基于總線模式的艦載雷達(dá)自動測試系統(tǒng)

皇甫一江，張慧鋒

（1 海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841；2 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0　引言

近年來，新式武器及配套電子設(shè)備不斷出現(xiàn)在人們視野。雷達(dá)作為艦載探測裝備的重中之重，維修保障問題一直是艦載探測系統(tǒng)的發(fā)展重點，而新型雷達(dá)所采用新型技術(shù)日漸復(fù)雜，其保障問題的嚴(yán)重性也愈演愈烈。

ATE（艦載雷達(dá)自動測試系統(tǒng)）主要對艦載雷達(dá)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行自動檢測和故障定位，利于作戰(zhàn)部隊在日常及戰(zhàn)時對雷達(dá)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)、檢測維護(hù)，并為雷達(dá)的故障診斷排查提供相關(guān)信息。為適應(yīng)現(xiàn)代艦載雷達(dá)系統(tǒng)測試的需求，ATE應(yīng)當(dāng)具備通用性、開放性及標(biāo)準(zhǔn)化等特點，具備廣泛的適用性以及更強(qiáng)的故障診斷能力[1]。

1　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美軍的“聯(lián)合自動化支持系統(tǒng)”采用了現(xiàn)有商業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于美國海軍艦載警戒探測、C3I、通信多個系統(tǒng)中。新一代ATE的特征在于[2]：

（1）通用化

采用通用化設(shè)計平臺實現(xiàn)資源共享以實現(xiàn)系統(tǒng)的兼容性。標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計提高了組件的重復(fù)利用率；在成熟先進(jìn)的商業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)下，利用虛擬儀器技術(shù)整合系統(tǒng)資源、節(jié)約研發(fā)成本。

（2）開放化

測試系統(tǒng)應(yīng)用多種測試專用標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一方面加強(qiáng)系統(tǒng)的檢測維護(hù)性和可擴(kuò)展性，另一方面降低系統(tǒng)開發(fā)及維護(hù)成本；軟件系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，可完成即時的擴(kuò)充、裁剪[3]。

（3）網(wǎng)絡(luò)化

測試系統(tǒng)將在艦上各分機(jī)現(xiàn)場的測試節(jié)點實現(xiàn)分布式測試，利于實時收集現(xiàn)場信息。

（4）高性能化

保障測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，優(yōu)化設(shè)計測試流程，實現(xiàn)雷達(dá)測試系統(tǒng)多待測任務(wù)的并行運行。

在現(xiàn)有條件下，國內(nèi)艦載雷達(dá)裝備難以實現(xiàn)自身工作狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，其BITE故障排查方式已無法滿足雷達(dá)裝備現(xiàn)場級維修保障的發(fā)展需求。

在國內(nèi)軍用雷達(dá)現(xiàn)階段需求的推動下，借鑒目前外軍在電子設(shè)備保障設(shè)計中的先進(jìn)經(jīng)驗，在實現(xiàn)艦載雷達(dá)系列化、模塊化和通用化的同時，加快開展我國艦載雷達(dá)自動測試系統(tǒng)的相關(guān)研究，將大幅增強(qiáng)艦載雷達(dá)的作戰(zhàn)效能，有效提高部隊的戰(zhàn)斗力。

2　艦載雷達(dá)性能指標(biāo)

2.1　整機(jī)性能指標(biāo)

（a）工作頻段：其中心頻率覆蓋S、C、X、L、Ku等頻段；其工作帶寬一般為20%的中心頻率。

（b）目標(biāo)探測精度：目標(biāo)探測精度主要指：方位、距離、俯仰、速度、跟蹤、航跡精度等[4]。

（c）數(shù)據(jù)率：1s～12s（不包括相關(guān)電掃描體制雷達(dá)）。

2.2　分機(jī)性能指標(biāo)

（a）伺服：天線轉(zhuǎn)速不均勻性。

（b）穩(wěn)定平臺：縱、橫搖擺角及其均方差。

（c）發(fā)射分系統(tǒng)：峰值功率為10kW～500kW，耦合輸出功率為1mW～5W，輸出包絡(luò)波形應(yīng)滿足表1要求。

表1　輸出包絡(luò)波形要求

2.3　信號單元性能指標(biāo)

