基于LXI總線技術的靶載干擾機綜合保障系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

(中國人民解放軍91851部隊， 遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

靶載干擾機作為靶彈電子對抗的重要裝備，能夠伴隨靶彈飛行對預定雷達實施近距離干擾，在提高靶彈突防概率和實戰(zhàn)化試訓效果等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。隨著技術的進步，靶載干擾機工作模式日益豐富，技術水平不斷提升。傳統(tǒng)的干擾機測試系統(tǒng)一般采用雷達模擬器等專用設備搭建，通用性差，拓展能力有限，人工操作較多，制約著干擾機保障能力和戰(zhàn)備水平的提高。

本文采用LXI總線測試技術和通用化儀器構建了一套性能先進、結構靈活的靶載干擾機綜合保障系統(tǒng)，實現(xiàn)了干擾機的自動測試與維護，滿足靈活多變的使用要求，縮短維修保障時間，有效提升了電子對抗保障裝備的技術水平和層次。

1 系統(tǒng)總體架構設計

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

靶載有源干擾機是發(fā)射或轉發(fā)射頻干擾信號的電子設備，根據(jù)其工作原理及使用維護要求[3]，系統(tǒng)應具有以下具體功能：

1)對干擾機輸入通道進行檢測，主要包括接收靈敏度、接收動態(tài)范圍、信號適應能力等的測試；

2)對干擾機輸出通道進行檢測，主要包括發(fā)射機功率、輸出動態(tài)范圍及信號品質、干擾樣式及指標等的測試；

3)對干擾機整機性能進行綜合檢測，主要包括系統(tǒng)反應時間等的測試；

4)具備通過天線及饋線進行干擾機開路(外場)測試的功能；

5)具備自檢、標校、歷史測試數(shù)據(jù)綜合分析等功能。

1.2 系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)利用LXI系統(tǒng)開放性的特點，以太網(wǎng)(Ethernet)和程控儀器為基礎，構建了一套實時性好、結構靈活的模塊化測控平臺。系統(tǒng)建立了可擴展的測試儀器陣列，每個測試儀器陣列中的測試儀器是系統(tǒng)的一個網(wǎng)絡節(jié)點[4-5]，通過擴展測試儀器陣列完成激勵信號產(chǎn)生和響應信號檢測。被測干擾機射頻信號可用高頻電纜與可擴展儀器陣列有線連接，即采用注入式測試模式[6]進行檢測。也可通過收發(fā)無線連接，采用輻射式測試模式進行檢測。用戶可以柔性擴充或更換測試儀器陣列中的測試儀器，不受儀器數(shù)量和放置地點的限制，有效提高儀器模塊利用率，擺脫傳輸距離的限制，實現(xiàn)外場遠距離測試和發(fā)射陣地技術保障。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件組成與結構

測試儀器陣列以程控儀器為核心，集成機柜、檢波器、衰減器、收發(fā)天線等組件，程控儀器主要包括射頻信號源、頻譜分析儀、功率計、程控電源等。系統(tǒng)硬件組成與結構見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件組成與結構示意圖

射頻信號源輸出的射頻信號由功分器分為三路信號，一路輸出給被測干擾機作為測試激勵信號，一路經(jīng)下變頻后輸出給示波器用于時域分析；一路輸出給功率計用于功率計量。干擾機輸出的射頻響應信號經(jīng)衰減和功分后也分為三路信號，分別輸出給示波器、頻譜儀和功率計用于信號時域、頻域和功率域分析。示波器使用射頻信號源提供的調制脈沖同步信號作為觸發(fā)源，以穩(wěn)定捕獲幅度小、信噪比差的檢波信號。頻譜分析儀使用射頻信號源提供的10 MHz參考信號作為內部本振源的參考，可消除由于兩個獨立參考源的漂移造成的頻率測量誤差。路由器用于將程控儀器與測試計算機連接，構成一個統(tǒng)一的測控整體。

2.2 主要硬件選型與設計

1)射頻信號源:系統(tǒng)選用AV1464掃頻信號源，可產(chǎn)生連續(xù)波信號、常規(guī)脈沖信號、脈內調制信號，輸出信號的頻率、功率、調制方式、信號產(chǎn)生等參數(shù)由測試計算機靈活控制。

2)示波器: 系統(tǒng)選用DSO-X 4052數(shù)字示波器，具有兩個模擬通道，可同時顯示、測量檢波后激勵信號與干擾機反饋信號的時域特性，并對兩者波形的細節(jié)特征進行比較。

