(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

多路DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李國(guó)清,張 玲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module,DAM)是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心部件,其設(shè)計(jì)高度集成,技術(shù)指標(biāo)繁多,傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)效率不高。通過(guò)多路DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性分析,優(yōu)化各技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試流程和方法,采用高速光纖調(diào)制解調(diào)、多路發(fā)射同步測(cè)試、移相精度快速測(cè)試等一系列測(cè)試技術(shù),完成了4路DAM并行測(cè)試的多路DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì),并在生產(chǎn)線上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,在自測(cè)模式下完成4路DAM的測(cè)試時(shí)間小于50 min,測(cè)試效率大幅提高,為我國(guó)某重點(diǎn)型號(hào)雷達(dá)的科研生產(chǎn)提供了重要支撐和保障。

數(shù)字陣列模塊;多路;測(cè)試系統(tǒng);移相精度

0 引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字陣列雷達(dá)成為近年來(lái)越來(lái)越受人們關(guān)注的一種新型相控陣?yán)走_(dá)。其中DAM是其核心部件之一。DAM是一種將16個(gè)收發(fā)通道集成的雷達(dá)前端模塊,主要完成多通道接收數(shù)字化及預(yù)處理、多通道的數(shù)字波形產(chǎn)生及功率放大、多通道數(shù)字波束形成等功能[1]。

DAM生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜,測(cè)試指標(biāo)繁多,需要測(cè)試接收增益、接收信噪比、鏡像抑制、通道隔離度、發(fā)射功率、發(fā)射信噪比、移相精度、發(fā)射帶寬等指標(biāo),這些技術(shù)指標(biāo)直接影響雷達(dá)的性能[2]。為了實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),單路DAM的測(cè)試系統(tǒng)已有同行進(jìn)行過(guò)探索。但隨著測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展,單路測(cè)試系統(tǒng)效率不高、操作繁瑣等特點(diǎn),已不能滿足快速批量生產(chǎn)的實(shí)際需要。因此,為提升測(cè)試效率,設(shè)計(jì)一個(gè)多路的DAM全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)顯得尤為重要[3]。

1 可行性分析及測(cè)試技術(shù)研究

1.1 可行性分析

通過(guò)對(duì)被測(cè)件和測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行分析可知,發(fā)射功率、發(fā)射信噪比等技術(shù)指標(biāo)可以采用射頻儀表程控測(cè)試的方式進(jìn)行;接收類指標(biāo)測(cè)試傳統(tǒng)上一般采用前端加射頻激勵(lì)、后端進(jìn)行響應(yīng)采集的方式;發(fā)射移相精度的測(cè)試一般采用脈沖矢網(wǎng)進(jìn)行,但脈沖矢網(wǎng)造價(jià)昂貴,且只能單路串行測(cè)試。由于DAM采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,因此多路DAM的控制及同步問題會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

綜合以上分析,本系統(tǒng)采用4路DAM同步測(cè)試的方案,并對(duì)方案中采用的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行介紹。其中,發(fā)射指標(biāo)采用功率計(jì)和頻譜儀進(jìn)行程控測(cè)試;接收指標(biāo)采用信號(hào)源,并同步設(shè)計(jì)光纖采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DAM的控制及數(shù)據(jù)采集;移相精度測(cè)試采用校正接收機(jī)來(lái)完成下變頻和A/D變換采集。其原理框圖如圖1所示。

圖1 多路DAM測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

1.2 多路DAM分時(shí)同步測(cè)試技術(shù)

發(fā)射功率是DAM的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其性能的好壞直接影響到雷達(dá)的探測(cè)距離。發(fā)射功率測(cè)試時(shí)需要做到每個(gè)通道和所有頻點(diǎn)都覆蓋,所以測(cè)試時(shí)間特別長(zhǎng)。本測(cè)試系統(tǒng)采用了多路分時(shí)同步測(cè)試的方式,即通過(guò)專用測(cè)試板對(duì)DAM進(jìn)行控制,保證4路DAM的發(fā)射脈寬和重復(fù)頻率完全一致,送給每個(gè)DAM的導(dǎo)前依次延遲100,200和300μs,使4路DAM在一個(gè)脈沖周期內(nèi)依次打開第一路發(fā)射開關(guān),然后用導(dǎo)前同步功率計(jì),控制儀表采用4個(gè)MARK同時(shí)讀數(shù)。然后關(guān)閉第一路發(fā)射,打開4個(gè)組件的第二路開關(guān),再次進(jìn)行測(cè)量……重復(fù)上述步驟16次,直到所有通道測(cè)試完成,如圖2所示。

