雷達微波綜合測試系統設計

2016-01-18 05:45:57

自動化與儀表 2016年8期

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230031）

雷達性能指標的測試，在雷達調試和維護保障階段的作用越來越突出，隨著雷達系統越來越復雜，測試通路和數據量越來越多，微波測試效率和數據分析效率受到很大的限制。為解決上述需求，通過通用化的硬件和軟件系統設計，實現雷達微波性能指標綜合自動測試與分析，滿足測試與分析的高效化和智能化，應用雷達系統理論的關聯分析模型，實現對雷達微波系統性能指標的綜合測試與評估[1]。

1 系統設計

該系統分為硬件設計和軟件設計2個方面，其中硬件設計主要是綜合考慮現有測試需求，設計一套自動采集和切換的平臺，實現被測系統和儀表之間的連接，完成對射頻、中頻、數字信號的控制。軟件設計是從測試控制、信號采集、數據分析角度，實現對測試儀表和硬件系統的自動控制，同時將影響系統指標的因素進行綜合分析判斷。

本文重點從綜合系統測試算法和系統評估算法方面進行闡述。在雷達系統相關的電性能指標中，靈敏度、增益和動態范圍、改善因子、相位噪聲和發射功率等是測試重點，因此，系統將從雷達的靈敏度、雷達的抗飽和能力、雷達的信號檢測能力等方面進行測試與分析。

1.1 系統硬件設計

系統硬件設計是通過相應的輸入輸出接口和邏輯控制電路，將測試和被測信號送到相應設備中，通過計算機控制和采集，實現系統的自動測試和分析。

硬件測試系統主要包括輸入輸出接口、開關模塊、邏輯控制電路、數據選擇電路等，如圖1所示。

圖1 硬件系統設計Fig.1 Block diagram of hardware system

硬件的具體設計指標：

1）測試頻率覆蓋范圍：0.5 MHz～6000 MHz；

2）可以實現 1 GHz～6 GHz通路數：72 路（64 輸入、8 路輸出），插損：≤2 dB；

3）0.5 MHz～1 GHz通路數：72 路（64 輸入、8 路輸出），插損：≤1 dB；

4）通路隔離度：≥80 dB；

5）通路的幅度不一致性：≤±0.5 dB；

6）開關速度：≤200 ns；

7）最大可承受功率：≤27 dBm；

8）雙DIO控制接口。

功能模塊：

1）控制電路：與被測系統（DUT）之間的通信通過數字型USB IO口來實現，與儀表之間通過USB/GPIB卡實現儀表指令的輸入和測試數據的采集。

2）數字接口：被測系統的數字信號通過LVDS輸入，經數據分選控制，實現被測系統內部數據的分解、選擇、打包，將數字信號通過采集板的網絡輸出口（LAN），傳送到計算機控制分析系統內。

3）射頻接口：測試系統所有連接多輸入的開關模塊均設計成吸收式的開關，所有多輸出的開關模塊均設計成反射式的開關，除了改善信號輸入輸出端口駐波對被測試系統的影響外，還可以改善通路之間信號的隔離。另外，為了降低硬件設計和指標實現的難度，內部開關采用分頻段組合設計，以滿足開關隔離、幅度一致性、開關速度等要求。

1.2 系統軟件設計

該測試控制系統平臺是基于LabVIEW軟件實現的，前期對儀表校準、采集、運算等進行了獨立封裝，通過模塊化的組合，每個獨立測試功能都通過相應的VI程序實現，使系統的維護、修改和擴展更加簡單[1-4]。

1.2.1 總體設計

綜合測試系統主界面如圖2所示。

圖2 系統控制界面Fig.2 System control screen

系統內部執行和測試功能如圖3所示，在此不再詳細闡述。

圖3 測試分析系統邏輯控制Fig.3 Logic control block diagram of test and analysis system

1.2.2 校準模塊設計

啟動后檢查與儀表的通信，系統發送讀取指令，讀取各儀表的GPIB地址（*ISDN），如果各儀表的地址均讀取成功，則說明儀表通信正常，否則送出錯誤代碼，程序停止。

校準模塊分為2個部分：

1）對測試平臺的校準。為了實現系統測試過程的準確，綜合測試系統平臺具有自校準功能，有效地實現對測試平臺性能的評估和誤差的實時修正。為了準確全面地修正誤差數據，通過選擇不同型號的雷達，系統會自動配置內部的測試需求，達到更加精確測量的目的。

