多路DAM自動測試系統設計

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

多路DAM自動測試系統設計

李國清,張 玲

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

數字陣列模塊(Digital Array Module,DAM)是數字陣列雷達的核心部件,其設計高度集成,技術指標繁多,傳統的測試系統效率不高。通過多路DAM自動測試系統設計的可行性分析,優化各技術指標的測試流程和方法,采用高速光纖調制解調、多路發射同步測試、移相精度快速測試等一系列測試技術,完成了4路DAM并行測試的多路DAM自動測試系統設計,并在生產線上進行了測試驗證,在自測模式下完成4路DAM的測試時間小于50 min,測試效率大幅提高,為我國某重點型號雷達的科研生產提供了重要支撐和保障。

數字陣列模塊;多路;測試系統;移相精度

0 引 言

隨著雷達技術的快速發展,數字陣列雷達成為近年來越來越受人們關注的一種新型相控陣雷達。其中DAM是其核心部件之一。DAM是一種將16個收發通道集成的雷達前端模塊,主要完成多通道接收數字化及預處理、多通道的數字波形產生及功率放大、多通道數字波束形成等功能[1]。

DAM生產環節復雜,測試指標繁多,需要測試接收增益、接收信噪比、鏡像抑制、通道隔離度、發射功率、發射信噪比、移相精度、發射帶寬等指標,這些技術指標直接影響雷達的性能[2]。為了實現批量生產,單路DAM的測試系統已有同行進行過探索。但隨著測試技術的快速發展,單路測試系統效率不高、操作繁瑣等特點,已不能滿足快速批量生產的實際需要。因此,為提升測試效率,設計一個多路的DAM全自動測試系統顯得尤為重要[3]。

1 可行性分析及測試技術研究

1.1 可行性分析

通過對被測件和測試內容進行分析可知,發射功率、發射信噪比等技術指標可以采用射頻儀表程控測試的方式進行;接收類指標測試傳統上一般采用前端加射頻激勵、后端進行響應采集的方式;發射移相精度的測試一般采用脈沖矢網進行,但脈沖矢網造價昂貴,且只能單路串行測試。由于DAM采用光纖進行數據傳輸,因此多路DAM的控制及同步問題會是一個挑戰。

綜合以上分析,本系統采用4路DAM同步測試的方案,并對方案中采用的測試技術進行介紹。其中,發射指標采用功率計和頻譜儀進行程控測試;接收指標采用信號源,并同步設計光纖采集卡來實現對DAM的控制及數據采集;移相精度測試采用校正接收機來完成下變頻和A/D變換采集。其原理框圖如圖1所示。

圖1 多路DAM測試系統原理框圖

1.2 多路DAM分時同步測試技術

發射功率是DAM的關鍵指標之一,其性能的好壞直接影響到雷達的探測距離。發射功率測試時需要做到每個通道和所有頻點都覆蓋,所以測試時間特別長。本測試系統采用了多路分時同步測試的方式,即通過專用測試板對DAM進行控制,保證4路DAM的發射脈寬和重復頻率完全一致,送給每個DAM的導前依次延遲100,200和300μs,使4路DAM在一個脈沖周期內依次打開第一路發射開關,然后用導前同步功率計,控制儀表采用4個MARK同時讀數。然后關閉第一路發射,打開4個組件的第二路開關,再次進行測量……重復上述步驟16次,直到所有通道測試完成,如圖2所示。

1.3 發射移相精度測試技術

圖2 發射功率同步測試截圖

移相精度也是DAM的關鍵指標之一,其性能的好壞直接影響到雷達發射波瓣的形狀和威力。一部雷達有5 952個通道、61個頻點,一個通道一個頻點需要測量72次。如果采用脈沖矢網進行測量,不僅測量速度慢,而且相當昂貴。本測試系統采用校正接收機進行下變頻和A/D變換后,在數字域進行相位測試。眾所周知,在復變函數理論中:

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相位值。

1.4 海量數據后處理技術

一部雷達包含372個DAM、5 952個通道,測試數據量可達120萬個,海量的測試數據要在很短的時間內處理和傳輸是個難題,針對這個問題本系統采用UDP傳輸和數據后處理技術。

