基于虚拟仪器技术的无线电高度表动态测试系统

摘要：从无线电高度表工作原理的分析与研究出发，提出了基于虚拟仪器技术和I／Q调制器的无线电高度表动态测试系统的总体设计，同时对测试数据的处理理论进行了一定的分析和研究。结合高度表测试实例，采用基于数据采集卡的虚拟仪器方式完成了系统的构建。
关键词：虚拟仪器；无线电高度表；I／Q调制器；差拍信号

O 引言
    无线电高度表是飞航式反舰导弹的重要测量元件，其性能决定了导弹纵向弹道的控制品质。对于超低空掠海飞行的导弹，无线电高度表反射回波的频谱结构比较复杂，导弹运动时，各点之间有相对运动，使得各反射点的多卜勒频率不同，有可能在接收机形成差拍(称二次多卜勒效应)，结果是合成回波信号的频谱展宽；由于回波信号振幅的起伏也能形成频谱的调制分量。信号杂波的交叉调制会使差拍信号的频谱纯度及波形发生畸变，导致计数器计数错误，从而使高度表输出高度错误，严重时使导弹提前入水。
    本文从无线电高度表工作原理的分析与研究出发，完成了基于虚拟仪器的无线电高度表动态测试系统总体设计，该方案可以全面模拟无线电高度表动态工作过程，提早发现高度表故障。

1 无线电高度表原理
    无线电高度表的工作方式有脉冲和调频连续波2种。目前国外基本采用脉冲方式，国内基本采用调频连续波方式。调频连续波的调制方式有3种：正弦波调制、三角波调制、锯齿波调制，目前国内反舰导弹上使用的无线电高度表，采用的调制方式都是锯齿波调制。
    图1说明了以锯齿波调制方式工作的雷达高度表获取差拍信号的基本原理，设发射信号为锯齿调频连续波。Tm为调频周期，其值远大于最大作用距离处目标回波时延Tr。B为调频带宽，fo为中心频率，k=B／T为调频斜率，不考虑目标的运动，即目标的径向速度v=0。图1(a)表示信号的频率-时间关系，实线代表发射信号，虚线代表回波信号，波形与发射信号相似，只是在时间上，相对于发射信号有Td=2H／c的时延，该时延与导弹相对于地面／海面的实际高度成正比，通过对时延测量，即可达到测量高度的目的。

    将发射信号与回波信号进行混频得到差拍信号。图1(b)示出了差拍信号fb的频率-时间关系，由图可看出，差拍信号存在2个恒定频率段AB和BC，BC段频率为B-fb，时宽为Td，AB段为有效段，时宽为Tm-Td，在差拍信号中占主要成分。由图1(b)可得，有效段内差拍信号频率为：

    
    即有效时段内的差拍信号频率与回波时延(或与目标的距离)成正比，因此只要求得有效段内的差拍信号频率，即可得到目标的距离。
    在雷达高度表中，回波信号来自天线波束照射的整个海表面。通常设这个表面包含大量独立的随机散射体，而每个散射体的散射中心相对于雷达高度表发射天线的距离是不同的。这样总回波信号就相当于不同延迟、在幅度上被散射系数σ和天线方向图加权了的大量回波的合成。
    第i个散射体回波形成的差拍信号输出(经低通滤波)为：
   
    经分析可得，在面目标情况下，锯齿波调制时，第i个散射单元回波谱为：
  

2 总体方案设计
    高度表动态测试系统可以完成高度表测高过程的动态检测和灵敏度的静态检测。它由适配器、计算机、数据采集卡、I／Q调制器、固定衰减器、可变衰减器、～115 V／400 Hz电源、27 V直流电源和相关测试软件组成，系统构成如图2所示。

    适配器用于完成与高度表的对接，实现被测高度表的信号激励、调理和匹配，接收来自高度表的电源电压、差拍信号和高度信号，提供～115 V／400 Hz或者直流电源。
    高度模拟器用来模拟导弹高度上的连续变化。参考无线电高度表调频连续波的中心工作频率选择合适工作范围的I／Q调制器，根据锯齿波调制规律，依照需要模拟的高度弹道，通过软件合理控制输入到I／Q调制器上的正弦激励函数的频率，对来自高度表发射机的微波信号进行调制，产生差拍频率，以实现模拟恒定高度和变化高度弹道，并扰动发射机频率扩展其频谱，模拟杂波信号对高度表进行动态测试。
    微波衰减器用来控制能量上的变化。其中两级衰减器串联在发射一接收通道，以匹配高度表发射机、I／Q调制器和接收机。可变衰减器与固定衰减器配合使用，通过数据采集系统测量高度表状态信号来检测系统灵敏度。
    计算机及软件负责协调系统的工作、控制数据采集系统和发生函数的工作状态，数据采集系统实时采集差拍信号的波形和高度电压值，送往计算机进行波形分析和频谱处理。计算机控制函数发生产生y=AIsinωt和y==AQsinωt的正交函数，作为I／Q调制器的输入。