2）對儀表的校準。如噪聲測試儀，校準前需要對各儀表（*RST）進行校準，避免儀表在后續接收指令中發生沖突。

1.2.3 測量模塊設計

1）噪聲系數的測試與分析

噪聲系數是表征接收機內部噪聲大小的物理量，它是限制雷達接收機靈敏度的根本原因。

噪聲系數測試是通過噪聲測試儀采用Y因子法的測試方法直接測出，具體如下：

式中：NF 為接收機的噪聲系數，dB；ENR（excess noise radio）為噪聲發生器的超噪比，dB；Y為2次測量功率比值的倍數。

測試時噪聲系數直接通過計算機采集得出，系統會在“一鍵測試”完成后，給出相應的測試數據與分析結果。

內部程序設計采用模塊化設計，通過選擇結構，調用不同的功能模塊，來實現校準和不同雷達型號的控制與測試，內部校準程序如圖4所示。

圖4 噪聲系數模塊程序設計Fig.4 Program design of noise figure module screenshot

2）動態范圍和增益的測試與分析

信號從射頻輸入，然后由數字IQ部分采集，折算出系統的動態范圍和增益。

在實際應用中，常用“1 dB增益壓縮點的動態范圍”和“無失真信號動態范圍”來表征。采用“一鍵測試”時，系統的“1 dB動態范圍”應用如下：

如果選擇“分步測試”，則系統運算采用式（2）來運算，所需要的Smin參數來自該雷達的理論值。

通過對系統的測試，可以分析出雷達系統無失真動態范圍：

其中，雷達系統的增益可以表征如下：

式中：PO為測試動態范圍時，在Pi-1時系統的輸出功率。由于系統在測試動態范圍時，增益壓縮了1 dB，所以，系統在分析時，對其進行修正[1-4]。

程序設計時，將上述分析嵌入到具體的設計中，通過理論分析節點，實現不同模式下的測試分析。如圖5所示。

圖5 動態范圍與增益程序Fig.5 Dynamic range and gain programming screenshot

3）相位噪聲的測試與分析

本振的頻率穩定度和頻譜純度直接影響到雷達系統在強雜波中對運動目標的檢測和識別能力，即雷達系統的改善因子。

短期的頻率穩定度從頻域角度考慮用單邊帶相位噪聲（SSB）來衡量，其中L（fm）相對于載波1 Hz的對數表示，即dBc/Hz，

頻譜純度主要是頻率源的雜波抑制度和諧波抑制度[1-4]。

上述測試通過信號分析儀直接測出，通常采集偏離載頻1 kHz的相位噪聲和工作頻帶內的雜波抑制。

程序設計時，對本振信號直接測試采集，數據寫入相應的報表，在執行“一鍵測試”時，測試數據將會被調用，并進行最后的綜合分析。

4）功率和改善因子的測試與分析

動目標顯示雷達系統的主要性能指標之一就是改善因子，在實際的應用中，雷達系統的改善因子取決于多個部分，其中包括發射信號的改善因子，A/D量化噪聲對改善因子的限制，單邊帶相位噪聲對改善因子的影響，信號處理的模式對改善因子的限制4個主要方面。

在此僅分析發射信號的改善因子，通常用下面的公式進行衡量：

通過對發射改善因子的測試，可以判斷出本振的相位噪聲、雜波抑制、激勵調制脈沖的幅度、相位、寬度等是否在正常的區間。

程序設計時，調制信噪比是直接通過儀表測得的，Bw和fr在測試中也同樣可以測試出來，通過公式節點的編程就可以實現改善因子的輸出。

圖6 功率和改善因子程序Fig.6 Power and improvement factor program design screenshot

5）IQ信號的測試與分析

IQ信號特性中，由于普遍采用數字下變頻技術，IQ信號的幅度一致性和正交度都能很好地滿足設計要求，A/D采樣的信噪比和通路之間的幅度一致性，將是重點關注的方面。在頻域中影響雷達系統的動目標改善因子，在時域中影響脈壓的主副瓣比；在不同體制的雷達中，有些還影響雷達的測角精度、測高精度，以及副瓣電平[1-4]。

程序設計時，將硬件數據轉化選擇后輸出的信號，通過內部數據轉換、LAN口采集，送到系統內運算分析。