脈沖式無線電高度表原位測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

崔 晨 李 舟

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710000）

無線高度表是測(cè)量飛機(jī)高度的設(shè)備，屬于航空領(lǐng)域中重要的安全保障設(shè)備，它通過測(cè)量飛機(jī)距離地面高度，為航空領(lǐng)域的安全作貢獻(xiàn)。根據(jù)無線高度表在進(jìn)行飛機(jī)高度測(cè)量時(shí)所采用的作業(yè)原理進(jìn)行劃分，可以將無限高度表分為無線測(cè)距、激光測(cè)距、超聲波測(cè)距等類型。無線電高度表主要用于測(cè)量、記錄、呈現(xiàn)飛機(jī)飛行過程中與地面實(shí)際距離及其變化與波動(dòng)情況[1]。無線電高度表測(cè)距的精確度對(duì)于航空航天設(shè)備等的安全影響較大，在航空領(lǐng)域占有重要的地位。

1 脈沖式無線高度表工作原理

無線高度表是依托飛機(jī)在飛行過程中向地面發(fā)射電磁波而形成的，其工作原理是高度表在地面反射的基礎(chǔ)上接收高度表信息并進(jìn)行處理，無線高度表判別飛機(jī)距地面的飛行距離是通過電磁波在空中傳播的時(shí)間。高度表可以根據(jù)工作方式的不同劃分為兩類：①脈沖式無線高度表；②發(fā)射信號(hào)式無線電高度表。以我國(guó)北京中科飛鴻科技有限公司所生產(chǎn)的FHWG系列脈沖式無線高度表為例，該系列脈沖式無線高度表采用線性調(diào)頻連續(xù)波閉環(huán)伺服控制、恒中頻接收工作體制，寬功率頻譜，進(jìn)行發(fā)射的脈沖信號(hào)參數(shù)自校準(zhǔn)。因此，根據(jù)不同的信號(hào)調(diào)制方式和硬件配給，F(xiàn)HWG系列脈沖式無線高度表按照精度、成本、應(yīng)用方向等進(jìn)行了劃分。脈沖式無線高度表天線采用低副瓣微帶天線技術(shù)和耦合信號(hào)吸收技術(shù)，確保收發(fā)天線在實(shí)現(xiàn)近距離安裝；電磁兼容性滿足GJB151A 空軍飛機(jī)機(jī)載設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求；飛機(jī)供電特性滿足GJB181A要求；振動(dòng)、沖擊環(huán)境、自然環(huán)境滿足機(jī)載、彈載設(shè)備使用要求。目前已經(jīng)被廣泛用于航天、航空、兵器等領(lǐng)域。

2 脈沖無線電高度表原位測(cè)試原理及總體方案

2.1 測(cè)試原理

脈沖無線高度表原位測(cè)試原理如圖1所示。該測(cè)試原理是在高度表工作的基礎(chǔ)上來完成原位檢測(cè)功能的[2]。

圖1 測(cè)試原理圖

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

脈沖式無線高度表原位測(cè)試設(shè)備主要是起到檢測(cè)的作用，檢查高度表的精度、靈敏度，同時(shí)還可以檢測(cè)飛機(jī)的運(yùn)行高度和工作狀態(tài)等。其中，測(cè)試設(shè)備主要有手持終端、高度表測(cè)試設(shè)備、無線電高度表、發(fā)射天線、天線耦合器等。工作人員在進(jìn)行高度測(cè)量時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)手持終端控制，通過手持終端給高度測(cè)量設(shè)備發(fā)布指令執(zhí)行相關(guān)操作，具體流程如下。

（1）耦合器接收脈沖信號(hào)后，將部分信號(hào)傳送給主機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)耦合器自身會(huì)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行吸收、隔離等安全防護(hù)。

（2）測(cè)試設(shè)備接收到耦合器發(fā)出的信號(hào)之后，會(huì)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢波、限幅、功率調(diào)整等一系列處理，在根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整設(shè)備設(shè)定，然后進(jìn)行模擬回波信號(hào)操作。

3 脈沖式無線電高度表測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)

3.1 信號(hào)耦合器

該設(shè)備硬件系統(tǒng)的信號(hào)耦合器主要由3部分組成：①安裝支架，主要作用是促使天線耦合器與機(jī)上高度表的接觸；②天線耦合器，主要作用是接收或發(fā)射信號(hào)、測(cè)試生產(chǎn)設(shè)備等，保障收發(fā)信號(hào)的安全性；③射頻電纜，該設(shè)備部分屬于連接部分，主要用于天線耦合器與測(cè)試主機(jī)的連接（TNC連接器），同時(shí)還可以起到故障隔離的作用[3]。

3.2 設(shè)備主機(jī)

脈沖式無線電高度表測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)的主機(jī)構(gòu)成如圖2所示，該設(shè)備主要由6個(gè)模塊構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備主機(jī)組成框圖

