基于虛擬儀器的雷達故障檢測系統

馬 亮, 羅偉會, 李云濤, 劉虎平

(中核第四研究設計工程有限公司,河北石家莊050021)

1 引言

隨著計算機和軟件技術、大規模集成電路技術、通信技術的不斷發展和完善,電子雷達裝備的系統也越來越復雜,自動化水平也越來越高,為了保證雷達正常的運行,對其進行高效的故障檢測,對于保持良好的作戰狀態和提高戰斗力具有重要意義。目前對雷達故障診斷和檢測的方法很多,但普遍存在測試周期長、工序復雜、效率低、成本高、容易出錯等問題。虛擬儀器技術可以通過軟件編程,將多種測試功能集于一身,并進行快速準確的數據處理和顯示,真正實現集成化、模塊化和智能化。與傳統儀器相比較,虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發效率高、無縫集成等優勢,因此,雷達設備性能檢測和故障診斷的虛擬儀器技術已經成為一種新的發展趨勢和方向。

主要圍繞著雷達故障檢測系統可控制NI設備卡通過PXI測試平臺、適配器實現對被測電路板的靜電測試,給被測雷達電路板加工作電壓,測試電路板電源的準確性,給被測雷達電路板輸入標準數字及模擬激勵信號,采集被測電路板的數字輸出或激勵信號,檢測電路板的輸出或激勵信號,然后打印檢測報告,最終給出故障定位的信息代碼。

2 系統總體方案設計

雷達故障檢測設備以美國國家儀器NI公司生產的PXI虛擬儀器為檢測平臺,以LabVIEW8.6軟件為開發工具的系統。系統設計采用模塊化設計方法,充分考慮系統和分系統的可靠性和可維修性。系統總體設計方案如圖1所示。

2.1 被測雷達工作原理

雷達(Radio Detection and Ranging,Radar),含義是用無線電方法對目標進行探測和測距。雷達最基本的任務有兩個,一是發現目標的存在;二是測量目標的參數。前者稱為雷達檢測,后者稱為雷達參數提取或參數估值。雷達問世之初,主要的觀察目標是飛機。發現飛機目標的過程是：雷達發射機向空間發射電磁波,電磁波遇到目標時,一小部分能量被反射回接收機,接收機接收到從目標反射回來的回波信號,如果超過一定的門限電壓值,就稱為探測到了或者是發現了目標,由電波傳播的往返時間即可獲得雷達至目標的距離。

圖1 雷達故障檢測系統總體設計框圖

雷達系統組成主要包括：主振信號源、定時器、頻率合成器、主振功率放大鏈發射機、收/發開關(T/R開關)、雷達天線、接收機、數字信號處理機、數字數據處理機、雷達終端顯示器、天線伺服系統。

研究雷達系統采用性能指標：輸入、輸出電壓、波形、頻率、信號幅度、信號相位、脈沖周期、節拍、地址間隔、占空比、等技術參數。對性能指標分別通過對雷達組合模塊進行靜態電阻測試、給被測電路板加工作電壓,檢測電源的正確性、給被測組合灌入標準數字及模擬激勵信號,采集被測組合的數字輸出信號,檢測組合的輸出信號。

2.2 系統故障檢測原理

系統通過查詢標準技術參數或通過實際采集正常設備的輸入、輸出電壓、波形、頻率、信號幅度、信號相位、脈沖周期、節拍、地址間隔、占空比等技術參數,通過編寫程序軟件,存儲在主計算機存儲器內,作為檢測的標準數據。測試原理如圖2所示。

2.3 系統硬件設計

系統硬件部分依據模塊化設計理念和思想,充分考慮到各個接口電路的擴展性和通用性,檢測系統的硬件部分設計在滿足總體設計方案的基礎上,還保留了雷達系統中被測電路板模塊與上級的單元接口。同時,將與PXI檢測平臺各電路板板卡的接口電路關系獨立起來,使PXI虛擬儀器檢測接口平臺適用于其他測試場合,從而拓寬了接口電路的使用領域和范圍。從模塊化設計角度研究。

