宋 云,王 維,朱小定,童穎飛,張英浩

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

雷達數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)校準方法的研究

宋 云,王 維,朱小定,童穎飛,張英浩

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

針對雷達數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)的特點進行分析,提出基于標準件的T/R組件自動測試系統(tǒng)校準辦法,給出了校準方法的不確定度分析方法,利用重復性和穩(wěn)定性選擇合適的標準T/R組件。

T/R組件自動測試系統(tǒng);校準;不確定度;重復性;穩(wěn)定性

0 引 言

T/R組件是相控陣雷達的重要組成部分,有通道數(shù)多、測試參數(shù)多、測試頻點多的特點。雷達數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)(以下簡稱T/R組件自動測試系統(tǒng))解決了T/R組件指標人工測試耗時長、耗人力、效率低的問題,大大提升了T/R組件指標測試的速度,提升了科研生產進度。T/R組件自動測試系統(tǒng)屬于專用測試設備。根據(jù)《GJB5109 裝備計量保障通用要求 檢測和校準》的要求,凡有定量要求的檢測設備,為確保其量值準確并具有溯源性,要按照規(guī)定的周期進行校準。本文就T/R組件自動測試系統(tǒng)的特點進行分析,提出一種基于標準件的校準方法,實現(xiàn)T/R組件自動測試系統(tǒng)的校準。

1 T/R組件自動測試系統(tǒng)的研制與溯源現(xiàn)狀

雷達數(shù)字T/R組件的特點是以直接數(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、微波衰減器等構成的模擬T/R模塊,利用DDS技術完成雷達信號產生、頻率源和幅相控制的一體化實現(xiàn)[1]。發(fā)射工作方式時,雷達主機將波束指向角對應的幅相控制信息經(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)到來時各個通道的 DDS 利用幅相控制信息對生成的 DDS 信號進行調整,形成初相受控的數(shù)字正交 DDS 信號。該信號經(jīng) DAC、濾波、變頻、功率放大產生所需要的發(fā)射波形,經(jīng)過收發(fā)開關傳輸至天線單元,輻射出去。接收工作方式時,天線接收的雷達回波信號首先經(jīng)過收發(fā)開關和低噪放,濾波后與本振進行混頻,得到中頻信號,再經(jīng)過 A/D 采樣,下變頻為數(shù)字零中頻I/Q信號,各路I/Q信號數(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,不需要外加激勵信號,可通過直接控制組件狀態(tài),在信號發(fā)射端用通用測試設備進行參數(shù)測試;在下行接收狀態(tài)下,經(jīng)中頻采樣后的數(shù)字I/Q信號需要通過數(shù)學分析和計算,得到下行參數(shù)指標[3]。T/R組件自動測試系統(tǒng)通常在通用測試開發(fā)平臺的基礎上利用中樞建立相應的測試通道,通過儀表總線接口控制通用測試設備來實現(xiàn)對T/R組件參數(shù)指標的自動測試。通常還要根據(jù)被測T/R組件的特點和測試系統(tǒng)要求,設計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,同時對采集的數(shù)字I/Q信號進行計算和分析[4]。

為了滿足溯源性能要求,T/R組件自動測試系統(tǒng)測得的量值應溯源到國防最高計量標準或者國家計量標準。目前,暫無針對T/R組件自動測試系統(tǒng)專用的溯源方法。當無法向國防最高計量標準或者國家計量基準、標準溯源時,也可以采用以下幾種方法進行[5]:

方法1:同類設備量值比對或能力測試;

方法2:選擇標準件(標準產品)進行核查;

方法3:比例測量;

方法4:采用其他行業(yè)或國際上公認的方法校準。

表1對4種校準方法進行了適用范圍的說明。該4種校準方法均是針對自動測試系統(tǒng)的校準方法。

表1 4種校準方法適用范圍

通過分析上述T/R組件的特點以及校準方法的適用范圍可知,T/R組件自動測試系統(tǒng)功能復雜,接口樣式多,沒有可以實現(xiàn)比對的同類設備;上行發(fā)射信號的產生與下行接收的信號均為數(shù)字信號,也使測得量值無法向上一級標準溯源。但是,T/R組件技術指標和功能穩(wěn)定,結構工藝標準化。綜上所述,T/R組件自動測試系統(tǒng)可采用第3種校準方法,即標準件校準法[6]。

