雷達接收設備靈敏度自動化測試系統設計與實現

張 令

（中國電子科技集團公司第二十九研究所,四川 成都 610036）

雷達接收設備是截獲、跟蹤輻射目標的主要電子載荷設備,因其跟蹤目標距離遠,跟蹤角速度大,精度高,抗干擾能力強,被廣泛應用于裝備領域[1]。當前由于實際工作環境復雜,對電子載荷精度要求高,因此,對雷達接收設備指標和可靠性也越來越高。雷達接收設備的靈敏度是考核雷達接收設備跟蹤目標源的基本參數指標,需要對該指標精準和快速測試,實現對該指標準確考核[2-3]。過去,由于搭建環境設備多,設置參數頻繁,多采用手動測試方式完成,存在設備控制效率低,人工肉眼對數據讀取存在差異。因此,該指標測試準確性無法把握。

隨著自動化測試技術和儀器控制技術的不斷深入發展,雷達接收設備靈敏度自動化測試需求被提上日程。基于參數配置項CSCI可以實現軟件對靈敏度參數配置,從而為靈敏度自動化測試提供一種重要的解決方案[4-5]。

本文采用成熟的C++Builder6.0軟件在Windows系統上應用CSCI設計ini文件對靈敏度指標參數加載測試面板。利用GPIB-USB-H驅動實現對硬件環境的設備儀器及計算機連接,實現對儀器自動控制和參數下發。利用嵌入靈敏度算法將測試結果顯示在UI界面或者報表輸出供用戶查看,同時在記錄指標測試過程中上報原始數據供用戶分析和查看。

1 靈敏度測試原理和計算方法

雷達接收設備靈敏度是指雷達接收設備能對目標建立穩定蹤跡所必須的來自目標的輸入參數門限值,即正常工作時穩定截獲目標接收機可接收最弱信號強度。通常換算為功率表示,單位dBm。因此,在工作頻帶內每個中心頻率都對應一個靈敏度值。通常,靈敏度越高,雷達接收設備對目標識別距離越遠,但提高靈敏度又增加了技術難度、成本和設計復雜度[6-10]。

雷達接收設備靈敏度通常在暗室采用遠場測試方法,確保雷達接收設備與輻射目標在同一高度水平線上,啟動雷達接收設備穩定截獲目標,接收機收到目標信號參數穩定不變,然后減小輻射信號源的輸出功率,直到雷達接收設備接收機無法截獲目標。然后逐步增加信號源輸出功率,雷達接收設備重新穩定截獲目標,記下此時信號源輸出功率。該穩定截獲目標需要判斷設備狀態參數、捕獲目標信號的參數穩定性。以一定步進長度,遍歷整個工作頻率范圍,記下對應中心頻率的功率,通過下面頻點靈敏度計算公式：

式中：

SZi-雷達接收設備系統靈敏度,dBmW；

PZimin-雷達接收設備正常工作時射頻信號源輸出的最小功率電平,dBmW；

Gi-發射天線增益,dB；

Pi-雷達接收設備接收機接收到功率,dBmW；

△Li-射頻信號源和發射天線連接電纜損耗,dB；

L-大氣損耗,1dB；

i-頻率測試點序號（i＝1……n）。

2 暗室測試環境和硬件搭建

2.1 暗室環境

由于靈敏度測試需要在無電磁干擾環境下進行,因此,需要在暗室中進行,同時需要滿足遠場距離要求。將雷達接收設備固定在轉臺上,設備與通過UPort 1250及通訊電纜與PC機連接,直流電源與其設備供電,PC機通過RS232串口與轉臺通信,與設備處于同一水平線上的發射天線與信號源連接,信號源與PC機通過GPIB卡或者網口連接,實現對信號源的控制,見圖1。

圖1 暗室靈敏度測試環境

2.2 儀器選擇

根據雷達接收設備自身工作特點和靈敏度性能測試指標參數,選擇合適的儀器。直流電源需要考慮最大輸出功率、輸出電壓范圍、通道路數和上下電電壓電流特性,也可考慮GPIB程控需求。信號源需要考慮頻率范圍、調制特性,功率范圍以及信噪比等,要考慮GPIB或者網線程控要求。射頻電纜需要測量其插損,電磁信號無泄漏。發射天線選擇滿足工作頻率范圍,天線增益需要測試記錄。PC機需要安裝相應C++Builder6.0、Matlab2010以及GPIB-USB-H卡和UPort 1250驅動程序,二維轉臺可以實現設備在方位和俯仰上二維控制。