1.3 發(fā)射移相精度測(cè)試技術(shù)

圖2 發(fā)射功率同步測(cè)試截圖

移相精度也是DAM的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其性能的好壞直接影響到雷達(dá)發(fā)射波瓣的形狀和威力。一部雷達(dá)有5 952個(gè)通道、61個(gè)頻點(diǎn),一個(gè)通道一個(gè)頻點(diǎn)需要測(cè)量72次。如果采用脈沖矢網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量,不僅測(cè)量速度慢,而且相當(dāng)昂貴。本測(cè)試系統(tǒng)采用校正接收機(jī)進(jìn)行下變頻和A/D變換后,在數(shù)字域進(jìn)行相位測(cè)試。眾所周知,在復(fù)變函數(shù)理論中:

式中,φa為移相精度,Δφ為相鄰兩次的變化值,θ2,θ1為相鄰兩次采樣得到的絕對(duì)相位值。

1.4 海量數(shù)據(jù)后處理技術(shù)

一部雷達(dá)包含372個(gè)DAM、5 952個(gè)通道,測(cè)試數(shù)據(jù)量可達(dá)120萬(wàn)個(gè),海量的測(cè)試數(shù)據(jù)要在很短的時(shí)間內(nèi)處理和傳輸是個(gè)難題,針對(duì)這個(gè)問題本系統(tǒng)采用UDP傳輸和數(shù)據(jù)后處理技術(shù)。

UDP傳輸技術(shù)即使用UDP數(shù)據(jù)包對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,此種傳輸方式優(yōu)點(diǎn)在于速度快且不需要時(shí)刻進(jìn)行偵聽,數(shù)據(jù)率可達(dá)2.5 Gbit/s。將數(shù)據(jù)由采集端傳送到處理端后需要進(jìn)行運(yùn)算,這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量時(shí)間,采用實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)后處理技術(shù),即利用接收下一批數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)上一批數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性實(shí)時(shí)核查,遇到不滿足要求的數(shù)據(jù)及時(shí)給予告警,使數(shù)據(jù)后處理的效率提高80%以上,并提高數(shù)據(jù)正確率達(dá)到99%以上。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)硬件由適配器和測(cè)試機(jī)柜兩部分組成,如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

1)適配器由適配網(wǎng)絡(luò)、光纖采集卡、校正接收機(jī)、本振參考源及散熱裝置組成。

適配網(wǎng)絡(luò):在多路DAM測(cè)試中,多個(gè)通道的發(fā)射功率合成及接收激勵(lì)信號(hào)的分配是關(guān)鍵。功率合成及激勵(lì)信號(hào)分配通過(guò)專用適配器完成。適配器采用了三級(jí)合成,第一級(jí)為有源功分開關(guān),每個(gè)通道可獨(dú)立關(guān)斷,可實(shí)現(xiàn)接收隔離度的測(cè)試;第二級(jí)是多路耦合電路,可實(shí)現(xiàn)功率、改善因子和移相精度同步測(cè)試;第三級(jí)為環(huán)行器和負(fù)載,能夠?qū)崿F(xiàn)接收和發(fā)射所有指標(biāo)的快速切換,且避免了采用功分電路而造成損耗過(guò)大,從而測(cè)試指標(biāo)誤差增加的問題,同時(shí)也有效地保護(hù)了測(cè)試儀表不受DAM發(fā)射功率燒毀。

光纖采集卡:為了實(shí)現(xiàn)4路DAM的自動(dòng)測(cè)試,設(shè)計(jì)了一塊專用的光纖數(shù)據(jù)采集卡,完成與DAM和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)解調(diào)和通信,如圖4所示。其主要實(shí)現(xiàn)功能有:將DAM數(shù)字中頻接收模塊通過(guò)光纖送過(guò)來(lái)的采樣信號(hào)進(jìn)行解調(diào),并依據(jù)控制命令送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和指標(biāo)分析;通過(guò)網(wǎng)口接收計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制指令,再轉(zhuǎn)化為光信號(hào)送往DAM,完成DAM工作模式、波形代碼、工作周期的設(shè)置;控制4個(gè)16通道有源開關(guān)的選通;控制DAM所有通道的發(fā)射開關(guān)及模式切換[4]。

圖4 光纖采集卡原理圖

校正接收機(jī):該接收機(jī)主要由上下變頻、小功率放大模塊、中頻數(shù)字收發(fā)等模塊組成,主要用于發(fā)射移相精度指標(biāo)的測(cè)量。