其信號寬度一般為2μs～700ps，帶寬一般小于200MHz，頻率一般為1MHz～600MHz；其信號幅度一般為1V～4V，耦合功率一般為lmW～5W。

信號單元接收機(jī)的靈敏度一般為-60dBm～-160 dBm，信號單元的其他指標(biāo)包括：信號處理能力，動目標(biāo)改善因子等。

2.4　艦載雷達(dá)系統(tǒng)的特殊需求

艦載雷達(dá)系統(tǒng)的安裝部位分為艙外和艙內(nèi)兩種：艙外電子設(shè)備較少，故障率較低。雷達(dá)艙內(nèi)設(shè)備多為接收、信號產(chǎn)生、顯控設(shè)備等，其特征是信號頻率覆蓋范圍廣、功率小，被測信號不宜遠(yuǎn)距傳輸，相關(guān)自動測試設(shè)備需就近安放。雷達(dá)發(fā)射設(shè)備安裝于高頻艙室，其信號頻率高，發(fā)射功率大，測試設(shè)備應(yīng)就近放置。綜上所述，艦載雷達(dá)的自動測試設(shè)備應(yīng)分布式就近安放。

艦載雷達(dá)日益復(fù)雜，為節(jié)約人力資源，測試設(shè)備需實現(xiàn)智能化，且具有故障檢測功能。自動測試設(shè)備需適應(yīng)艦載環(huán)境，實現(xiàn)便攜；同時需保證艦上高溫、高濕、高鹽霧的環(huán)境下的可靠性，以及高海況下的安全性。

3　測試方法

3.1　天、饋線分機(jī)

3.1.1駐波比

用于表征天、饋線分系統(tǒng)中駐波電場的最大、最小值之比，測試框圖如圖1所示。

圖1 駐波比測試框圖

圖1中的魔T主要用于功率分配。

測試步驟∶設(shè)置信號源、頻譜儀于相同頻率，將短路片接入魔T的待測端，記錄頻譜儀的幅度值Ll；待測端接待測系統(tǒng)，記錄頻譜儀的幅度L2。

測試結(jié)果計算：

3.1.2饋線損耗

用于表征天、饋線系統(tǒng)的插入損耗，測試框圖如圖2所示。

圖2　損耗測試框圖

測試步驟：系統(tǒng)先不接入待測系統(tǒng)，設(shè)置信號源于某工作頻率，頻譜儀讀數(shù)為A，記錄此時標(biāo)準(zhǔn)衰減器的衰減值L0；接入待測系統(tǒng)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)衰減器的衰減量，使得頻譜儀讀數(shù)為仍A，記錄衰減器的讀數(shù)為Ll，故該頻點的饋線插損為L=L0-L1。

3.1.3額定功率

用于表征在規(guī)定條件下，饋線分機(jī)所能承受的最大功率。測試框圖如圖3所示。

圖3　額定功率測試框圖

3.2　發(fā)射分系統(tǒng)

3.2.1脈沖功率測試

（1）平均功率法

若發(fā)射信號為周期信號或大功率信號，可利用平均功率計測試脈沖功率。測試框圖如圖4所示。

圖4　平均功率測試法框圖

（2）峰值功率法

利用峰值功率計測量峰值功率精度更高，但其探頭可承受功率遠(yuǎn)小于平均功率計，故需利用精密衰減器對輸入信號進(jìn)行衰減。測試框圖如圖5所示。

圖5　平均功率測試法框圖

首先確定待測發(fā)射系統(tǒng)的功率大小，選定定向耦合器的耦合度、相應(yīng)衰減量的衰減器，并設(shè)置功率計的量程檔。脈沖功率計算公式如式（2）所示：

式中，Pm為脈沖功率，Pf為峰值功率計讀數(shù)，K為衰減器的衰減系數(shù)。

3.2.2發(fā)射頻率

用于表征發(fā)射脈沖載波的中心頻率。測試框圖如圖6所示。

圖6　發(fā)射頻率測試框圖

3.2.3脈沖重頻

用于表征每秒鐘發(fā)射脈沖的個數(shù)，測試框圖如圖7所示。

圖7　脈沖重復(fù)頻率測試框圖

測試方法：利用雷達(dá)主觸發(fā)脈沖作為示波器的同步輸入信號，從示波器讀出雷達(dá)脈沖重頻。

3.2.4脈沖包絡(luò)特性

用于表征發(fā)射機(jī)輸出脈沖的包絡(luò)特性，包括上升、下降沿時間，脈寬，平坦度，功率頂降等。利用示波器測試?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)輸出信號的包絡(luò)特性，測試框圖同圖7。

