基于LabVIEW 的通用飛機低電平掃描場測試系統設計

石國昌，廖 意，胡雅涵，陳亞南，包貴浩

（1.上海無線電設備研究所，上海 200438；2.中航通飛華南飛機工業有限公司，廣東珠海 519000）

高強輻射場（High-Intensity Radiated Field，HIRF）已成為影響飛機飛行安全的關鍵因素[1]。中國民用航空局對通用飛機的HIRF 防護[2-4]提出明確要求，但通用飛機HIRF 防護設計和試驗驗證技術尚處于起步階段，嚴重制約我國通用飛機的研制和適航[5-7]。與其他類民用飛機相比，通用飛機一般具有以下特點：1）機動靈活，飛行剖面較寬，特別是特技類飛機，與大型客機相比，操作權限較大，當遇到外部HIRF 環境時，更容易產生錯誤的干擾響應；2）外廓尺寸較小，電磁開口占外廓尺寸的面積較大，且機體結構大量采用復合材料[8]，甚至全部采用復合材料，屏蔽性能差；3）航空電子系統[9]結構簡單，價格低廉，安全等級低，抗干擾設計相對較弱，進一步增加了HIRF 防護設計的難度；4）低空空域是通用飛機飛行的主要區域，相比大型客機的高空飛行，通用飛機將會更長時間暴露于HIRF 環境中。

通用飛機的上述特點使其HIRF 防護設計難度增大。為滿足通用飛機的適航要求，保證飛機飛行安全，有必要開展通用飛機的HIRF 試驗技術研究。而作為飛機級HIRF 試驗的重要內容之一，低電平掃描場（Low Level Sweep Field，LLSF）具有測試便捷、降低飛機潛在風險等優點。目前的文獻[10-13]中可以查詢到有關LLSF 測試方法的簡要介紹，但在測試系統的硬件和軟件設計方面未開展詳細研究和分析，使得國內在自主開展整機級LLSF 測試方面能力不足。

文中基于LabVIEW 圖形化編程開發語言，重點開展低電平掃描場測試系統的設計方法研究。依據HIRF 到飛機的耦合機理，分別完成LLSF 測試系統的硬件設計和軟件控制系統開發，該系統操作簡單、自動化程度高。最后，以某型通用飛機為例，完成測試系統的應用驗證。

1 系統硬件設計

LLSF 測試是采用外部電磁波照射飛機艙室，接收天線或場強探頭置于艙室內部進行場強采集，通過與校準值對比，從而獲得飛機艙室的衰減特性。LLSF測試頻段為100 MHz～18 GHz。在該頻段，HIRF能量主要通過飛機艙室開口、縫隙等途徑，以場到場的方式進行耦合。LLSF 測試過程如圖1 所示。

圖1 LLSF測試流程

LLSF 測試系統的硬件主要由高強輻射場模擬源生成模塊、信號發射單元、場強測量單元、多通道傳輸裝置等組成，如圖2 所示。其中，高強輻射場模擬源生成模塊用于產生并輸出高強輻射場模擬信號，主要包括微波信號源和功率放大器組；信號發射單元用于發射高強輻射場模擬源生成模塊輸出的模擬信號，主要包括各頻段發射天線及可移動天線支架；場強測量單元用于接收耦合進入飛機內部艙室并在待測區域內產生均勻分布的場強，主要包括各頻段接收天線或場強探頭、攪拌器、頻譜分析儀、控制計算機等；多通道傳輸裝置用于完成多路發射和接收信號的傳輸，包括射頻轉換開關、光纖系統或低損線纜等。

圖2 LLSF測試系統硬件設計

在進行LLSF 測試時，為了有效評估飛機艙室的衰減特性，需快速獲取在外部電磁波照射下艙室內部的場強最大值。而由于飛機艙室存在駐波，艙室內不同位置場強變化較大，如圖3 所示。通常需要在艙室內安裝足夠多的接收天線/探頭，或者采用有限個接收天線在不同位置開展多次測試來尋找艙室內場強最大值，不僅耗時而且耗力。

圖3 無攪拌器時艙室內場強分布

為此，通過內置模式攪拌器[14]的方式，如圖4 所示，改變攪拌器附近的邊界條件，使得攪拌器在一個旋轉周期內接收天線/探頭位置出現的場強最大值，從而實現場統計均勻[15-16]，達到快速獲取最大值的目的。

圖4 有攪拌器時艙室內場強分布

2 系統軟件設計

LLSF 測試系統的控制軟件采用LabVIEW 圖形化編程語言進行開發，主要包括系統狀態檢查、測試系統參數設置、掃頻測試、數據保存等功能。軟件的具體設計流程如圖5 所示。