3)頻譜分析儀:系統(tǒng)選用AV4051信號/頻譜分析儀，配合115 dB程控步進衰減器選件，可以完成射頻信號的頻域特性分析功能。

4)功率計:系統(tǒng)選用AV2436單通道微波功率計，搭配AV81702探頭，可完成射頻信號脈沖功率和平均功率的測量。

5)功分器:系統(tǒng)設計了兩個互相獨立的功分器組，輸入通道和輸出通道各一個，每個功分器組均采用分頻段覆蓋方式，滿足全頻段的工作頻率要求，主要用途如下：

①將信號源輸出的測試信號進行分路，分別饋入被測設備和相關檢測儀器，實現(xiàn)信號的同步監(jiān)測；

②將被測設備的輸出信號進行分路，分別饋入被測設備和相關檢測儀器，實現(xiàn)對被測干擾機輸出信號的包絡監(jiān)測和輸出信號功率測量。

6)檢波器:系統(tǒng)采用全頻段檢波器，用于獲得被測射頻信號的包絡。

7)衰減器:系統(tǒng)選用11713C程控衰減器，由粗調和精調兩組相互獨立的衰減組件組成。調組件最大衰減90dB，衰減增量10dB；精調組件最大衰減30 dB，衰減增量為1 dB，滿足不同的功率適配需求，確保測試儀器安全。

主要程控儀器如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要程控儀器列表

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件結構設計

在靶載干擾機綜合保障系統(tǒng)中，硬件用來提供信號的輸入輸出，是系統(tǒng)設計的基礎；軟件的架構和實現(xiàn)方法決定著系統(tǒng)的功能與規(guī)模[7]，是整個系統(tǒng)設計的關鍵。靶載干擾機綜合保障系統(tǒng)軟件的設計思想是模塊化、層次化和通用化，符合VISA 標準，便于日常維護和功能擴展[8]。

系統(tǒng)選用Windows7操作系統(tǒng)和Labwndows/CVI軟件構建了一個開放式的軟件平臺。軟件框架由3個層次組成。第一個層次是用戶界面，其功能是進行人機交互，選擇測試項目、顯示測試結果及進行人機對話。第二個層次是測試主控模塊，包括接收通道測試主控模塊、發(fā)射通道測試主控模塊、整機測試主控模塊、開路測試主控模塊和設備維護主控模塊五部分，其功能是負責各測試項目的管理與調度。第三個層次是測試功能模塊，包括自檢模塊、儀器控制模塊、信號產(chǎn)生模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等，其功能是接受主控模塊的調度，完成系統(tǒng)自檢、儀器管理、信號分析處理、數(shù)據(jù)存儲等具體功能。軟件通過采用這種結構，使其通用性、擴充性和維護性都較強。軟件系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 測試應用軟件結構示意圖

3.2 儀器控制模塊設計

儀器控制模塊采用SCPI(可程控設備的標準命令)實現(xiàn)與程控儀器的底層通信與控制功能。應用面向測試功能(信號)，而不是描述儀器操作的方法，作對程控命令的數(shù)據(jù)格式、響應消息、語法結構、關鍵詞定義的方式給出了標準化的定義。其控制語句只與測試儀器的功能及其性能、精度有關，而與儀器硬件組成、制造廠家、通信物理連接硬件環(huán)境和測試程序編寫環(huán)境等均無關，使相同功能的儀器具有相同的程控命令，實現(xiàn)了測試軟件的通用性[9-10]。

SCPI控制語句命令分為通用命令和儀器特定命令兩種類型。通用命令用來管理宏、狀態(tài)寄存器、同步和數(shù)據(jù)存儲，進行復位、同步等整體控制，儀器特定命令負責儀器的具體操作。儀器控制模塊對SCPI控制功能進行封裝后提供給其它功能模塊使用。

3.3 信號產(chǎn)生模塊設計

信號產(chǎn)生模塊負責激勵信號的產(chǎn)生與控制，包括信號源初始化、信號參數(shù)設置和信號開關控制3個子模塊。信號信號參數(shù)子模塊中的設置參數(shù)包括信號樣式、信號頻率、信號功率、調制方式4種類型。

射頻信號產(chǎn)生模塊編程語句符合SCPI規(guī)范，主要語句有以下幾條，其中“vi_xhy”為射頻信號源的ID號：

viPrintf(vi_xhy,"output off "); // 射頻關

viPrintf(vi_xhy,":OUTP:MOD ON ");//面板調制開

viPrintf(vi_xhy,"PULM:INT:PWIDTH %lf us ", F0);// 設置信號源脈寬為F0

viPrintf(vi_xhy,"PULM:INT:PERIOD %lf us ", F1));//設置信號源重周為F1

viPrintf(vi_xhy,"FREQ %lf MHz ", FSet)；//設置信號源頻率為FSet

viQueryf(vi_xhy,"FREQ? ","%le",&FRead)；查詢信號源頻率

while(fabs(FSet-FRead) < R0)

viPrintf(vi_xhy,"output on ")；

//如果信號源頻率設置值與查詢值之差小于某一設定值R0，則認為信號源頻率參數(shù)設置正確，打開射頻開關。

3.4 信號處理模塊設計

信號處理模塊負責干擾機測試激勵信號和反饋信號的分析處理。由于靶載干擾機測試涉及信號數(shù)量眾多、型態(tài)各異，信號處理模塊根據(jù)測試指標的不同進行分類處理。對于信號的脈沖寬度、重頻周期等時域信號檢測項目，信號處理模塊調用示波器函數(shù)進行測量并將測試結果回報測試主控模塊。對于接收靈敏度、干擾功率、雜散等頻域和功率域信號檢測項目，信號處理模塊調用頻率分析儀、功率計函數(shù)進行測量并將測試結果回報測試主控模塊。對于干擾時序等邏輯關系的檢測，信號處理模塊將測量的邏輯信號接入硬件觸發(fā)總線，對復雜邏輯信號進行自動判斷。