本振參考源:主要由電源、晶振、一本振插件和時(shí)鐘產(chǎn)生模塊組成。采用直接數(shù)字合成的方式進(jìn)行設(shè)計(jì),具有指標(biāo)高、設(shè)備體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

2)測(cè)試機(jī)柜主要由信號(hào)源、頻譜儀、功率計(jì)、電源和計(jì)算機(jī)等組成。

信號(hào)源、頻譜儀、功率計(jì)等射頻儀表主要是選擇貨架產(chǎn)品;電源需要滿足DAM工作的電壓及電流要求,電壓0～50 V可調(diào),電流0～10 A,紋波小于50 m V,具備過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù),可遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的易用性、可靠性、完備性都將影響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的性能好壞,因此選擇一個(gè)合適的軟件平臺(tái)是首先要考慮的事情。目前,用于自動(dòng)測(cè)試開發(fā)的軟件品種很多,綜合考慮,該系統(tǒng)采用Lab-View和Visual C++(VC)相結(jié)合的方式。Lab-View平臺(tái)作為下位機(jī)控制儀表和采集數(shù)據(jù),VC平臺(tái)作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5]。其軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多路DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在Lab View平臺(tái)下,軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)初始化、參數(shù)測(cè)量和參數(shù)顯示三個(gè)功能模塊。

初始化模塊里,網(wǎng)絡(luò)通信指示用于指示Lab-View平臺(tái)與VC平臺(tái)的通信狀態(tài);測(cè)試模式選擇可以讓用戶根據(jù)測(cè)試需求選擇手動(dòng)測(cè)試模式、自動(dòng)測(cè)試模式、驗(yàn)收測(cè)試模式和環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試模式;設(shè)測(cè)試設(shè)備狀態(tài)中實(shí)時(shí)監(jiān)控硬件設(shè)備,并在測(cè)試設(shè)備狀態(tài)模塊中顯示儀表和數(shù)據(jù)采集板的狀態(tài);組件狀態(tài)模塊中實(shí)時(shí)顯示DAM的溫度、電源BIT、通信鏈路等信息。

參數(shù)測(cè)量模塊里,儀表總線控制為計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB總線對(duì)儀表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置操作以及測(cè)量數(shù)值讀取;在本振頻點(diǎn)控制模塊中,計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)字I/O來(lái)設(shè)置頻率源的頻率碼;接收指標(biāo)測(cè)試及發(fā)射指標(biāo)測(cè)試為核心測(cè)試模塊,完成DAM所有指標(biāo)的測(cè)試;數(shù)據(jù)處理模塊主要對(duì)儀表的測(cè)試數(shù)據(jù)和采集板的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理。

在參數(shù)顯示模塊里,有兩種顯示模塊。一是圖表顯示,包括接收測(cè)試時(shí)被測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形、頻域頻譜圖、I/Q信號(hào)的李薩圖,發(fā)射測(cè)試時(shí)發(fā)射信號(hào)的時(shí)域脈沖波形及頻域的頻譜圖;二是數(shù)據(jù)報(bào)表顯示,測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)精度轉(zhuǎn)化、格式轉(zhuǎn)化,填充顯示在各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量表格中。

在VC平臺(tái)下,軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的報(bào)表輸出,它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊與Lab View平臺(tái)建立連接,將下位機(jī)發(fā)送的包含有測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。此外,由于測(cè)試回路中功分器、開關(guān)、電纜等器件具有插損,因此VC平臺(tái)中包含一個(gè)存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù),用以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。最后,將最終測(cè)試數(shù)據(jù)以模板化的形式顯示出來(lái),并且以EXCEL文件格式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)。

3 系統(tǒng)測(cè)量不確定度分析

3.1 測(cè)量不確定度的主要來(lái)源

不確定度是計(jì)量測(cè)試的基本問題,任何計(jì)量測(cè)試都不可避免地存在著不確定度[6]。不確定度是測(cè)量精度或可信程度的反應(yīng),不確定度小,測(cè)量精度越高,本文選取接收增益這項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

接收增益是通過(guò)信號(hào)源在DAM的前端施加射頻激勵(lì)信號(hào),后端通過(guò)采集后,再測(cè)量出插損,通過(guò)軟件計(jì)算得到的。其不確定度主要來(lái)源有:

1)插損測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

2)矢網(wǎng)校準(zhǔn)引入的不確定度;

3)信號(hào)源幅度不精確引入的不確定度。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

1)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定分量u1

由于信號(hào)或指示不穩(wěn)定、不重復(fù)等各種隨機(jī)因素,造成測(cè)量不具有重復(fù)性,通常采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表征,用A類評(píng)定方法評(píng)定。