圖5 軟件設計流程

2.1 系統狀態檢查

LLSF 測試系統涵蓋設備較多，需通過軟件進行控制的設備包括微波信號源、不同頻段的功率放大器組、射頻轉換開關、頻譜分析儀等。在正式開展測試前，需確保測試系統連接正常，即控制計算機與各個設備之間VISA 接口通信正常。如圖6 所示，若系統連接異常，則提示“系統連接失敗”，并顯示異常設備，如“頻譜儀連接失敗”。

圖6 系統連接狀態檢查

2.2 測試系統參數設置

在系統狀態檢查正常之后，即可進行系統參數設置，系統參數設置主要由基本參數設置和測試設備參數設置兩部分組成。基本參數設置包括測試頻點讀入路徑、數據保存路徑、天線類型選取和天線系數等內容。由于飛機級LLSF 測試通常在外場進行，試驗環境較暗室測試更為惡劣，為了確保測試精度，需在測試前開展背景噪聲測試并將強背景噪聲所對應頻點進行剔除，將剔除后生成的頻率列表作為測試頻點進行讀取，如圖7 所示。

圖7 頻率列表頻點讀取

測試設備參數設置包括測試設備地址、發射功率、射頻輸出開關、功率放大器類型及增益、射頻開關通道、測試單位、攪拌器轉速等設置項。

2.3 掃頻測試

掃頻測試時，接收天線或場強探頭將采集到的數據通過光纖或低損線纜傳輸至頻譜儀，并將測試結果在圖像顯示區實時顯示。在測試結果出現異常時，需啟動“應急中斷”，及時結束當前的試驗狀態，在重新完成參數設置校正后，繼續開展掃頻測試，直至全頻段掃頻測試完成，如圖8 所示。

圖8 應急中斷處理

2.4 數據保存

在提示“掃頻測試”結束后，系統軟件會自動將射頻發射開關、發射功率等對人體有潛在輻射危害的設置自動關閉，并將測試頻率及其對應的場強采集數據生成二維矩陣，并保存至指定的路徑，同時將測試曲線進行圖片保存。

根據軟件設計流程，最終形成的LLSF 測試系統的軟件控制界面如圖9 所示。

圖9 LLSF測試系統軟件前面板

3 實例應用

以某型通用飛機作為試驗對象，利用基于LabVIEW 的低電平掃描場測試系統開展LLSF 驗證試驗。該型飛機的機身長度約10 m，機身為復合材料結構。其中，LLSF 試驗對象為飛機駕駛艙，測試位置點為主駕駛艙位，如圖10 所示，左邊為接收天線，右邊為攪拌器。

圖10 飛機駕駛艙測試區域

外部照射天線以0°、-45°和-90° 3 個方向照射飛機，圖11 為飛機外部電磁波照射圖，由接收天線完成艙室內部場強的實時采集，并分別開展有攪拌器、無攪拌器兩種狀態下的試驗，驗證測試系統的有效性及攪拌器的性能。

圖11 飛機外部電磁波照射圖

在測試過程中，待測飛機與發射天線之間敷設吸波材料通道，用于消除地面多路徑反射干擾的影響。艙室內部由全向接收天線進行數據采集，分別測試得到有、無攪拌器時駕駛艙的衰減特性[17-19]，測試結果如圖12 和圖13 所示。

圖12 有攪拌器時的艙室衰減特性

圖13 無攪拌器時的艙室衰減特性

在測試過程中，LLSF 測試系統運行正常，控制指令有序實施，有效完成測試任務。此外，從圖12和圖13 中可以看出，該型飛機不同照射角度下的衰減值有所區別，45°照射下的衰減值最小，發射天線輻射的部分頻段電磁波可以直接進入飛機內部，使得該頻段的衰減特性接近于0。而在0°和90°照射下，飛機機身的蒙皮材料會有一定的遮擋。同時，有攪拌器狀態下，接收天線在艙內待測位置處采集得到的場強值略高于無攪拌器狀態下的結果，攪拌器的存在有助于快速獲取艙室內的強耦合信號，能夠更為有效地評估其衰減特性。針對飛機在部分頻段下的防護能力欠缺的問題，可按照防護設計要求采取必要的修正措施，如提高艙室結構的屏蔽效能。

4 結論

通用飛機的技術特點和低成本化使其HIRF 防護需求較其他類飛機更為迫切。針對于此，文中主要解決了飛機級LLSF 測試系統的硬件設計和軟件開發問題，詳細描述了系統的硬件組成和軟件開發流程，最終建立了一套滿足適航要求的通用飛機LLSF 測試系統，可實現基于LabVIEW 的飛機級HIRF 效應多通道自動化快速測試，并以某型通用飛機為例進行了實際應用，通過試驗獲取了飛機艙體的屏蔽特性，分析了攪拌器的功能特性和防護設計的薄弱環節，也驗證測試系統的有效性，可為后續國內自主開展飛機級HIRF 效應試驗提供技術支撐。