劉振吉，高世鷹，冉啟友

（1.中國工程物理研究院　計算機應(yīng)用研究所，四川　綿陽　621900；2.中國工程物理研究院　電子工程研究所，四川　綿陽　621900）

雷達高度表靈敏度測試系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計方法

劉振吉1，高世鷹2，冉啟友2

（1.中國工程物理研究院計算機應(yīng)用研究所，四川綿陽621900；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621900）

提出了一種參數(shù)化設(shè)計方法，實現(xiàn)了雷達高度表接收機靈敏度的自動化測試，提高了接收機靈敏度的測試效率和測試準確度；利用計算機程序通過GPIB協(xié)議控制直流穩(wěn)壓電源、信號源、示波器等標準儀器，實現(xiàn)了雷達高度表的加電和斷電、雷達回波信號的模擬、雷達高度表輸出端信號的檢測；針對測試需求，充分考慮接收機靈敏度測試方案的通用性和可擴展性，設(shè)計了通用的測試模型，據(jù)此開發(fā)的軟件可自動給出測試結(jié)論；在程序中設(shè)計了求取靈敏度最優(yōu)頻點和靈敏度的優(yōu)化迭代算法，節(jié)省了測試時間；利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對被測雷達高度表相關(guān)信息和測試數(shù)據(jù)進行管理，便于將測試結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進行比對。

雷達高度表；接收機靈敏度；自動化測試；參數(shù)化

0　引言

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

1　測試原理及參數(shù)化

接收機靈敏度是雷達高度表正常工作時接收機組件可接收的最弱信號強度，通常用功率表示，單位為dBm。理論上接收機靈敏度應(yīng)針對接收頻帶內(nèi)每一個頻率點都有一個閥值，工程上只對中心頻率點的接收機靈敏度進行測量，因為據(jù)此可判斷接收頻帶內(nèi)的接收能力。此外工程上對不同高度的測試能力即接收機靈敏度會有不同要求，因為高度越低，靈敏度要求也越低，通常在設(shè)計雷達高度表時針對低高度不會為了提高靈敏度而增加技術(shù)復(fù)雜度。

接收機靈敏度的傳統(tǒng)測量方法一般采用標準信號源法和噪聲系數(shù)法，采用標準信號源法時如果用功率計直接在接收機輸入端測量輸入的功率值，就會存在難以準確測量的問題［5］。采用具備可設(shè)置功率衰減的標準微波信號源來模擬接收機輸入端的回波信號，可以解決此問題，改進的信號源法測試原理連接框圖如圖1所示。

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

通過軟件調(diào)節(jié)信號源頻率，并判斷示波器檢測到雷達高度表的視放輸出信號最強時，記住頻率值。然后以此頻率設(shè)置信號源，按一定衰減幅度調(diào)節(jié)信號源功率，當雷達高度表處于臨界輸出狀態(tài)后繼續(xù)調(diào)節(jié)，直至信號強度小到雷達高度表不輸出為止，此時信號源的上一步進輸出幅度，加上微波通路的衰減量，即為接收機靈敏度。

圖1　接收機靈敏度測試原理框圖

上述過程中的各相關(guān)量和求優(yōu)過程在程序設(shè)計時實現(xiàn)參數(shù)化，該方法可以用于不同型號的雷達高度表的接收機靈敏度測試。

2　硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)在硬件上必須盡量覆蓋不同型號雷達高度表的測試需求，所以儀器的選型、連接通路的設(shè)計、輸出信號采集電路的設(shè)計都要便于整個系統(tǒng)實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。

2.1儀器選型

根據(jù)擬測試的雷達高度表型號特點，選擇能覆蓋測試需求的信號源、示波器和程控直流穩(wěn)壓電源。信號源的選擇要考慮頻率范圍及設(shè)定時間、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、讀回值準確度和支持GPIB連接等。

2.2微波信號轉(zhuǎn)接器設(shè)計

微波通路的連接相對復(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，設(shè)計一款微波信號轉(zhuǎn)接器將上述組件集成在一起，并封裝成獨立器件。微波信號轉(zhuǎn)接器如圖2所示。

圖2　微波信號轉(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）各端口對傳輸方向要求：小信號（-Xd BW-Yd BW）從端口2輸入并從端口1輸出；大功率信號（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，并同時耦合其中部分能量從端口3（耦合輸出）輸出，此時，不允許1端口中大于XmW的信號從端口1進入端口2。

3）各端口相對隔離度要求：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

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

3　軟件設(shè)計

該方法是在被測對象的技術(shù)指標已知的前提下開展測試工作，因此在頻點確定和靈敏度測試過程中，通過參數(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，基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將軟件程序和參數(shù)分開。主控軟件用Visual C++開發(fā)，數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)采用ADO。Lab VIEW編程調(diào)用VISA接口庫來實現(xiàn)對示波器、信號源、程控直流穩(wěn)壓電源的控制，并封裝成動態(tài)庫供Visual C ++調(diào)用。對采集控制卡的控制Visual C++通過其驅(qū)動程序來實現(xiàn)［8］。