所謂標準件校準法,即通過T/R組件自動測試系統(tǒng)測量,從數(shù)據(jù)穩(wěn)定、指標一致的產品中選擇3塊以上的被測件作為標準件來校準T/R組件自動測試系統(tǒng)。首次校準的數(shù)據(jù)可以作為后期周期校準用的對比數(shù)據(jù)。標準件校準法對測試通道多、測試參數(shù)多、接口種類多且測試參數(shù)關系復雜的數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)具有較為實用的意義。

2 標準件校準方法的測量不確定度評定方法

將量值溯源到國家標準,除了采取合適的校準方法,還必須要對標準的測量不確定度進行評定。

T/R組件自動測試系統(tǒng)框圖見圖1[4]。

圖1 寬帶T/R組件自動化測試系統(tǒng)框圖

從圖1中可以看出,T/R組件自動測試系統(tǒng)連接復雜,輸入信號復雜,決定了組件被測參數(shù)的測量模型復雜,不確定度來源復雜。表2列出了組件兩種工作狀態(tài)4項測試參數(shù)的測量模型以及不確定因素分析。

表2 T/R標準組件的參數(shù)測量模型和不確定度因素分析

圖2為IFF上行相位重復測量13次結果,自由度ν=12,已對數(shù)據(jù)按照格拉布斯以及狄克遜雙側檢驗準則檢驗,無異常值。

圖2 上行發(fā)射某通道相位重復測試13次結果(25℃)

表3為在IFF上行發(fā)射狀態(tài)下相位測量不確定度分析。理論上要對每個頻點(f1、f2、f3、f4、f5)的不確定度進行評定。本表中只對f1頻點下的不確定度進行分析。

表3 IFF上行發(fā)射狀態(tài)下相位測量不確定度分析(頻點: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)項的擴展不確定度,見表4。

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

不確定分析與說明:

(1) T/R組件中的測試設備,連接線纜以及中樞開關的量值都已溯源到本單位最高測量標準;

(2) 表中的不確定度因素分析是在測試系統(tǒng)無修正的情況下進行;

(3) 該測量中人員操作對結果無影響,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)、測試參數(shù)、測試方法有關。從表2中可知,組件處于不同的工作狀態(tài),相位的測試方法不一樣,測量模型不同,不確定度影響因素不同,最后計算的不確定度值也不相同。被動下行組件相位一致性測試為純數(shù)字采集,只與測量重復性以及計算方法有關,不考慮測量設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量設備有關,需要考慮測試設備引入的不確定因素;

(5) 系統(tǒng)的電磁兼用性、接口適配性、信號產生處理過程以及自動測試程序對測試結果的影響都可以用測量重復性的方式體現(xiàn);

(6) 理論上要對所有測試參數(shù)在所有測試頻點上進行不確定度評定。

3 標準件的選擇方法

3.1 基于重復性與穩(wěn)定性的挑選方法

針對數(shù)字T/R組件,應該選擇在T/R組件自動測試系統(tǒng)上反復測試參數(shù)重復性和穩(wěn)定性較好的產品,本文通過增加穩(wěn)定性的考核頻率挑選出合適的T/R組標準件。

具體挑選方法如下:

(1) 通過測試,選出經(jīng)過多次測試、性能指標滿足生產任務要求的組件作為備件,工作中實際挑選3塊組件在自動測試系統(tǒng)中分別進行測試;

(2) 對每塊備件的指標進行短時間內重復性測試,重復性測試次數(shù)n≥10次,實際中每次重復性測試次數(shù)為13次,共進行12個月的測試;

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

(1)

(2)

式中

關于標準件選擇方法的幾點說明:

(1) 重復測試的次數(shù)越多越能體現(xiàn)出被測件的重復性,理論上大于10次即可。

(2) 為了保證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在組件選定的過程中要保證每次測試設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以及位置的變更情況,每次的測試條件應當記錄詳細。

