雷達天線性能指標測試系統控制軟件設計與實現

梁朝華,鄧 斌,王晶晶,呂 偉

(空軍預警學院,湖北 武漢 430019)

0 引 言

隨著雷達裝備技術的發展,裝備機內自檢功能也越來越完善,大多數三、四代雷達裝備已經實現了對發射、接收、饋線、信號處理、錄取終端等分系統的在線監測,在裝備工作過程中能夠實時監測發射功率、接收機噪聲系數、饋線駐波比、改善因子等指標。然而,由于受環境和測試條件的限制,目前對于雷達天線波瓣這一影響雷達效能發揮的重要指標仍然無法做到在線監測[1-3]。特別是對米波雷達,環境對天線波瓣的影響更為明顯,容易造成波瓣分裂現象,導致天線性能下降,更是需要及時掌握雷達天線在實際環境中的性能變化情況。

雷達天線性能指標測試系統是專門針對雷達天線波瓣寬度、副瓣電平、零深等性能指標的快速測試而設計的一套自動測試系統[4-6]。本文針對該系統控制軟件的設計與實現,首先分析系統軟件的功能需求,然后在此基礎上提出了軟件設計的基本框架,最后分別從系統軟件流程、數據處理算法、系統界面設計等3個方面給出軟件設計的具體方案。

1 系統軟件功能需求

雷達天線性能指標測試系統由硬件、軟件2個部分組成。其中,系統硬件主要由頻譜分析儀、射頻信號源、波瓣測試儀、數據采集板、光電轉換器、交換機、測量控制計算機等部件構成,如圖1所示。系統軟件安裝在測量控制計算機內,主要完成硬件設備的控制,以及測量數據的采集、顯示、存儲和分析。根據雷達天線性能指標的實際測試需求,系統軟件應具備以下功能:

圖1 雷達天線接收方向圖測試系統的基本組成框圖

(1) 測量設備“初始化”功能:能夠配置測量設備的網絡地址、端口號,自動識別測量設備身份,恢復測量設備出廠狀態設置。

(2) 測量設備“參數設置”功能:能夠設置測量設備的頻率、功率等參數。

(3) “數據采集”功能模塊:能夠采集頻譜分析儀、數據采集卡的幅度信息數據集以及波瓣測試儀的方位信息數據。

(4) “數據顯示”功能模塊:能夠以直角坐標繪圖方式顯示采集得到的天線方向圖測量數據。

(5) “數據存儲”功能模塊:能夠將測量得到的天線方向圖數據按指定的數據結構存儲。

(6) “數據分析”功能模塊:能夠處理采集得到的測量數據,分析得到天線性能測量結果,自動生成“天線性能測試報告”。

2 系統軟件基本架構

為提高通用性、可移植性,系統軟件采用虛擬儀器軟件構架,按照硬件層、驅動層、應用層3層結構進行設計。這使得測試系統驅動程序和硬件變得透明,也使得復雜底層的總線控制協議和通信協議變得更為公開,可在射頻儀器提供的驅動程序基礎上通過簡單的二次開發來完成系統軟件設計。軟件系統基本架構如圖2所示。圖中,系統軟件由硬件層、驅動程序層、應用程序層構成。

圖2 系統軟件架構圖

(1) 硬件層。在硬件層,系統中的射頻儀器(頻譜分析儀、射頻信號源等)、數據采集卡、波瓣測試儀等測量設備通過以太網中的TCP/IP協議與控制計算機進行遠程通訊,實現系統軟件對測量設備的遠程控制。

(2) 驅動層。其主要包含接口驅動程序、射頻儀器驅動程序、數據采集卡驅動程序,控制計算機通過驅動層相關程序,實現對相應測量設備的控制。

(3) 應用層。依據系統軟件設計中的功能定義,應用層主要包含6項功能,分別是測量設備初始化、測量設備參數設置、數據采集、數據顯示、數據存儲、數據分析等6個功能模塊[5]。各功能模塊的具體定義如下:

(a) “初始化”功能模塊:用于測量設備IP地址、網絡端口號的初始化設置,實現控制計算機與測量設備(包括頻譜分析儀、射頻信號源等射頻儀器,以及數據采集卡和波瓣測試儀)之間的網絡通訊,完成測量設備的身份識別。在完成網絡設置和身份識別后,可進行測量設備復位,使其恢復到出廠默認的工作狀態。

(b) “參數設置”功能模塊:用于實現測量設備頻率、功率以及數據采集時間等參數的設置。其中,頻譜分析儀的參數設置主要包括中心頻率、頻率跨度、起始頻率、終止頻率、幅度參考電平、掃描時間、掃描方式等,射頻信號源的參數設置主要包括頻率、功率以及調制開關、射頻開關等。

(c) “數據采集”功能模塊:用于實現雷達天線各種測試數據的采集。具體而言,主要通過控制計算機實現頻譜分析儀、數據采集卡幅度信息數據的采集,以及波瓣測試儀方位信息數據的采集。

(d) “數據顯示”功能模塊:用于實時顯示和后處理顯示采集得到的測量數據。其中,實時顯示是將天線測試過程中實時采集到的天線方位碼、接收通道信號功率幅度值等方向圖數據,以曲線的形式實時顯示在計算機終端上。后處理顯示是將經分析處理后得到的天線方向圖數據顯示在計算機終端上,用以判別天線性能(可根據指標要求在方向圖上設置“波束寬度”“副瓣電平”達標檢測線)。天線方向圖通常在直角坐標系(以方位碼為X軸,幅度值為Y軸)上進行繪制。

(e) “數據存儲”功能模塊:用于將天線測試得到的數據按指定的數據結構完成存儲,以便于后期的數據分析、處理、調用。天線方向圖數據通常以“方位碼-功率值”的格式進行存儲。

(f) “數據分析”功能模塊:用于對采集得到的數據進行分析處理,得到天線的各項性能參數的分析結果,同時自動生成“天線性能測試報告”。具體而言,就是根據所采集的數據進行天線方向圖主、副瓣的識別,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數的自動計算,并依據指標要求自動評判測量結果是否滿足要求。在“天線性能測試報告”中,通常給出被測雷達天線方向圖,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數的測量結果,并根據技術指標要求給出被測雷達天線是否滿足要求的測試結論。

3 系統軟件設計與實現

下面分別從系統軟件流程、數據處理算法和主界面設計等方面討論系統的具體設計。

3.1 系統軟件流程

系統軟件主要實現對系統硬件設備的初始化、參數設置等控制,實現測量數據的采集、顯示、保存和處理分析。由此,可依據“測試設備初始化→測試設備參數設置→數據采集→數據顯示→數據保存→數據分析”的基本流程進行設計,如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

軟件啟動后,第1步,進行系統“初始檢查”,檢查各種測量設備是否在線,如果相關設備未在線,將給出提示信息,重新設置網絡IP地址和端口號;如果相關設備在線則進行設備初始化。第2步,進行測量設備“參數設置”,按測試要求完成射頻儀器頻率、功率等參數設置。第3步,進行“數據采集”,通過控制計算機實現頻譜分析儀的測量數據、數據采集卡的測量數據和波瓣測試儀方位數據的采集。第4步,進行“數據顯示”,將天線測試過程中實時采集到的天線方位碼、接收通道信號功率幅度值等方向圖數據,以曲線的形式實時顯示在計算機終端上。第5步,進行“數據存儲”,將天線測試得到的數據按“方位碼-功率值”的格式進行存儲。第6步,進行“數據分析”,對采集/存儲的數據進行天線方向圖主、副瓣的識別,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數的自動計算,并依據指標要求自動評判測量結果是否滿足要求。最后,如果測量結果滿足要求,則打印測試報告,結束測量;如果測量結果不滿足要求,則可選擇再次進行測量。

