測控裝備機內測試設備計量校準技術研究

張 亮 郝莉娜 何 平

（航天系統部裝備部裝備保障隊，北京100094）

1 引 言

伴隨著裝備集成化、數字化和智能化技術發展趨勢，機內測試設備已經成為測控裝備的基礎配置，提高了測控裝備指標測試、狀態判斷、故障診斷的效率，增強了測控裝備的可維護性和可靠性，拓展了系統功能，例如，S 頻段擴頻統一系統的多項參數或測試項目都是由機內測試設備完成的，如上下行中頻頻率、上行射頻鏈路發射功率和發射本振相位噪聲、下行射頻鏈路接收本振相位噪聲，同時還具備對測試頻譜、波形的顯示、記錄功能，以及向上級監控實時及事后傳輸測試頻譜、波形的功能。相應，機內測試設備的測量準確性、穩定性也將對測控裝備技術指標和測控功能造成直接影響，因此研究機內測試設備計量校準方法，獲取機內測試設備技術狀態的準確信息，實現機內測試設備的量值溯源［1，2］，對于確保測控裝備計量單位統一、量值準確可靠［3］，提高測控任務質量具有重要意義。

2 機內測試設備運行機理分析

典型機內測試設備通常由測試計算機、測試儀器、自動測試軟件、擴展板卡、測試開關等組成，結合各分系統的檢測點網絡和檢測點切換設備等，可對測控裝備的大部分指標進行測試，實現狀態判斷、故障診斷，進而形成完整的機內測試設備測試系統。通常，自動測試軟件運行在自動測試計算機上，通過儀器接口發送命令控制測試儀器的設置并讀取測試數據，實現機內測試；測試計算機通過網絡接口控制測試開關網絡，結合各分系統的檢測點網絡和檢測點切換設備等，實現自動化測試連接。基本原理如圖1 所示。

圖1 機內測試設備運行原理圖Fig.1 The operation principle of in-machine test equipment

3 機內測試設備計量校準方法

機內測試設備與測控裝備系統的各部分均有緊密聯系，不僅覆蓋面廣，而且涉及的頻率范圍較寬，要保證每項指標的測試都有較高的精度，必須對自動測試分系統及儀器進行嚴格而全面的計量校準，目的是排除系統誤差和儀器誤差，提高測試精度［4］。

3.1 校準原理

3.1.1 通用儀器校準

對集成在系統中可拆卸的通用儀器，可定期送至上級計量技術機構，按照現行有效的計量檢定規程/校準規范進行溯源。例如:頻譜分析儀可溯源至頻譜分析儀檢定裝置；信號發生器可溯源至信號發生器檢定裝置；示波器可溯源至示波器檢定裝置。

3.1.2 系統校準

對集成在系統中的電纜、開關、耦合器和連接器等引入的誤差，應將其作為一個整體，對測試鏈路進行系統級校準［5］。

如用信號源產生模擬的自動測試分系統激勵信號，通過頻譜儀或示波器采集信號，或用標準的頻譜儀或示波器直接采集機內測試設備的信號，將計量校準的數據與自動測試系統測試的數據進行比較，實現對機內測試設備的計量校準，如圖2 所示。

圖2 機內測試設備校準方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of calibration method for in-machine test equipment

3.2 校準點的選擇

校準點是校準時用的電氣連接點，包括信號測量、輸入測試激勵和控制信號的各種連接點。校準點一般應選擇在機內測試設備與各分系統的接入點，通常為耦合器的耦合口或開關矩陣的輸入/輸出口。

3.3 校準項目的設定

校準項目的設定應包含機內測試設備在實現功能時與各分系統的關鍵測試通路。按照機內測試設備與各分系統的接口關系，以及開關網絡設計的測試通路，確定主要的校準項目包括:射頻信號測試通路、本振信號測試通路、基帶信號測試通路和自測系統激勵信號測試通路等。