(3) 一般采用每季度測一次重復性的辦法來判斷標準件的穩(wěn)定性[7]。但是,T/R組件自動測試系統(tǒng)為復雜的專用測試設備,對測試精度要求高,而且環(huán)境溫度、搬移以及電纜連接的松緊程度都會影響到測試的結果。所以,針對T/R組件自動測試系統(tǒng),為了更好地評判T/R組件的穩(wěn)定性,本文通過增加穩(wěn)定性測試頻率辦法考核所選組件是否滿足穩(wěn)定性的指標要求。

3.2 方法比較

TX1、TX2和TX3分別為編號不同的3塊T/R組件。經(jīng)測試,這3塊T/R組件上下行各測試指標合格,可作為標準件的備選。下面采用兩種方法對這3塊T/R組件進行重復性和穩(wěn)定性測試。

方法1:每季度測試一組重復性數(shù)據(jù)的方法,分別在第1、4、7、10個月進行,測4組重復性后計算穩(wěn)定性。

方法2:每月測試一組重復性數(shù)據(jù)的方法,每連續(xù)4個月計算一次穩(wěn)定性。

圖3為3塊T/R組件每月重復性測試的相位均值圖。圖4為每月重復性測試相位的標準偏差圖。從圖4的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可知: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)定性測試結果見圖5。圖5中,第1次穩(wěn)定性數(shù)據(jù)為第1～4個月的穩(wěn)定性測試結果,第2次穩(wěn)定性數(shù)據(jù)為第2～5個月的穩(wěn)定性測試結果。以此類推,第9次穩(wěn)定性數(shù)據(jù)為第9～12個月的穩(wěn)定性測試結果。

圖3 3塊T/R組件每月重復性測試均值

圖4 3塊T/R組件每月重復性測試結果

圖5 采用方法2觀測3塊T/R組件的穩(wěn)定性

從圖3～5的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可知,3塊T/R組件的重復性測試標準偏差圍繞在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個月開始指標波動性要大于TX1和TX2?？梢耘卸?采用每連續(xù)4個月核查一次穩(wěn)定性的方法可以更精確地分析出所選標準件的穩(wěn)定性。

4 結束語

自動測試技術已經(jīng)成為未來測試技術的發(fā)展趨勢。在保證測試快速進行的同時不能忽略自動測試系統(tǒng)的周期校準工作。雷達T/R組件測試通道多、頻點多、測試參數(shù)多。本文中提到的不確定度評定理論上要對所有的通道和參數(shù)在所有的測試頻點上進行評定,標準件的選擇也是一樣。所以,這項工作的難點在于工作量大。該項校準工作需要從T/R組件自動測試系統(tǒng)的設計開始就要考慮,并配備專門的校準人員。為保證校準結果質量,還需要對標準件進行核查。后期將針對核查方法進行分析,實現(xiàn)對標準件以及自動測試系統(tǒng)的測量控制。

[1] 陳甜,陳祝明,周鵬,江朝抒.一種寬帶數(shù)字T/R組件的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達,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[J].現(xiàn)代雷達,2012,34(10).

[3] 馬志翔.數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代雷達,2016,38(9).

[4] 童穎飛,吳小強,宋云,肖蘇飛.一種通用數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)[J].雷達與對抗,2016,36(1).

[5] 國防科技工業(yè)專用測試設備管理辦法,2002.

[6] 嚴宜強.專用測試設備校準方法[J].測試與校準,2007,27(1).

[7]JJF1033-2014 計量標準考核規(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,高級工程師,研究方向:計量測試技術和計量管理以及T/R組件自動化測試;王維(1986-),女,工程師,研究方向:微波儀器設備計量、儀器儀表自動化測試;朱小定(1964-),研究方向:無線電類儀器設備計量、專用測試設備計量方法;童穎飛(1989-),男,工程師,碩士,研究方向:軟件工程、自動化儀器儀表;張英浩(1981-),男,高級工程師,博士,研究方向:微波電路及系統(tǒng)設計。

TN206.1

A

1009-0401(2017)01-0064-05