基于虛擬儀器技術(shù)的無線電高度表動態(tài)測試系統(tǒng)

摘要：從無線電高度表工作原理的分析與研究出發(fā)，提出了基于虛擬儀器技術(shù)和I／Q調(diào)制器的無線電高度表動態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計，同時對測試數(shù)據(jù)的處理理論進(jìn)行了一定的分析和研究。結(jié)合高度表測試實例，采用基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器方式完成了系統(tǒng)的構(gòu)建。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；無線電高度表；I／Q調(diào)制器；差拍信號

O 引言
    無線電高度表是飛航式反艦導(dǎo)彈的重要測量元件，其性能決定了導(dǎo)彈縱向彈道的控制品質(zhì)。對于超低空掠海飛行的導(dǎo)彈，無線電高度表反射回波的頻譜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)彈運動時，各點之間有相對運動，使得各反射點的多卜勒頻率不同，有可能在接收機(jī)形成差拍(稱二次多卜勒效應(yīng))，結(jié)果是合成回波信號的頻譜展寬；由于回波信號振幅的起伏也能形成頻譜的調(diào)制分量。信號雜波的交叉調(diào)制會使差拍信號的頻譜純度及波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致計數(shù)器計數(shù)錯誤，從而使高度表輸出高度錯誤，嚴(yán)重時使導(dǎo)彈提前入水。
    本文從無線電高度表工作原理的分析與研究出發(fā)，完成了基于虛擬儀器的無線電高度表動態(tài)測試系統(tǒng)總體設(shè)計，該方案可以全面模擬無線電高度表動態(tài)工作過程，提早發(fā)現(xiàn)高度表故障。

1 無線電高度表原理
    無線電高度表的工作方式有脈沖和調(diào)頻連續(xù)波2種。目前國外基本采用脈沖方式，國內(nèi)基本采用調(diào)頻連續(xù)波方式。調(diào)頻連續(xù)波的調(diào)制方式有3種：正弦波調(diào)制、三角波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制，目前國內(nèi)反艦導(dǎo)彈上使用的無線電高度表，采用的調(diào)制方式都是鋸齒波調(diào)制。
    圖1說明了以鋸齒波調(diào)制方式工作的雷達(dá)高度表獲取差拍信號的基本原理，設(shè)發(fā)射信號為鋸齒調(diào)頻連續(xù)波。Tm為調(diào)頻周期，其值遠(yuǎn)大于最大作用距離處目標(biāo)回波時延Tr。B為調(diào)頻帶寬，fo為中心頻率，k=B／T為調(diào)頻斜率，不考慮目標(biāo)的運動，即目標(biāo)的徑向速度v=0。圖1(a)表示信號的頻率-時間關(guān)系，實線代表發(fā)射信號，虛線代表回波信號，波形與發(fā)射信號相似，只是在時間上，相對于發(fā)射信號有Td=2H／c的時延，該時延與導(dǎo)彈相對于地面／海面的實際高度成正比，通過對時延測量，即可達(dá)到測量高度的目的。

    將發(fā)射信號與回波信號進(jìn)行混頻得到差拍信號。圖1(b)示出了差拍信號fb的頻率-時間關(guān)系，由圖可看出，差拍信號存在2個恒定頻率段AB和BC，BC段頻率為B-fb，時寬為Td，AB段為有效段，時寬為Tm-Td，在差拍信號中占主要成分。由圖1(b)可得，有效段內(nèi)差拍信號頻率為：

    
    即有效時段內(nèi)的差拍信號頻率與回波時延(或與目標(biāo)的距離)成正比，因此只要求得有效段內(nèi)的差拍信號頻率，即可得到目標(biāo)的距離。
    在雷達(dá)高度表中，回波信號來自天線波束照射的整個海表面。通常設(shè)這個表面包含大量獨立的隨機(jī)散射體，而每個散射體的散射中心相對于雷達(dá)高度表發(fā)射天線的距離是不同的。這樣總回波信號就相當(dāng)于不同延遲、在幅度上被散射系數(shù)σ和天線方向圖加權(quán)了的大量回波的合成。
    第i個散射體回波形成的差拍信號輸出(經(jīng)低通濾波)為：
   
