作狀態(tài)4項(xiàng)測(cè)試參數(shù)的測(cè)量模型以及不確定因素分析。

表2 T/R標(biāo)準(zhǔn)組件的參數(shù)測(cè)量模型和不確定度因素分析

圖2為IFF上行相位重復(fù)測(cè)量13次結(jié)果,自由度ν=12,已對(duì)數(shù)據(jù)按照格拉布斯以及狄克遜雙側(cè)檢驗(yàn)準(zhǔn)則檢驗(yàn),無異常值。

圖2 上行發(fā)射某通道相位重復(fù)測(cè)試13次結(jié)果(25℃)

表3為在IFF上行發(fā)射狀態(tài)下相位測(cè)量不確定度分析。理論上要對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)(f1、f2、f3、f4、f5)的不確定度進(jìn)行評(píng)定。本表中只對(duì)f1頻點(diǎn)下的不確定度進(jìn)行分析。

表3 IFF上行發(fā)射狀態(tài)下相位測(cè)量不確定度分析(頻點(diǎn):f1)

取包含因子k=2,U=kuc=2×2.4≈4.4°。

依據(jù)上述分析方法,可得表2中參數(shù)項(xiàng)的擴(kuò)展不確定度,見表4。

表4 兩種工作狀態(tài)4種參數(shù)在相應(yīng)頻點(diǎn)上的擴(kuò)展不確定度 (k=2)

不確定分析與說明:

(1) T/R組件中的測(cè)試設(shè)備,連接線纜以及中樞開關(guān)的量值都已溯源到本單位最高測(cè)量標(biāo)準(zhǔn);

(2) 表中的不確定度因素分析是在測(cè)試系統(tǒng)無修正的情況下進(jìn)行;

(3) 該測(cè)量中人員操作對(duì)結(jié)果無影響,不需考慮人員因素;

(4) 不確定因素分析與組件的工作狀態(tài)、測(cè)試參數(shù)、測(cè)試方法有關(guān)。從表2中可知,組件處于不同的工作狀態(tài),相位的測(cè)試方法不一樣,測(cè)量模型不同,不確定度影響因素不同,最后計(jì)算的不確定度值也不相同。被動(dòng)下行組件相位一致性測(cè)試為純數(shù)字采集,只與測(cè)量重復(fù)性以及計(jì)算方法有關(guān),不考慮測(cè)量設(shè)備引入的不確定因素,而上行發(fā)射狀態(tài)下組件的輸入與輸出均與測(cè)量設(shè)備有關(guān),需要考慮測(cè)試設(shè)備引入的不確定因素;

(5) 系統(tǒng)的電磁兼用性、接口適配性、信號(hào)產(chǎn)生處理過程以及自動(dòng)測(cè)試程序?qū)y(cè)試結(jié)果的影響都可以用測(cè)量重復(fù)性的方式體現(xiàn);

(6) 理論上要對(duì)所有測(cè)試參數(shù)在所有測(cè)試頻點(diǎn)上進(jìn)行不確定度評(píng)定。

3 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇方法

3.1 基于重復(fù)性與穩(wěn)定性的挑選方法

針對(duì)數(shù)字T/R組件,應(yīng)該選擇在T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上反復(fù)測(cè)試參數(shù)重復(fù)性和穩(wěn)定性較好的產(chǎn)品,本文通過增加穩(wěn)定性的考核頻率挑選出合適的T/R組標(biāo)準(zhǔn)件。

具體挑選方法如下:

(1) 通過測(cè)試,選出經(jīng)過多次測(cè)試、性能指標(biāo)滿足生產(chǎn)任務(wù)要求的組件作為備件,工作中實(shí)際挑選3塊組件在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中分別進(jìn)行測(cè)試;

(2) 對(duì)每塊備件的指標(biāo)進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)重復(fù)性測(cè)試,重復(fù)性測(cè)試次數(shù)n≥10次,實(shí)際中每次重復(fù)性測(cè)試次數(shù)為13次,共進(jìn)行12個(gè)月的測(cè)試;

(3) 查看任意m=4個(gè)連續(xù)的月份,是否滿足式(1)和式(2)的要求。

(1)

(2)

式中

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)件選擇方法的幾點(diǎn)說明:

(1) 重復(fù)測(cè)試的次數(shù)越多越能體現(xiàn)出被測(cè)件的重復(fù)性,理論上大于10次即可。

(2) 為了保證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在組件選定的過程中要保證每次測(cè)試設(shè)備擺放的位置以及環(huán)境條件一致,盡量不要有電纜的擰動(dòng)以及位置的變更情況,每次的測(cè)試條件應(yīng)當(dāng)記錄詳細(xì)。

(3) 一般采用每季度測(cè)一次重復(fù)性的辦法來判斷標(biāo)準(zhǔn)件的穩(wěn)定性[7]。但是,T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為復(fù)雜的專用測(cè)試設(shè)備,對(duì)測(cè)試精度要求高,而且環(huán)境溫度、搬移以及電纜連接的松緊程度都會(huì)影響到測(cè)試的結(jié)果。所以,針對(duì)T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),為了更好地評(píng)判T/R組件的穩(wěn)定性,本文通過增加穩(wěn)定性測(cè)試頻率辦法考核所選組件是否滿足穩(wěn)定性的指標(biāo)要求。