3.2 數據處理算法

雷達天線方向圖測量數據的處理是系統軟件在數據處理上的核心,其處理過程如圖4所示。第1步,首先利用頻譜分析儀、數據采集卡、波瓣測試儀等測量設備的采集數據得到遠場方向圖數據。第2步,對遠場方向圖數據在幅度與角度兩維完成遍歷查詢,查詢方向圖的最大幅度電平值及其相應的角度數據,該角度值就是被測相控陣天線的波束指向角。第3步,在波束指向角的兩邊查詢比最大方向圖幅度電平下降3 dB的幅度值以及相應的角度值,2個角度差值作為相控陣天線的波束寬度。第4步,在最大輻射電平的兩邊分別查詢方向拐點的幅度值作為相控陣天線的副瓣電平值。最后,顯示波束指向角、波束寬度、副瓣電平等性能參數的分析結果。

圖4 方向圖數據處理流程

3.3 主界面的設計

系統軟件主界面依據系統軟件的主要功能進行合理規劃。其中,將測量設備初始化、參數設置2項功能統一規劃為“測量設備初始化與參數設置區”,將天線方向圖數據采集、顯示、存儲3項功能統一規劃為“數據采集、顯示與存儲區”。另外,針對數據分析功能中自動生成測試報告的要求,在“數據分析區”的基礎上增加測試報告查看和打印頁面。

采用QT軟件開發平臺設計的系統軟件主界面如圖5所示。圖中,軟件系統框架遵循Windows程序設計標準,軟件框架中保留滾動條、狀態欄等。界面通過輸入框實現測量設備參數的設置與更改,可實現天線波瓣測量數據的動態顯示,完成預先設定的所有參數的測量與數據處理功能。

圖5 系統軟件主界面

4 系統軟件功能驗證

為檢驗系統功能,依托該系統對某型L波段兩坐標雷達反射面天線的接收性能進行了測量。測量時首先按照圖1的方式將待測天線、測試用天線、頻譜儀、信號源等硬件設備通過光纜、網線和信號饋線等線纜進行連接。隨后把信號源和頻譜儀IP地址設置為與計算機IP地址的網段相同,如計算機IP地址為192.168.1.1,則可將信號源和頻譜儀的IP地址分別設置為“192.168.1.23”和“192.168.1.24”,并點擊“連接信號源”“連接頻譜儀”,使其與計算機建立連接并能正常通信。再根據雷達技術說明書提供的技術指標,將信號源的頻率設置為994.0 MHz,功率設置為13 dBm;將頻譜儀的起始頻率設置為984.0 MHz,終止頻率設置為1 003.0 MHz,中心頻率設置為994.0 MHz,依次點擊“設置頻率”“設置功率”“設置中心頻率”“設置起始頻率”“設置終止頻率”。最后點擊“開始采數”,軟件即可自動生成天線波束最大值、水平副瓣電平和水平波束寬度。測試結果如圖6所示(關鍵指標如圖6右下角粗線框內所示),測得該天線水平副瓣電平-36.6 dB(技術指標要求<-33 dB),計算出天線的水平波束寬度為6°(技術指標要求為6°±1.5°),均符合雷達天線技術指標要求。

圖6 天線性能指標測試結果

以上測試僅需1名工作人員在0.5 h內即可完成,相較于以往需要2名人員耗時近3 h才能測得天線接收性能的傳統方法而言,該方法不僅大大提高了測試效率,同時還降低了人工判讀造成的誤差。

5 結束語

雷達天線性能指標測試系統,是專門針對雷達天線方向圖測試而設計的一套自動測試系統,主要用于實際環境中快速測量雷達天線波瓣寬度、副瓣電平、零深等參數。本文圍繞該系統控制軟件的設計,分析了系統軟件的功能需求,提出了軟件設計的基本框架,從系統軟件流程、數據處理算法、系統界面設計等方面給出具體的軟件設計方案,并進行了實際運用。結果表明,該控制軟件具有界面直觀、操作便捷、交互性好等優點,配合系統硬件可實現雷達天線性能指標的快速、準確測量,具有較高的實用價值與良好的推廣前景。