    經(jīng)分析可得，在面目標(biāo)情況下，鋸齒波調(diào)制時，第i個散射單元回波譜為：
  

2 總體方案設(shè)計
    高度表動態(tài)測試系統(tǒng)可以完成高度表測高過程的動態(tài)檢測和靈敏度的靜態(tài)檢測。它由適配器、計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、I／Q調(diào)制器、固定衰減器、可變衰減器、～115 V／400 Hz電源、27 V直流電源和相關(guān)測試軟件組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

    適配器用于完成與高度表的對接，實現(xiàn)被測高度表的信號激勵、調(diào)理和匹配，接收來自高度表的電源電壓、差拍信號和高度信號，提供～115 V／400 Hz或者直流電源。
    高度模擬器用來模擬導(dǎo)彈高度上的連續(xù)變化。參考無線電高度表調(diào)頻連續(xù)波的中心工作頻率選擇合適工作范圍的I／Q調(diào)制器，根據(jù)鋸齒波調(diào)制規(guī)律，依照需要模擬的高度彈道，通過軟件合理控制輸入到I／Q調(diào)制器上的正弦激勵函數(shù)的頻率，對來自高度表發(fā)射機(jī)的微波信號進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生差拍頻率，以實現(xiàn)模擬恒定高度和變化高度彈道，并擾動發(fā)射機(jī)頻率擴(kuò)展其頻譜，模擬雜波信號對高度表進(jìn)行動態(tài)測試。
    微波衰減器用來控制能量上的變化。其中兩級衰減器串聯(lián)在發(fā)射一接收通道，以匹配高度表發(fā)射機(jī)、I／Q調(diào)制器和接收機(jī)?？勺兯p器與固定衰減器配合使用，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量高度表狀態(tài)信號來檢測系統(tǒng)靈敏度。
    計算機(jī)及軟件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作、控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和發(fā)生函數(shù)的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集差拍信號的波形和高度電壓值，送往計算機(jī)進(jìn)行波形分析和頻譜處理。計算機(jī)控制函數(shù)發(fā)生產(chǎn)生y=AIsinωt和y==AQsinωt的正交函數(shù)，作為I／Q調(diào)制器的輸入。

3 基于PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡的動態(tài)測試系統(tǒng)
3．1 PCI-6229數(shù)據(jù)采集模塊簡述
    PCI-6229是NI公司新推出的M系列DAQ卡，具有A／D、D／A、I／O、Count／Timers功能，模擬輸入通道達(dá)到單端32路，差分16路，分辨率為16位，最大采樣速率為250 KS／s，輸入FIFO緩沖區(qū)為4 095次采樣，數(shù)據(jù)傳輸方式支持DMA、中斷、可編程3種方式；模擬輸出通道有4路；I／O通道有48路，其中32路具有波型輸出能力，軟件上能一次讀取32位長的端口狀態(tài)；有2個定時／計數(shù)器，分辨率為32位，內(nèi)部時鐘頻率為80 MHz。
3．2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    測試系統(tǒng)硬件由發(fā)射和接收2部分構(gòu)成。計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的AO通道發(fā)射控制信號給可變衰減器、發(fā)射正交函數(shù)給I／Q調(diào)制器，然后計算機(jī)通過AI通道將無線電高度表的高度電壓、差拍信號、發(fā)射信號、接收信號、工作狀態(tài)采集進(jìn)來作分析處理，結(jié)構(gòu)框圖如3所示，其中I／Q調(diào)制器選用ADI公司的ADL5375，工作頻率400MHz～6 GHz，其周邊電路圖見圖4。