3.2.1 信號(hào)接收模塊

該模塊的作用主要是接收和檢驗(yàn)信號(hào)。當(dāng)高度表的信號(hào)發(fā)射裝置向外界發(fā)射信號(hào)指令以后，系統(tǒng)的限幅器會(huì)對(duì)高度表所發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行限幅，主要作用是通過限幅使信號(hào)的轉(zhuǎn)換更加高效；后通過測(cè)頻預(yù)處理模塊對(duì)轉(zhuǎn)換之后的脈沖信號(hào)進(jìn)行混合處理。高度表發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行檢波處理后，將會(huì)使脈沖調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為更加容易測(cè)量發(fā)射功率的脈沖信號(hào)，在后續(xù)進(jìn)行處理以后進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以將高度表所發(fā)射信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理。

3.2.2 信號(hào)發(fā)射模塊

在數(shù)字處理單元的作用下，信號(hào)發(fā)射模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)整，頻綜可產(chǎn)生功率為-4 dBm的4 300 MHz左右的載頻信號(hào)。然而，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大可承受發(fā)射功率進(jìn)行分析，系統(tǒng)信號(hào)需要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大補(bǔ)償。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)放大器在完成11 dB增益的信號(hào)放大以后，會(huì)將信號(hào)分為發(fā)射載波信號(hào)和可變本振信號(hào)兩種進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)分別針對(duì)兩種不同類型信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制，將發(fā)射信號(hào)調(diào)整為脈沖信號(hào)。通過數(shù)字處理單元形成的脈沖信號(hào)會(huì)被衰減器進(jìn)行衰減（控制功率），最后再進(jìn)行高度表測(cè)試。通過數(shù)字處理單元的兩級(jí)數(shù)控衰減器后的信號(hào)將會(huì)在60 dB信號(hào)輸出功率動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)完成本振輸入[4]。

3.2.3 數(shù)字處理單元

數(shù)字處理單元屬于該設(shè)備系統(tǒng)的核心單元之一，其主要作用是進(jìn)行脈沖精密延時(shí)、參數(shù)測(cè)量、發(fā)射功率控制等，而控制數(shù)字處理單元的核心為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。為實(shí)現(xiàn)脈沖式無線高度表發(fā)射功率測(cè)量，本系統(tǒng)的數(shù)字處理單元利用高速ADC技術(shù)，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、獲取、處理等，使系統(tǒng)能夠精確獲取脈沖式無線高度表發(fā)射中心頻率，通過高速時(shí)鐘進(jìn)行精密計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)延時(shí)操作。其中，高速時(shí)鐘計(jì)數(shù)又分為：①固定延時(shí)，其作用是模擬固定高度；②動(dòng)態(tài)延時(shí)，其作用是控制動(dòng)態(tài)高度變化。

3.2.4 測(cè)頻模塊

測(cè)頻模塊的主要作用是處理其他模塊形成的信息（耦合輸出信號(hào)、可變本振信號(hào)），處理形式為放大、混頻、整形、濾波等，然后再經(jīng)頻率信息進(jìn)行重新輸出。

3.2.5 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊起到一個(gè)連接的作用，是手持終端和數(shù)字處理單元的溝通橋梁，該模塊采用板載天線的方式進(jìn)行工作。通過無線收發(fā)集成電路進(jìn)行工作，完成無線信號(hào)協(xié)議和本地總線協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3.3 手持終端

該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的手持終端采用了智能化手段，其中內(nèi)置Wifi和藍(lán)牙無線通信模塊，主屏幕為3.2寸TFT觸液晶顯示屏；外部接線口采用USB2.0、RS232等，并且提供Windows家族中最新的成員WINCE系統(tǒng)和JAVA開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)還要多款語言開發(fā)應(yīng)用軟件（C++，C#，VB，VC等）。手持終端的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了在機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備控制，這樣更有利于觀察和記錄飛機(jī)飛行高度的數(shù)值。

3.4 脈沖式無線電高度表原位測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用

采用編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ的飛機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 原位測(cè)試結(jié)果

由表1可知，該脈沖式無線高度表系統(tǒng)可以保障測(cè)試參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，滿足飛機(jī)對(duì)脈沖體制無線電高度表原位測(cè)試的要求。

4 結(jié)語

在航空領(lǐng)域中，飛機(jī)的飛行高度與飛機(jī)的安全有著非常密切的聯(lián)系。由于無法準(zhǔn)確測(cè)量飛機(jī)飛行高度與地面的距離而時(shí)常發(fā)生飛機(jī)安全事故。因此，研發(fā)出一種可以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量飛機(jī)與地面的位置的無線電高度表，在航空領(lǐng)域是非常需要和重要的。脈沖式無線電高度表原位測(cè)試設(shè)備的出現(xiàn)，對(duì)航空領(lǐng)域來講是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)為飛機(jī)的安全運(yùn)行提供保障[5]。