"相比于早期手動連接的臺式設(shè)備，通過使用NI PXI模塊化儀器和LabVIEW開發(fā)的二次監(jiān)視雷達(SSR)自動測試系統(tǒng)，用戶可以節(jié)省90%的雷達測試時間。相比于其它基于傳統(tǒng)盒式儀器的自動測試設(shè)備，在有效節(jié)省時間的同時，此種設(shè)計還可為用戶節(jié)省60%的成本。"

- Vishwanath Kalkur, Captronic Systems Pvt Ltd

挑戰(zhàn):

運用PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件開發(fā)二次監(jiān)視雷達自動測試系統(tǒng)。

解決方案:

通過使用NI PXI模塊化儀器和NI LabVIEW FPGA模塊，設(shè)計一種用戶自定義的且可擴展的方案，以測試?yán)走_的全部功能。

與主雷達不同，二次監(jiān)視雷達(SSR)可以通過建立雙向通信連接，收集包括身份、高度、國家代碼等信息，以計算出目標(biāo)飛行器的距離和方位角。SSR被工程師應(yīng)用于軍用航空和民用航空中，前者通常包括一個敵友鑒別系統(tǒng)。

SSR可以工作在多種模式，以獲取目標(biāo)的信息。系統(tǒng)通過雷達的雙向旋轉(zhuǎn)天線發(fā)射出1030MHZ的詢問脈沖信號。如果目標(biāo)發(fā)現(xiàn)了詢問脈沖，其異頻雷達收發(fā)機會返回1090MHz的幀脈沖。地面基站的雷達將產(chǎn)生詢問脈沖并要求目標(biāo)根據(jù)模式A/3A、模式C或模式S返回諸如身份、高度、國家代碼等信息。以詢問回答為依據(jù)，飛行器回復(fù)一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答脈沖格式。系統(tǒng)便能以速度-距離關(guān)系、旋轉(zhuǎn)天線相對于北方或者前進方向的位置為依據(jù)計算出目標(biāo)的距離和方位角。

當(dāng)今的雷達在配置到軍用航天設(shè)備或民用航天設(shè)備之前都需要通過嚴(yán)格的測試。我們基于NI PXI模塊化儀器開發(fā)出的自動測試系統(tǒng)以實現(xiàn)雷達的功能測試，該系統(tǒng)同時還可以測試接收器(RX)和發(fā)送器(TX)的物理參數(shù)，包括：接收器帶寬、接收器靈敏度、發(fā)送器功率、發(fā)送器脈沖等參數(shù)。功能測試包括：目標(biāo)模擬器與雷達間以1090MHz頻率通信、視頻信號檢測、基于合成的TTL邏輯視頻信號的雷達掃描變換器顯示，以及局域網(wǎng)通信。來自于目標(biāo)和多目標(biāo)模擬器的返回脈沖，或是靜止的或沿著軌道運動的。圖1為連接到SSR的自動測試系統(tǒng)的整體框圖。

圖1 SSR自動測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

系統(tǒng)概覽

我們開發(fā)的系統(tǒng)包含一個NI PXI-1042八槽機箱和一個NI PXI-8196嵌入式控制器。通過設(shè)置雷達工作在發(fā)送模式或接收模式，來實現(xiàn)發(fā)送器或者接收器功能;同時通過FPGA平臺產(chǎn)生和模擬外部的天線信號以及方位角計數(shù)脈沖。目標(biāo)返回脈沖由NI PXI-5671矢量信號發(fā)生器(VSG)產(chǎn)生，脈沖頻率為1090MHz。系統(tǒng)通過用于接收器功能測試的示波器板卡從接受器獲得視頻解調(diào)信號。系統(tǒng)還可以通過NI PXI-5661矢量信號分析儀(VSA)獲得大功率傳輸?shù)腞F脈沖，以分析發(fā)送器的信號功率和脈沖參數(shù)。通過FPGA的數(shù)字信號輸入端口采集雷達處理單元所產(chǎn)生的合成TTL視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被用于雷達掃描變換器以便在極坐標(biāo)上顯示目標(biāo)的距離、方位、信息碼，高度和國家代碼。圖2展示了連接到SSR上的自動測試系統(tǒng)的細節(jié)原理圖。

圖2 SSR及其自動測試系統(tǒng)的詳細原理圖

每個觸發(fā)脈沖和同步脈沖都與SSR所產(chǎn)生的RF詢問脈沖同步。由于雷達內(nèi)建有收發(fā)器模塊，為了保護設(shè)備，在RX測試中，我們選擇關(guān)掉雷達的發(fā)送器。TX和RX端口共享連接到天線上的相同物理端口。VSA(矢量信號分析儀)和VSG(矢量信號發(fā)生器)連接到這一相同的物理端口，這樣便可以代替天線的功能，生成和采集1090MHz和1030MHz的RF信號。