3.2.5工作帶寬

用于表征發(fā)射信號最高與最低頻率之差，測試框圖如圖8所示。

圖8　工作帶寬測試框圖

3.3　接收分系統(tǒng)

3.3.1動態(tài)范圍

用于表征接收機(jī)所容許的輸入功率變化范圍，測試框圖如圖9所示。

圖9　動態(tài)范圍測試框圖

測試方法：雷達(dá)正常工作時，用示波器觀測接收機(jī)中放輸出的信號幅度值，逐漸加大信號源的輸出功率（步進(jìn)為1dB），記中放輸出增益小于規(guī)定值時的信號源輸出功率為Pmax。動態(tài)范圍D按式（3）計算：

式中，Pmin為待測接收機(jī)的靈敏度。

3.3.2工作帶寬及中心頻率

一般接收機(jī)的工作帶寬指的是其瞬時工作頻率范圍，用接收分系統(tǒng)中心頻率增益下降3dB時的頻帶寬度表征，可采用高頻信號源法測試接收機(jī)的工作帶寬，測試框圖如圖10所示。

圖10　接收機(jī)工作帶寬測試框圖

測試方法：雷達(dá)工作在中心頻率時測出該頻率值，再測量雷達(dá)此時的輸出電平幅值U0，記錄輸出電平降為所對應(yīng)的頻率為 fH和 fL，則接收機(jī)的工作帶寬為：

其中，B為待測接收機(jī)的帶寬，fL、fH分別為其下限、上限頻率。

3.3.3噪聲系數(shù)

信號與噪聲功率的比值稱為信噪比，接收機(jī)輸入端與輸出端信噪比的比值為噪聲系數(shù)。測試框圖如圖11所示：

圖11　噪聲系數(shù)測試框圖

測試方法：當(dāng)接收分系統(tǒng)輸出噪聲電平為固定值時，記錄關(guān)閉、開啟噪聲源時衰減器的衰減量分別為Ll、L2，噪聲系數(shù)為：

其中：ENR指的是噪聲源的超噪比，Y為衰減器的衰減倍數(shù)，A為噪聲源接入時的插入損耗。

3.3.4增益

用于表征接收分系統(tǒng)輸出、輸入信號電平之比，其測試框圖如圖12所示。

圖12　增益測試框圖

測試方法：無輸入信號時，從電壓表讀出待測接收機(jī)的起始噪聲電平 U01；加入信號，調(diào)節(jié)可變衰減器，得到合適的輸出 U02，記錄此時信號源的輸出電壓Ui。由式（6）計算增益G：

式中，G為待測接收機(jī)的增益，U02為待測接收機(jī)的輸出電壓值，L為可調(diào)衰減器的衰減量，U01為待測接收機(jī)的起始噪聲。

3.3.5中頻信號

可利用示波器、頻率計對中頻信號頻率、功率及頻譜等特性進(jìn)行測試測試框圖如圖13所示。

圖13　中頻信號測試框圖

3.3.6本振信號

可利用功率計、頻譜儀等對頻率合成器所產(chǎn)生的本振信號進(jìn)行測試（包括其頻率、功率及頻譜等特性），測試框圖如圖14所示。

圖14　本振信號頻率、功率測試框圖

3.4　信號處理器

其相關(guān)測試框圖如圖15所示。

圖15　信號處理功能測試框圖

利用雷達(dá)信號模擬器模擬探測目標(biāo)，檢查信號處理器的副瓣抑制、視頻積累等功能；模擬動、靜止目標(biāo)，可得出動目標(biāo)改善因子值。計算公式如式（7）所示：

式中，Ci, C0分別為實際和經(jīng)對消處理后的地物回波幅值；Si、S0分別為模擬信號幅值和經(jīng)動目標(biāo)處理后的信號幅值。

3.5　伺服分系統(tǒng)