3.4 校準設備的選用

所選用的校準設備應滿足以下要求。

1）可通過不間斷的溯源鏈溯源到計量技術機構保存的測量標準，并應在溯源有效期內［6］；

2）能覆蓋被校準的參數和測量范圍；

3）應比被校對象具有更高的準確度，用于合格判定時，測試不確定度比一般不得低于4:1，某些專業的要求高于4:1 時，應按照相應的專業規定執行，對于達不到4:1 的專業或領域，應論證并提出合理的解決方案［7］；

4）在校準間隔內的穩定性滿足要求；

5）重復性、線性度、分辨力、靈敏度、動態特性等其他特性滿足要求；

6）安全可靠，電磁兼容性及環境適應性等其他技術性能滿足要求。

4 實驗驗證

選取某型測控裝備機內測試設備為實驗驗證對象，校準項目見表1。

表1 校準項目Tab.1 The items of calibration

4.1 通用儀器校準

對機內測試設備中通用儀器儀表，如信號發生器、頻譜分析儀等，送計量技術機構進行檢定，經檢定合格。

4.2 系統校準

4.2.1 校準方法

對機內測試設備中傳輸通路，包括激勵通路和測試通路，進行校準得出插入損耗的校準值及校準結果的不確定度，使用校準值對傳輸通路幅度測試數據進行修正。

插入損耗定義為發射機與接收機之間，插入電纜或元件產生的信號損耗。［7，9］傳輸通路插入損耗測量模型如式（1）

式中:L——傳輸通路插入損耗，dB；y0——傳輸通路輸入幅度值，即信號發生器輸出后測量接收機幅度監測值，dBm；yx——傳輸通路輸出幅度值，即頻譜分析儀測得幅度值，dBm。

對于激勵通路，y0為機內測試儀器激勵端輸入幅度值，yx為測試接入點輸出幅度值；對于測試通路，y0為測試接入點輸入幅度值，yx為機內測試儀器接收端輸出幅度值。

4.2.2 校準結果

校準結果見表2。

表2 信號通路插入損耗Tab.2 The insertion loss of signal test path

4.3 不確定度分析

本次實驗為例，測量引入的不確定度主要有以下幾方面因素的影響［10］。

1）由于連接的不重復性，系統的溫度漂移等原因引入的測量不確定度uA，其值可用測量結果的算術平均值的標準偏差表征為

2）功率探頭校準因子引入的不確定度uB1，服從正態分布，k=2；

3）功率分離器與功率探頭失配引入的不確定度uB2，功率分離器其中一個輸出端的最大反射系數，功率座的輸入反射系數0.12，功率測量時的失配誤差極限可用估計為

4）功率分離器與測量通路輸入端失配引入的不確定度uB3，功率分離器其中一個輸出端的最大反射系數=0.14，測量通路的輸入端加隔離器或衰減器后反射系數≤0.13，所以失配引入的誤差為

取（Δp）++ |（Δp）-|/2 作為區間的半寬度，a3=3.6%，服從反正弦分布，k3= 2，則有

5）測量接收機引入的不確定度uB4，測量接收機功率測量分辨力為0.001dB，按均勻分布，k= 3，即a4=0.000 5dB，則測量接收機引入的不確定度分量為

6）功率分配器輸出跟蹤引入的不確定度uB5，服從均勻分布，k=，功率分配器的輸出跟蹤為0.05dB，轉換為百分數，可得

7）頻譜分析儀測量引入的不確定度uB6，均勻分布，其幅度測量誤差為0.5dB，按均勻分布取k= 3為

轉換為百分比為

8）頻譜分析儀與測量通路輸出端失配引入的不確定度uB7，服從反正弦分布，k=

9）合成標準不確定度

10）擴展不確定度為

5 結束語

本文主要針對典型測控裝備的機內測試設備進行研究，分析運行機理，提出計量校準方法，并以某型測控裝備為例進行實驗，驗證計量校準方法的通用性和可操作性，揭示了由測量標準提供的量值與機內測試設備測試示值之間的關系，確定通過校準得到數據結果可用于修正測控裝備的測試數據，為測控裝備的系統級精準調校提供了方法指導和實驗數據參考，也可用于測控裝備性能的試驗鑒定，對于測控裝備量值準確統一、提升測控系統效能具有重要應用價值。