UDP傳輸技術即使用UDP數據包對測試數據進行傳輸,此種傳輸方式優點在于速度快且不需要時刻進行偵聽,數據率可達2.5 Gbit/s。將數據由采集端傳送到處理端后需要進行運算,這個過程需要耗費大量時間,采用實時處理的數據后處理技術,即利用接收下一批數據的時間對上一批數據進行處理來縮短數據處理時間,并對測試數據的正確性實時核查,遇到不滿足要求的數據及時給予告警,使數據后處理的效率提高80%以上,并提高數據正確率達到99%以上。

2 測試系統設計

2.1 硬件設計

整個測試系統硬件由適配器和測試機柜兩部分組成,如圖3所示。

圖3 測試系統組成框圖

1)適配器由適配網絡、光纖采集卡、校正接收機、本振參考源及散熱裝置組成。

適配網絡:在多路DAM測試中,多個通道的發射功率合成及接收激勵信號的分配是關鍵。功率合成及激勵信號分配通過專用適配器完成。適配器采用了三級合成,第一級為有源功分開關,每個通道可獨立關斷,可實現接收隔離度的測試;第二級是多路耦合電路,可實現功率、改善因子和移相精度同步測試;第三級為環行器和負載,能夠實現接收和發射所有指標的快速切換,且避免了采用功分電路而造成損耗過大,從而測試指標誤差增加的問題,同時也有效地保護了測試儀表不受DAM發射功率燒毀。

光纖采集卡:為了實現4路DAM的自動測試,設計了一塊專用的光纖數據采集卡,完成與DAM和計算機之間的數據解調和通信,如圖4所示。其主要實現功能有:將DAM數字中頻接收模塊通過光纖送過來的采樣信號進行解調,并依據控制命令送往計算機進行處理和指標分析;通過網口接收計算機傳來的控制指令,再轉化為光信號送往DAM,完成DAM工作模式、波形代碼、工作周期的設置;控制4個16通道有源開關的選通;控制DAM所有通道的發射開關及模式切換[4]。

圖4 光纖采集卡原理圖

校正接收機:該接收機主要由上下變頻、小功率放大模塊、中頻數字收發等模塊組成,主要用于發射移相精度指標的測量。

本振參考源:主要由電源、晶振、一本振插件和時鐘產生模塊組成。采用直接數字合成的方式進行設計,具有指標高、設備體積小、集成度高等優點。

2)測試機柜主要由信號源、頻譜儀、功率計、電源和計算機等組成。

信號源、頻譜儀、功率計等射頻儀表主要是選擇貨架產品;電源需要滿足DAM工作的電壓及電流要求,電壓0～50 V可調,電流0～10 A,紋波小于50 m V,具備過壓、過流、過溫保護,可遠程監控。

2.2 軟件設計

軟件的易用性、可靠性、完備性都將影響自動測試系統的性能好壞,因此選擇一個合適的軟件平臺是首先要考慮的事情。目前,用于自動測試開發的軟件品種很多,綜合考慮,該系統采用Lab-View和Visual C++(VC)相結合的方式。Lab-View平臺作為下位機控制儀表和采集數據,VC平臺作為上位機進行數據處理[5]。其軟件架構如圖5所示。

圖5 多路DAM自動測試系統軟件架構

在Lab View平臺下,軟件設計主要實現初始化、參數測量和參數顯示三個功能模塊。

初始化模塊里,網絡通信指示用于指示Lab-View平臺與VC平臺的通信狀態;測試模式選擇可以讓用戶根據測試需求選擇手動測試模式、自動測試模式、驗收測試模式和環境試驗測試模式;設測試設備狀態中實時監控硬件設備,并在測試設備狀態模塊中顯示儀表和數據采集板的狀態;組件狀態模塊中實時顯示DAM的溫度、電源BIT、通信鏈路等信息。

參數測量模塊里,儀表總線控制為計算機通過GPIB總線對儀表進行參數設置操作以及測量數值讀取;在本振頻點控制模塊中,計算機通過數字I/O來設置頻率源的頻率碼;接收指標測試及發射指標測試為核心測試模塊,完成DAM所有指標的測試;數據處理模塊主要對儀表的測試數據和采集板的采集數據進行分析、運算、處理。