在自動測試過程中，被測信號往往疊加各種噪聲和干擾信號，增加了信號處理模塊檢測處理的難度。尤其快速變化信號的時間測量和脈寬測量，由于毛刺、突跳等干擾波形與正常波形在一定程度上可比擬，嚴重影響檢測的準確性和置信度。信號處理模塊采取以下方法實現(xiàn)了程控儀器的精細調節(jié)，解決了信號處理難題。

1)精確定義時間測量點閾值:為提高時間測量精度，系統(tǒng)對時間測量點設置低、中和高3種閾值，如圖4所示。低閾值和高閾值之間的時差表征信號的上升或下降時間；信號前后沿兩個中閾值點之間的時差表征信號的脈寬。系統(tǒng)默認這3個閾值分別為信號最高值與最低值之間的10%、50% 和 90%。當被測波形由于受到干擾產(chǎn)生畸變時，默認的測量時間點閾值難以滿足測量精度要求，系統(tǒng)可根據(jù)波形形態(tài)進行更精確的設定。按百分比定義時間測量點的程控命令語句基本格式為":MEASure:DEFine THResholds,PERCent,N1,N2,N3"，其中N1、N2、N3分別為重新定義的低、中、高時間測量點閾值。

2)實時調整屏幕顯示范圍:為提高脈寬測量精度，系統(tǒng)采用了多次測量和屏幕顯示范圍實時調整相結合的方法。在測量前，系統(tǒng)先對被測波形寬度進行預估和試測，不斷比較試測脈沖寬度和屏幕顯示范圍，實時調整屏幕時基以適應信號寬度的變化。當信號形態(tài)在屏幕上顯示完整清晰后，再進行正式測量，可取得較為精確的測量結果，測試界面如圖5所示。調整時基的程控命令語句基本格式為":TIMebase:RANGe N4"，其中N4為時基設置值。

精確脈寬測量的主要語句如下，其中“vi_sbq”為示波器的ID號：

viPrintf(vi_sbq,"*RST ");//重啟示波器

viPrintf(vi_sbq, ":AUTOSCALE ");//設置示波器為自動模式

viPrintf(vi_sbq, ":MEASure:SOURce CHAN1 ");//選擇通道1為測量源

viPrintf(vi_sbq, ":MEASure:DEFine THResholds,PERCent,8,55,92 ")

//按百分比重新設置時間測量點閾值

viQueryf(vi_sbq,":TIMebase:NWidth? ", "%lf",&N5);//試測通道1的脈沖寬度

viQueryf(vi_sbq,":TIMebase:RANGe? ", "%lf",&N6); //讀取當前全屏的測量基準

while(fabs(N5*2) < fabs(N6))

viPrintf(vi_sbq, ":TIMebase:RANGe %lf ",N6); //調整屏幕測量基準以適應信號脈寬變化

viQueryf(vi_sbq,":TIMebase:NWidth? ", "%lf",&N5);//進行脈沖寬度的正式測量

圖4 時間測量點示意圖

圖5 脈沖寬度測試界面

3.4 數(shù)據(jù)庫模塊設計

數(shù)據(jù)庫模塊將每次設備開機及測試的各種分散數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的格式保存管理起來，形成一個有機的整體。數(shù)據(jù)庫的存儲數(shù)據(jù)類型不但包括數(shù)值、文本等常規(guī)類型，還包括各種波形數(shù)據(jù)。各測試項測試條件(如起始頻率、終止頻率、脈寬、重頻周期、樣本個數(shù)等)、判別依據(jù)也存儲在數(shù)據(jù)庫中，主控模塊通過調用該模塊，與上下限值比較，判斷參數(shù)是否合格，然后將結果返回用戶界面。為增加測試精確性，數(shù)據(jù)庫模塊保存了天線增益表和電纜損耗表，按每100 MHz校準了測試高所需各高頻電纜的損耗值，按500 Mz校準了寬頻段天線的增益值，供測試與標校時調用。

3.5 試驗結果分析

在聯(lián)調測試和試運行過程中，該系統(tǒng)在操作人員減少一半的情況下，使靶載干擾機測試維護時間縮短45%，人工參與環(huán)節(jié)減少80%，測試精度高，可靠性好。

4 結束語

本文采用LXI總線測試技術和通用化儀器，構建了一套性能先進、結構靈活的靶載干擾機綜合保障系統(tǒng)，實現(xiàn)了靶載干擾機的自動測試與維護。試驗結果表明，采用LXI總線技術構建綜合保障系統(tǒng)，符合靶載干擾機測試維護的客觀要求，有利于提升干擾機的綜合保障水平，實際應用意義較大。