3 軟件CSCI設計

3.1 CSCI總體設計

該設計總體思想是通過配置測試環境參數和測試指標項的CSCI設計,通過軟件后臺計算實現對靈敏度指標閾值判斷,并將執行消息顯示和測試結果輸出,實現文件存儲、人機交互和參數可配置。主控軟件采用C++Builder開發,調用VISA接口庫來實現對直流穩壓電源、信號源和轉臺控制,并封裝成動態端口庫、儀器庫、轉臺庫進行調用,見圖2。

圖2 CSCI輸入/輸出數據流圖

3.2 CSCI詳細設計

由靈敏度測試原理和計算方法可知,靈敏度測試需要配置對應設備參數和儀器參數。設備需要加載目標庫、設備狀態、靈敏度合格范圍；信號源設置信號參數、起始功率和步進；穩壓電源給設備供電,不參與測試過程,因此,可手動控制設置輸出電壓值和電流保護限制。將相應的發射天線增益和射頻電纜插損及空間衰減,暗室遠場距離等參數在用戶界面UI采用ini文件記錄配置,用于測試前加載測試參數到測試面板,用戶也可在界面根據實際環境變化修改參數并保存用于后續測試,如圖3所示。

圖3 靈敏度測試執行流程圖

雷達接收設備測試軟件包括端口庫、儀器庫、轉臺庫、數據庫及自動測試模塊,如圖4所示。

圖4 CSCI單元組成

詳細各單元組成、標識符和用途如表1所示。在測試前需要完成對端口庫調用,完成設備、轉臺、儀器之間的通信連接。調用儀器庫完成對信號源控制。調用轉臺庫實現對轉臺控制,調用庫和設備狀態控制庫實現對數據庫設置及雷達接收設備狀態控制,以上完成對環境參數設置。最后調用靈敏度指標測試完成靈敏度測試。

表1 CSCI單元標識符和用途

根據靈敏度測試原理和計算公式,首先雷達接收設備工作狀態,向轉臺發控制指令,使雷達接收設備正對發射天線,根據ini文件參數完成對信號源頻點設置,設置雷達接收設備數據庫,確保被測頻點在數據庫內。設置初始信號源功率值P0,啟動雷達接收設備測試,正常接收信號,根據上報狀態是否捕捉目標信號,再根據上報信號的特征判斷是否穩定截獲,如果是,減小信號源功率直到無法正常截獲,記錄下此時信號源功率PZimin。如果無法正常截獲,則增加信號源功率直到正常截獲記下此時信號源功率PZimin,并將該功率填入標簽中。根據ini文件參數,依次進行下一個頻點測試。詳細流程如圖5所示。

圖5 雷達接收設備靈敏度測試程序流程圖

4 靈敏度自動化測試的應用

根據上述結果流程,完成靈敏度自動化測試軟件設計,在某型號雷達接收設備上進行實際應用,如圖6所示。

圖6 靈敏度自動測試軟件界面

對比該型號設備超過30次的靈敏度測試,對比手動和自動測試結果,測試一致性好。不考慮準備時間,手動測試該型號設備指標需要40min,采用該軟件測試,單套設備不超過10min,詳細測試結果見表2所示。

表2 自動實測靈敏度和手動實測靈敏度對比

根據提示更換對應編號天線,點擊確定后程序自動運行,測試該編號天線所覆蓋的測試頻點。各頻點測試結果在測試面板上實時更新,并保存測試結果文件。測試過程中的雷達接收設備數據自動存儲為數據文件。點擊編輯靈敏度計算參數表按鈕,自動打開靈敏度計算參數表文件,根據實際測試情況編輯頻率、天線增益、插損、合格線等測試參數,參數表對應測試環境,當測試環境改變時,比如更換標準增益天線、更換射頻電纜等,需重新填寫該表。

在軟件設計上增加了用戶友好界面設計,當測試人員在參數設置超界或者無效,更換發射天線等操作,界面將彈出窗口提示錯誤,流程如圖7所示,彈出窗口如圖8所示。

圖7 異常與錯誤處理流程

圖8 用戶提示標簽

5 結論

本文從雷達接收設備靈敏度測試原理和計算以及應用需求出發,通過基于CSCI設計了雷達接收設備靈敏度自動化測試軟件,并通過手動和自動測試驗證了這一結果,證明基于CSCI設計的雷達接收設備靈敏度測試能有效提高測試準確度和效率。同時,該軟件具有擴展和通用性,為其他復雜指標測試提供了解決手段。