檢測系統的硬件接口電路主要包括：

(1)NI專用板卡與適配器接口電路,由于NI專用板卡與被測電路板模塊接口不匹配,故自主研制了一系列適配板卡,連接NI專用板卡與被測電路板模塊,使之匹配。

(2)適配板器與被測雷達電路板模塊接口電路,通過一系列數據傳輸電纜,將電路板與適配板卡相連。

(3)電阻測量接口電路。

(4)電源電路設計,主要是給被測雷達電路板模塊供電。

2.4 系統軟件設計

系統軟件是整個雷達故障檢測系統的核心,所有的硬件設備都是在軟件的控制下工作。系統充分開發和利用計算機的資源,采用NI公司的LabVIEW8.60軟件,運用特定的算法和儀器控制技術,進行信號的分析、測量和產生激勵信號,在硬件顯著減少的條件下,極大地提高測試功能,使自動檢測系統的控制器不僅僅只是控制系統的協調工作,而且能直接參與信號的產生,完成被測系統性能參數的測量等任務,充分發揮計算機的巨大潛力。

雷達檢測系統統軟件部分采用3層設計架構,以保證最終的虛擬儀器產品既有良好的可靠性、可維護性以及可擴展性。控制電路板檢測儀軟件3層結構如圖3所示。

圖2 雷達故障檢測系統測試原理圖

系統軟件是整個測試系統的核心,主要由系統主界面、系統選擇模塊、自檢模塊、采集模塊、信號檢測模塊和顯示存儲等功能模塊組成。檢測系統軟件設計流程圖如圖4所示。

由于數字采集卡NI-6541支持SMC(同步及儲存核心)技術,故在用到多辦卡激勵時,對相應板卡進行設置后可由NI-TCLK函數進行同步觸發,實現多塊NI-6541的數據ns級同步輸出。其中信號采集實現對被測電路板的數字信號進行采集(多板卡時能實現同步采集)。包括電路板激勵信號采集子模塊及輸出信號采集子模塊。

圖3 虛擬儀器軟件結構圖

算法：用事件結構結合隊列控制響應前面板上兩個按鈕：‘開始采集'、及‘退出程序'。用一個while循環監控前面板兩個按鈕,當‘開始采集'按鈕按下時,枚舉變量‘開始激勵'入控制隊列,在另一個while循環控制隊列的元素(枚舉變量)出列,默認是‘閑置狀態'故當前面板不執行當任何操作時,進入該分支,這時程序執行延時50ms,同時自動釋放CPU,讓CPU得以空閑處理其他應用程序,當‘開始采集'按鈕按下時,此時由控制隊列控制進入開始激勵分支。

信號采集算法程序源代碼如圖5所示。

圖4 檢測系統軟件設計流程圖

圖5 信號采集算法程序源代碼

3 系統檢測結果及分析

首先通過適配器將雷達電路板與虛擬儀器開發的PXI檢測平臺進行連接。然后給電路板模塊提供正常工作電壓,使其正常工作。最后將計算機里存儲的標準信號回放到被測試的電路板模塊里,登陸檢測系統主界面按照操作步驟對電路板模塊進行故障測試。

雷達故障檢測系統對部分雷達電路板模塊進行隨機測試。首先選擇測試點,主要測試電路板模塊的靜電阻值、二次電源值、信號參數。標準值已經通過計算機語言編程存儲到計算機里面,以便于和實際測試值進行比對,從而給出測試結果。

首先用戶進行系統登陸,點擊“進入系統”按鈕,系統進入雷達故障檢測系統主界面如圖6所示。

測試實驗結果,通過采用人工手動或其他測試方法驗證測試結果準確,證明系統測試結果比較準確,尤其是對故障點的定位。能準確將故障點定位到雷達電路板的板卡級。充分說明基于虛擬儀器的雷達故障檢測系統是一種操作方便簡捷、準確性高、可靠性高、實效性高的現代化測試系統,有很高的研發價值和應用價值,也會將成為測試領域的一種發展方向。

圖6 雷達故障檢測系統主界面

圖7 雷達工作異常信息測試結果

4 結束語

通過對雷達電路板模塊的測試結果進行系統分析,由實驗測試結果可以得出,虛擬儀器的雷達故障檢測系統能對故障進行準確定位并能給出故障意見,實現故障檢測自動化、智能化。其性能的可靠性、有效性、可操作性等都是非常高的,具有十分廣闊的應用和發展空間。

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