3 基于PCI-6229数据采集卡的动态测试系统
3．1 PCI-6229数据采集模块简述
    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，模拟输入通道达到单端32路，差分16路，分辨率为16位，最大采样速率为250 KS／s，输入FIFO缓冲区为4 095次采样，数据传输方式支持DMA、中断、可编程3种方式；模拟输出通道有4路；I／O通道有48路，其中32路具有波型输出能力，软件上能一次读取32位长的端口状态；有2个定时／计数器，分辨率为32位，内部时钟频率为80 MHz。
3．2 系统硬件构成
    测试系统硬件由发射和接收2部分构成。计算机通过数据采集系统的AO通道发射控制信号给可变衰减器、发射正交函数给I／Q调制器，然后计算机通过AI通道将无线电高度表的高度电压、差拍信号、发射信号、接收信号、工作状态采集进来作分析处理，结构框图如3所示，其中I／Q调制器选用ADI公司的ADL5375，工作频率400MHz～6 GHz，其周边电路图见图4。

4 测试系统软件设计
4．1 采集卡设置及测量任务的配置
    首先将数据采集卡安装到计算机上，在MAX中的Data Neighborhood图标上右击并选择Create New…，在目录中选择Taditional NI-DAQ virtual并按下Next键，然后就可以配置一个读取输入信号的通道了。按下Next按钮后，将会出现一个数据采集卡属性设置窗口，在此窗口中根据板卡的使用情况可以对模拟输入、模拟输出、数字I／O等进行设置，随后为任务命名。
4．2 I／Q调制器信号的产生
    对高度表高度响应测试时，需要发送一定频率范围的正弦信号给I／Q调制器，在LabWindows／CVI中使用SinePattern函数输出正弦信号。
4．3 测试信号的采样、读取
    信号首先通过前置放大器后经由数据采集卡的AI通道输入计算机，存储然后显示。为保持采样速度与显示的不冲突，使用中断方式读取采样数据，要实现中断处理方式工作，需要作2项主要工作：一是编写中断处理程序，二是向系统注册这个程序。
    在中断服务程序中，使用DAQmxReadAnalogF64()函数来读取采集卡上缓冲区的数据，用户必须在启动采集任务前事先申请足够大小的缓冲区，用一个全局指针来指向这个缓冲区，将数据连接选择为通道连接方式，不同通道数据选择通过memcpy[]函数控制，然后对数据进行处理，在结束任务后释放此缓冲区。
4．4 波形存储与读取
    在采集之后可以实时的将数据保存成2进制文件(与导弹遥测数据兼容)，通过fopen函数来实现对文本数据文件的调用，使用fwrite函数实现对数据的写入，使用fread函数实现对数据的读取，使用fclose函数对其关闭。选用Graph控件，通过plotwaveform函数对读取到缓冲区中的数据进行回调。
4．5 测试信号频域分析
    在LabWindows／CVI中通过傅里叶函数对波形数组进行傅里叶变换，并通过ToPolarlD将傅里叶变换得到的输出实部、虚部数组转换成极坐标形式。通过InvFFT实现对波形数组的傅里叶反变换。
4．6 软件组成
4．6．1 高度响应测试
    高度响应测试用来完成高度弹道参数的设置(不同弹道阶段持续时间)、弹型的选择和高度响应曲线的显示，见图5、图6所示。

4．6．2 信号分析
    信号分析完成发射信号、接收信号、差拍信号波形的回放与比对，并对差拍信号进行傅里叶变换，对其频谱进行分析，以判别高度表是否产生“高置”故障。界面见图7。

4．6．3 灵敏度测试
    高度表灵敏度测试需要设置设定高度，衰减控制规律的设定，以完成高度表在不同高度下搜索／跟踪灵敏度测试，见图9。

5 结束语
    虚拟仪器技术以其性价比高、开放性强等优势迅速占领市场，成为测试仪器新的经济点。虚拟仪器的核心是软件，这使虚拟仪器具有了与传统测试仪器大不相同的技术特征，实现了测试仪器生产者与使用者梦寐以求的仪器开放性。本文针对无线电高度表测试实例，研究设计了基于虚拟仪器技术的第3代自动测试设备。但该系统只是实现了基本参数的自动测量，而一个完整的自动测试系统还需要增加更多自动化水平，如具备远程控制、更新升级、故障诊断等功能。在此方面还有待做深入研究以使得该测试系统更加完备。