3.2 方法比較

TX1、TX2和TX3分別為編號(hào)不同的3塊T/R組件。經(jīng)測(cè)試,這3塊T/R組件上下行各測(cè)試指標(biāo)合格,可作為標(biāo)準(zhǔn)件的備選。下面采用兩種方法對(duì)這3塊T/R組件進(jìn)行重復(fù)性和穩(wěn)定性測(cè)試。

方法1:每季度測(cè)試一組重復(fù)性數(shù)據(jù)的方法,分別在第1、4、7、10個(gè)月進(jìn)行,測(cè)4組重復(fù)性后計(jì)算穩(wěn)定性。

方法2:每月測(cè)試一組重復(fù)性數(shù)據(jù)的方法,每連續(xù)4個(gè)月計(jì)算一次穩(wěn)定性。

圖3為3塊T/R組件每月重復(fù)性測(cè)試的相位均值圖。圖4為每月重復(fù)性測(cè)試相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖。從圖4的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知:采用方法1,可得3塊T/R組件的穩(wěn)定性為

采用方法2的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見圖5。圖5中,第1次穩(wěn)定性數(shù)據(jù)為第1～4個(gè)月的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果,第2次穩(wěn)定性數(shù)據(jù)為第2～5個(gè)月的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。以此類推,第9次穩(wěn)定性數(shù)據(jù)為第9～12個(gè)月的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

圖3 3塊T/R組件每月重復(fù)性測(cè)試均值

圖4 3塊T/R組件每月重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

圖5 采用方法2觀測(cè)3塊T/R組件的穩(wěn)定性

從圖3～5的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,3塊T/R組件的重復(fù)性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差圍繞在0.8°左右,均滿足小于合成不確定度三分之二的要求。如果采用方法1,3塊T/R組件的穩(wěn)定性一致,都為0.05°,滿足小于合成不確定度的要求。但是,從方法2中可以看出,TX1和TX2的穩(wěn)定性要優(yōu)于TX3組件,TX3組件從第6個(gè)月開始指標(biāo)波動(dòng)性要大于TX1和TX2?？梢耘卸?采用每連續(xù)4個(gè)月核查一次穩(wěn)定性的方法可以更精確地分析出所選標(biāo)準(zhǔn)件的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

自動(dòng)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)成為未來測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在保證測(cè)試快速進(jìn)行的同時(shí)不能忽略自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的周期校準(zhǔn)工作。雷達(dá)T/R組件測(cè)試通道多、頻點(diǎn)多、測(cè)試參數(shù)多。本文中提到的不確定度評(píng)定理論上要對(duì)所有的通道和參數(shù)在所有的測(cè)試頻點(diǎn)上進(jìn)行評(píng)定,標(biāo)準(zhǔn)件的選擇也是一樣。所以,這項(xiàng)工作的難點(diǎn)在于工作量大。該項(xiàng)校準(zhǔn)工作需要從T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始就要考慮,并配備專門的校準(zhǔn)人員。為保證校準(zhǔn)結(jié)果質(zhì)量,還需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行核查。后期將針對(duì)核查方法進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件以及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量控制。

[1] 陳甜,陳祝明,周鵬,江朝抒.一種寬帶數(shù)字T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2008,30(3).

[2] 王玉輝,牛戴楠,張晉.L波段8通道寬帶數(shù)字T/R組件技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2012,34(10).

[3] 馬志翔.數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2016,38(9).

[4] 童穎飛,吳小強(qiáng),宋云,肖蘇飛.一種通用數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2016,36(1).

[5] 國防科技工業(yè)專用測(cè)試設(shè)備管理辦法,2002.

[6] 嚴(yán)宜強(qiáng).專用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)方法[J].測(cè)試與校準(zhǔn),2007,27(1).

[7]JJF1033-2014 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范.

Research on calibration methods of automatictest system of radar digital T/R module

SONG Yun, WANG Wei, ZHU Xiao-ding, TONG Ying-fei, ZHANG Ying-hao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

According to the analysis of the characteristics of the automatic test system (ATS) of radar digital T/R module, the calibration methods of the ATS of the T/R module are proposed based on the standard component, and the uncertainty analysis methods are also given. The suitable standard T/R module is selected based on repeatability and stability.

T/R module; ATS; calibration; uncertainty; repeatability; stability

2016-12-02;

2017-01-20

宋云(1968-),女,高級(jí)工程師,研究方向:計(jì)量測(cè)試技術(shù)和計(jì)量管理以及T/R組件自動(dòng)化測(cè)試;王維(1986-),女,工程師,研究方向:微波儀器設(shè)備計(jì)量、儀器儀表自動(dòng)化測(cè)試;朱小定(1964-),研究方向:無線電類儀器設(shè)備計(jì)量、專用測(cè)試設(shè)備計(jì)量方法;童穎飛(1989-),男,工程師,碩士,研究方向:軟件工程、自動(dòng)化儀器儀表;張英浩(1981-),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向:微波電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN206.1

A

1009-0401(2017)01-0064-05