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
4．1 采集卡設(shè)置及測量任務(wù)的配置
    首先將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計算機(jī)上，在MAX中的Data Neighborhood圖標(biāo)上右擊并選擇Create New…，在目錄中選擇Taditional NI-DAQ virtual并按下Next鍵，然后就可以配置一個讀取輸入信號的通道了。按下Next按鈕后，將會出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)采集卡屬性設(shè)置窗口，在此窗口中根據(jù)板卡的使用情況可以對模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I／O等進(jìn)行設(shè)置，隨后為任務(wù)命名。
4．2 I／Q調(diào)制器信號的產(chǎn)生
    對高度表高度響應(yīng)測試時，需要發(fā)送一定頻率范圍的正弦信號給I／Q調(diào)制器，在LabWindows／CVI中使用SinePattern函數(shù)輸出正弦信號。
4．3 測試信號的采樣、讀取
    信號首先通過前置放大器后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡的AI通道輸入計算機(jī)，存儲然后顯示。為保持采樣速度與顯示的不沖突，使用中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)中斷處理方式工作，需要作2項主要工作：一是編寫中斷處理程序，二是向系統(tǒng)注冊這個程序。
    在中斷服務(wù)程序中，使用DAQmxReadAnalogF64()函數(shù)來讀取采集卡上緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，用戶必須在啟動采集任務(wù)前事先申請足夠大小的緩沖區(qū)，用一個全局指針來指向這個緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)連接選擇為通道連接方式，不同通道數(shù)據(jù)選擇通過memcpy[]函數(shù)控制，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在結(jié)束任務(wù)后釋放此緩沖區(qū)。
4．4 波形存儲與讀取
    在采集之后可以實時的將數(shù)據(jù)保存成2進(jìn)制文件(與導(dǎo)彈遙測數(shù)據(jù)兼容)，通過fopen函數(shù)來實現(xiàn)對文本數(shù)據(jù)文件的調(diào)用，使用fwrite函數(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的寫入，使用fread函數(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取，使用fclose函數(shù)對其關(guān)閉。選用Graph控件，通過plotwaveform函數(shù)對讀取到緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回調(diào)。
4．5 測試信號頻域分析
    在LabWindows／CVI中通過傅里葉函數(shù)對波形數(shù)組進(jìn)行傅里葉變換，并通過ToPolarlD將傅里葉變換得到的輸出實部、虛部數(shù)組轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)形式。通過InvFFT實現(xiàn)對波形數(shù)組的傅里葉反變換。
4．6 軟件組成
4．6．1 高度響應(yīng)測試
    高度響應(yīng)測試用來完成高度彈道參數(shù)的設(shè)置(不同彈道階段持續(xù)時間)、彈型的選擇和高度響應(yīng)曲線的顯示，見圖5、圖6所示。

4．6．2 信號分析
    信號分析完成發(fā)射信號、接收信號、差拍信號波形的回放與比對，并對差拍信號進(jìn)行傅里葉變換，對其頻譜進(jìn)行分析，以判別高度表是否產(chǎn)生“高置”故障。界面見圖7。

4．6．3 靈敏度測試
    高度表靈敏度測試需要設(shè)置設(shè)定高度，衰減控制規(guī)律的設(shè)定，以完成高度表在不同高度下搜索／跟蹤靈敏度測試，見圖9。

5 結(jié)束語
    虛擬儀器技術(shù)以其性價比高、開放性強(qiáng)等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)市場，成為測試儀器新的經(jīng)濟(jì)點。虛擬儀器的核心是軟件，這使虛擬儀器具有了與傳統(tǒng)測試儀器大不相同的技術(shù)特征，實現(xiàn)了測試儀器生產(chǎn)者與使用者夢寐以求的儀器開放性。本文針對無線電高度表測試實例，研究設(shè)計了基于虛擬儀器技術(shù)的第3代自動測試設(shè)備。但該系統(tǒng)只是實現(xiàn)了基本參數(shù)的自動測量，而一個完整的自動測試系統(tǒng)還需要增加更多自動化水平，如具備遠(yuǎn)程控制、更新升級、故障診斷等功能。在此方面還有待做深入研究以使得該測試系統(tǒng)更加完備。