3.2測試流程參數(shù)化

由測試原理及方法可知，靈敏度測試流程中需要設(shè)置與被測雷達高度表及測試儀器設(shè)置相關(guān)的一些物理量：雷達高度表相關(guān)物理量有測試靈敏度的高度、靈敏度合格范圍、頻率初始值等；信號源設(shè)置相關(guān)物理量有信號延時初始值、脈沖寬度值、頻率搜索上下限、設(shè)置時間間隔、起始功率值、功率步進值等；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、電流保護限值等；采集控制卡設(shè)置相關(guān)物理量有輸入通道號、是干接點還是濕接點、判斷是否動作的參考值、輸出繼電器號、動作值等。

對這些物理量進行參數(shù)化，用數(shù)據(jù)庫管理起來。換一種型號的雷達高度表，只需要將與之相關(guān)的物理量參數(shù)增加進數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的參數(shù)表即可。程序運行時根據(jù)被測雷達高度表的型號信息，從參數(shù)表中調(diào)用該型號對應(yīng)的測試參數(shù)表記錄、儀器設(shè)置表記錄等，自動執(zhí)行相關(guān)的測試流程，給出測試數(shù)據(jù)和是否合格的結(jié)果。

3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

測試參數(shù)和測試數(shù)據(jù)都需要利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行管理，下面以產(chǎn)品信息表、測試參數(shù)表和測試數(shù)據(jù)表為例簡要介紹數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1　產(chǎn)品信息表結(jié)構(gòu)

表2　測試參數(shù)表結(jié)構(gòu)

表3　測試數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

3.4頻點確定算法

根據(jù)測試原理，接收頻帶內(nèi)對應(yīng)終端視放信號以最優(yōu)頻點為中心最大值成左右對稱分布。最優(yōu)頻點ff肯定在頻率初始值f 0的上下偏差f d范圍內(nèi)，否則被測產(chǎn)品肯定不合格。用S（f）表示頻率設(shè)置成f時對應(yīng)的示波器視放信號值，采用二分法求優(yōu)［9］。頻點確定算法流程圖見圖3。

圖3　頻點確定流程框圖

3.5靈敏度測試算法

根據(jù)測試原理，接收機靈敏度S可以從合格下限值Smin開始搜索，優(yōu)于Smin為合格，否則為不合格，根據(jù)測試高度th計算出信號源的延遲時間t，根據(jù)Smin、通路衰減Pt計算出對應(yīng)的信號源功率P 0。每次信號源功率設(shè)置值用Px，雷達終端輸出信號用O（Px）表示，有穩(wěn)定輸出為TRUE，反之為FALSE。靈敏度測試算法流程見圖4。

圖4　靈敏度測試流程框圖

4　應(yīng)用情況

參數(shù)化設(shè)計方法已經(jīng)在某項目中得到了成功應(yīng)用，基于該方法研制的測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對4種型號雷達高度表的靈敏度測試。

對4種型號多臺雷達高度表進行了超過100次的靈敏度測試實驗，實驗結(jié)果表明測試效率有了明顯提高，同型號測試數(shù)據(jù)一致性好。不考慮測試前的準備時間，原來手工方式下測量單臺雷達高度表靈敏度，因操作人員不同測量時間為10～15 min，而采用新研測試系統(tǒng)進行測量，單臺測量時間不超過5 min。

5　結(jié)論

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

［1］郭明明，李成玉，尚朝軒，等.雷達狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國測試，2013，39 （6）：107-109.

［2］劉振吉，高世鷹，冉啟友.脈沖雷達高度表通用測試設(shè)備的設(shè)計［J］.信息與電子工程，2010，8（3）：345-348.

［3］劉振吉，袁強，袁小兵.串口數(shù)據(jù)丟幀引起的雷達測試故障原因分析［J］.計算機測量與控制，2015，23（10）：3245-3246.

［4］李合平，王志云，尚朝軒.虛擬儀器在雷達接收機靈敏度測試中的應(yīng)用［J］.國外電子測量技術(shù)，2001（1）：18-20.

［5］唐昌文，楊江平，徐晨曦.雷達接收機靈敏度現(xiàn)場測量及工程實現(xiàn)［J］.中國測試技術(shù)，2003（1）：32-33.

［6］王勇，葉靈偉，馮威.雷達接收機靈敏度自動測量的實現(xiàn)［J］.測控技術(shù)，2007，26（5）：46-48.

［7］錢玉瑩，李淑華，葉靈偉.雷達接收機靈敏度自動測試方案設(shè)計［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（26）：6544-6546.

［8］劉振吉，傅煊，底健，檢定專用測試設(shè)備的通用計量系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國測試技術(shù)，2008，34（6）：8-11.

［9］王偉斌，路輝，郎榮玲.基于二分法的雷達高度表靈敏度測試方法優(yōu)化研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（4）：28-32.

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，主要從事自動化測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用方向的研究。