在參數顯示模塊里,有兩種顯示模塊。一是圖表顯示,包括接收測試時被測信號的時域波形、頻域頻譜圖、I/Q信號的李薩圖,發射測試時發射信號的時域脈沖波形及頻域的頻譜圖;二是數據報表顯示,測試結果經過精度轉化、格式轉化,填充顯示在各項指標的測量表格中。

在VC平臺下,軟件的主要功能是實現測量數據的報表輸出,它通過網絡通信模塊與Lab View平臺建立連接,將下位機發送的包含有測試結果的數據包進行解析。此外,由于測試回路中功分器、開關、電纜等器件具有插損,因此VC平臺中包含一個存儲校準數據的數據庫,用以對測量結果進行修正。最后,將最終測試數據以模板化的形式顯示出來,并且以EXCEL文件格式存儲到計算機。

3 系統測量不確定度分析

3.1 測量不確定度的主要來源

不確定度是計量測試的基本問題,任何計量測試都不可避免地存在著不確定度[6]。不確定度是測量精度或可信程度的反應,不確定度小,測量精度越高,本文選取接收增益這項指標進行分析。

接收增益是通過信號源在DAM的前端施加射頻激勵信號,后端通過采集后,再測量出插損,通過軟件計算得到的。其不確定度主要來源有:

1)插損測量重復性引入的標準不確定度;

2)矢網校準引入的不確定度;

3)信號源幅度不精確引入的不確定度。

3.2 標準不確定度的計算

1)測量重復性引入的標準不確定度評定分量u1

由于信號或指示不穩定、不重復等各種隨機因素,造成測量不具有重復性,通常采用實驗標準偏差來表征,用A類評定方法評定。

首先測量信號源輸出口到DAM盲插口的插損,用矢網對其重復測量10次,測試數據如下:

實驗標準偏差利用下式計算:

2)矢網校準引入的不確定度u2

3)信號源幅度不精確引入的不確定度u3

用B類方法評定,根據信號源AV1464A的說明書得知其誤差則由此引起的標準不確定度u3如下:

4)合成標準不確定度的評定

以上各分量相互獨立各不相關,可知其合成標準不確定度uc如下:

本系統對所測試指標的不確定度都進行了分析,由于篇幅原因,其他指標只給出分析結果。

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

4 實測結果

測試系統完成設計后,連接被測件進行了測試驗證。經過實測,該測試系統能夠完成DAM發射、接收等所有技術指標的測試,如圖6所示。在自測模式下完成4路DAM測試的時間為44 min;在驗收模式下完成4路DAM測試的時間為25 min;在環境試驗模式下完成4路DAM測試的時間為21 min。同時,測試過程中儀表控制、開關控制、DAM切換等全部實現自動化,做到了“無人值守測試”。

5 結束語

圖6 指標測試界面

本文提出了一種多路DAM自動測試系統的設計和實現方法,在硬件上實現了被測件和適配器、測試機柜的高度集成,軟件上采用了上位機和下位機使用不同軟件平臺、通過UDP協議互聯的方式,設計結果滿足測試要求。目前該測試系統已應用在某重點型號雷達的科研生產中,產生了較高的經濟和社會效益,同時也為其他型號DAM的集成測試提供了可借鑒的解決方案。

[1]吳曼青.數字陣列雷達的發展與構想[J].雷達科學與技術,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自動測試系統的研制[J].雷達科學與技術,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.可擴充陣列模塊自動測試系統的研制[J].國外電子測量技術,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.雷達測試系統中數據采集接口模塊設計[J].電子技術,2016(1):77-80.

[5]張昕,張毅.DAM測試系統上位機軟件的設計與實現[J].數字技術與應用,2016(5):183.

[6]張思敏,盛永鑫.DAM測試系統校準[J].國外電子測量技術,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

李國清男,1981年12月出生于山東濟寧,2003年畢業于山東大學信息科學與工程學院電子信息工程專業,現為中國電子科技集團公司第三十八研究所高級工程師,主要從事雷達收發系統及測試技術方面的研究。

E-mail:66640996@qq.com

張 玲女,1987年4月出生于安徽宿州,2014年畢業于電子科技大學微波電路與系統專業,獲碩士學位,現為中國電子科技集團公司第三十八研究所助理工程師,主要從事雷達收發系統方面的研究。