首先測(cè)量信號(hào)源輸出口到DAM盲插口的插損,用矢網(wǎng)對(duì)其重復(fù)測(cè)量10次,測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差利用下式計(jì)算:

2)矢網(wǎng)校準(zhǔn)引入的不確定度u2

3)信號(hào)源幅度不精確引入的不確定度u3

用B類方法評(píng)定,根據(jù)信號(hào)源AV1464A的說(shuō)明書得知其誤差則由此引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3如下:

4)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

以上各分量相互獨(dú)立各不相關(guān),可知其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc如下:

本系統(tǒng)對(duì)所測(cè)試指標(biāo)的不確定度都進(jìn)行了分析,由于篇幅原因,其他指標(biāo)只給出分析結(jié)果。

發(fā)射功率不確定度為0.08 d B;發(fā)射信噪比不確定度為0.32;移相精度不確定度為0.1°;發(fā)射帶寬不確定度為0.06 MHz。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后,連接被測(cè)件進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),該測(cè)試系統(tǒng)能夠完成DAM發(fā)射、接收等所有技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試,如圖6所示。在自測(cè)模式下完成4路DAM測(cè)試的時(shí)間為44 min;在驗(yàn)收模式下完成4路DAM測(cè)試的時(shí)間為25 min;在環(huán)境試驗(yàn)?zāi)Ｊ较峦瓿?路DAM測(cè)試的時(shí)間為21 min。同時(shí),測(cè)試過(guò)程中儀表控制、開關(guān)控制、DAM切換等全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,做到了“無(wú)人值守測(cè)試”。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖6 指標(biāo)測(cè)試界面

本文提出了一種多路DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,在硬件上實(shí)現(xiàn)了被測(cè)件和適配器、測(cè)試機(jī)柜的高度集成,軟件上采用了上位機(jī)和下位機(jī)使用不同軟件平臺(tái)、通過(guò)UDP協(xié)議互聯(lián)的方式,設(shè)計(jì)結(jié)果滿足測(cè)試要求。目前該測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用在某重點(diǎn)型號(hào)雷達(dá)的科研生產(chǎn)中,產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,同時(shí)也為其他型號(hào)DAM的集成測(cè)試提供了可借鑒的解決方案。

[1]吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008,6(6):401-405.WU Manqing.Development and Future Design of Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2008,6(6):401-405.(in Chinese)

[2]王才華,方東,宋吟齡.DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2015,13(3):328-332.WANG Caihua,FANG Dong,SONG Yinling.The Study and Development of DAM Automatic Test System[J].Radar Science and Technology,2015,13(3):328-332.(in Chinese)

[3]陶成忠,楊露.可擴(kuò)充陣列模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2014,33(1):46-49.TAO Chengzhong,YANG Lu.Antomatic Measurement System for Measuring the Scalable Array Module[J].Foreign Electronic Measurement Technology,2014,33(1):46-49.(in Chinese)

[4]肖圣兵.雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集接口模塊設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2016(1):77-80.

[5]張昕,張毅.DAM測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2016(5):183.

[6]張思敏,盛永鑫.DAM測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2012,31(10):39-42.

Design of Multiplex DAM Automatic Test System

LI Guoqing,ZHANG Ling
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

Digital array module(DAM)is the core component of digital array radar.In this paper,the efficiency challenges of traditional DAM test system due to DAM’s highly integrated design and numerous technical specifications are discussed.Through analyzing feasibility and optimizing test procedure and metrology of technical specifications,an automatic test system for multiple-channel DAMs is proposed for the first time and is verified in the production line.A series of test techniques are employed such as high-speed fiber modem technology,synchronous test technology for multiple transmitters,fast test technology for phase shift accuracy,etc.Measurements of four-channel DAMs in parallel are presented.Results show that the measurement time for four-channel DAMs in the self-test mode is less than 50 minutes,indicating a substantial increase in the test efficiency.The automatic test system presented in this paper provides an important support for the research and production of key radar equipments in China.

digital array module(DAM);multi-channel;test system;phase-shift precision

TN957.5;TP206

A

1672-2337(2017)02-0220-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.019

2016-10-25;

2016-12-21

李國(guó)清男,1981年12月出生于山東濟(jì)寧,2003年畢業(yè)于山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程專業(yè),現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師,主要從事雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)及測(cè)試技術(shù)方面的研究。

E-mail:66640996@qq.com

張 玲女,1987年4月出生于安徽宿州,2014年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微波電路與系統(tǒng)專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所助理工程師,主要從事雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)方面的研究。