3.5.1天線轉(zhuǎn)速的不均勻性

測量規(guī)定時間內(nèi)的正北方向脈沖個數(shù)來表征天線轉(zhuǎn)速的不均勻性，其測試框圖如圖16所示。

圖16　天線轉(zhuǎn)速的不均勻性測試框圖

3.5.2穩(wěn)定平臺縱橫搖的擺角及其均方差

通過信號發(fā)生器模擬艦艇縱橫搖的擺角，用計算機(jī)測試穩(wěn)定平臺的搖擺角及其均方差。

圖17　穩(wěn)定平臺測試框圖

3.6　終端顯控臺

利用雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)回波，將雷達(dá)跟蹤目標(biāo)航跡與輸入模擬目標(biāo)參數(shù)比對，得出雷達(dá)的跟蹤精度及其建航能力等。

圖18　目標(biāo)跟蹤能力測試框圖

4　系統(tǒng)總體框架

4.1　系統(tǒng)總線架構(gòu)

為實現(xiàn)設(shè)備的通用化、系列化、模塊化及可擴(kuò)展性，并適應(yīng)艦載雷達(dá)裝備分布式布置的特征，本自動測試設(shè)備總體架構(gòu)采用虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)[5-6]?？偩€方式的選擇在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，測試系統(tǒng)總線主要包含 GPIB、VXI、PXI和LXI等幾種方式[7-9]。

GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，具有堅固性、可靠性和兼容性等特點，但無法提供多部儀器同步觸發(fā)的功能，且大量數(shù)據(jù)傳輸時帶寬不足。

VXI總線將高級測量與測試應(yīng)用設(shè)備帶入模塊化領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、同步定時精確的特點，主要適用于對精度、速度要求高的大型自動測試系統(tǒng)。

PXI在PCI基礎(chǔ)上增加了板間同步觸發(fā)總線和參考時鐘、相鄰模塊間高速通信的局部總線及精確定時的星形觸發(fā)總線，適用于眾多測試場景。

LXI是以太網(wǎng)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，其總線速度可達(dá)到千兆bps，其支持的設(shè)備數(shù)理論上不受限制，且線纜長度不受限，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量。

根據(jù)上述總線的技術(shù)特點，結(jié)合現(xiàn)階段雷達(dá)的測試需求，采用多種總線完成測試設(shè)備設(shè)計已成為必然趨勢。為控制系統(tǒng)體積，滿足分布式測試需要，測試分機(jī)間、主控機(jī)與測試分機(jī)間均采用LXI總線連接。為滿足艦載設(shè)備對系統(tǒng)重量、體積等方面的特殊要求，各模塊選用PXI總線。GPIB成本較低，適用于可編程臺式儀表與計算機(jī)間的互連。最終的系統(tǒng)總線架構(gòu)圖如圖19所示。

測試設(shè)備系統(tǒng)分機(jī)間利用LXI進(jìn)行互聯(lián)，主控機(jī)通過LXI控制各分機(jī)，對各分機(jī)的測試結(jié)果完成收集和綜合分析。GPIB儀器經(jīng)接口轉(zhuǎn)換后連接到LXI總線上；PXI測試分機(jī)則利用以太網(wǎng)接口連接到系統(tǒng)之中。

圖19　系統(tǒng)總線架構(gòu)圖

4.2　系統(tǒng)邏輯功能組成

ATE主要分為軟件和硬件兩大部分。

軟件部分由性能測試模塊、狀態(tài)檢測模塊、管理控制模塊、故障診斷模塊、通信監(jiān)視模塊和設(shè)備自檢模塊組成；主要完成信息與資源調(diào)度、狀態(tài)/性能檢測、故障診斷及設(shè)備自檢等功能。

硬件部分由主控單元、測試單元、激勵單元和適配器單元等組成。其中：終端計算機(jī)為主控單元，主要完成測試流程控制、模塊的驅(qū)動控制、數(shù)據(jù)庫管理等功能。測試單元和激勵單元集成在不同測試分機(jī)中，主要用于激勵待測設(shè)備、采集待測信號。適配器主要完成接口及信號形式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)待測設(shè)備與測試分機(jī)的互聯(lián)。

5　總結(jié)

本文對現(xiàn)代艦載雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)及相應(yīng)測試方法進(jìn)行了梳理歸納，針對雷達(dá)系統(tǒng)中的天/饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、伺服控制分系統(tǒng)等分機(jī)技術(shù)指標(biāo)給出了通用測試方法和測試系統(tǒng)框圖。

本文針對 ATE硬件及軟件測試平臺的總體框架進(jìn)行了設(shè)計，適應(yīng)艦載雷達(dá)裝備分布式布置的特征，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的開放性、可擴(kuò)展性、可移植性和通用性。