測量參數(shù)

TX參數(shù)

雷達外部的TX通過衰減器連接到自動測試系統(tǒng)的矢量信號分析儀。通過帶有門限的正弦脈沖進行射頻傳輸，脈沖寬度近似于1us，脈沖重復(fù)時間(PRT)為5ms。

· TX頻率穩(wěn)定性(1030MHz + 0.03MHz)

· 脈沖峰值功率(2.0KW)

· 脈沖重復(fù)周期(ms)

· 輸出功率模式和PRF穩(wěn)定性

· 輸出功率選擇與分段

· 脈沖間距

· 脈沖波形

· 脈沖占空比(0.01%至66%)

· 脈沖寬度(us)

· 脈沖上升時間(ns)

· 下降時間(ns)

· 頻譜

RX參數(shù)

雷達中的RX接收矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生的RF脈沖，這一脈沖與觸發(fā)/同步脈沖是同步的。每一個同步脈沖都與詢問脈沖同步。在矢量信號發(fā)生器和FPGA的觸發(fā)端口接收到同步脈沖后，矢量信號發(fā)生器輸出RF脈沖。RX視頻輸出與示波器板卡相連，來測量以下的RX參數(shù)：

· 接收器靈敏度

· 接收器帶寬

· 接收器動態(tài)范圍

· 接收器頻率穩(wěn)定性

· 相位差測量

· 接收鏈操作敏感性(STC)

· 接收鏈旁瓣抑制(RSLS)

功能測試

在功能測試中，系統(tǒng)產(chǎn)生類似于方位和ACP的天線模擬信號。系統(tǒng)會模擬出靜態(tài)或者沿著軌跡運動的多目標(biāo)的不同方位角與距離，并且在掃描轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序上顯示異頻雷達收發(fā)器的方位角與距離。

目標(biāo)仿真

我們可以通過目標(biāo)仿真對RX進行功能測試，這一過程會用到基于同步信號的矢量信號發(fā)生器。在這種情況下，ATE(自動測試設(shè)備)將會充當(dāng)來自于天線的目標(biāo)信號發(fā)生器。每一次詢問都會通過連接到矢量信號發(fā)生器觸發(fā)端和FPGA上的觸發(fā)脈沖同步。用戶可以通過配置距離與方位角等信息對目標(biāo)進行仿真。當(dāng)目標(biāo)準(zhǔn)備好仿真后，一旦方位角計數(shù)器數(shù)據(jù)到達FPGA，并且雷達已獲得下一個同步觸發(fā)信號之后，矢量信號發(fā)生器便會生成目標(biāo)的應(yīng)答RF脈沖。用戶可以選擇設(shè)定應(yīng)答的編碼與模式，在指定的距離和方位角下便會產(chǎn)生遵循一定模式的脈沖，目標(biāo)物體可以被仿真為靜態(tài)運動和沿著軌跡運動。用戶可以配置不同軌跡的移動路線。系統(tǒng)可以在同一個矢量信號發(fā)生器中仿真出不同距離與方位角的多目標(biāo)。根據(jù)用戶的要求，將不同的編碼模式應(yīng)用于不同的應(yīng)答脈沖，應(yīng)答脈沖是寬度450ns、間隔1us的脈沖序列。每一個目標(biāo)的應(yīng)答幀的結(jié)構(gòu)，都是在序列的開始與結(jié)尾有F1和F2脈沖，每一個應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)中脈沖的個數(shù)是由GUI中選定的詢問模式所決定。每一個同步脈沖根據(jù)選擇的詢問模式可以有不同模式的應(yīng)答。這種三應(yīng)答脈沖是分開可配置的，并且可以由矢量信號發(fā)生器根據(jù)各同步脈沖產(chǎn)生。圖3描述了具有距離延遲、方位和編碼仿真的應(yīng)答脈沖產(chǎn)生。

圖3 目標(biāo)仿真器軟件界面

雷達掃描變換器

系統(tǒng)通過FPGA板卡獲得和處理來自于雷達的TTL形式的視頻信號，目標(biāo)的應(yīng)答脈沖由雷達的接收器進行解碼，同時原始視頻信號在雷達的處理單元中進行處理，這一處理器可以提供能代表應(yīng)答幀的合成TTL脈沖。

這一幀結(jié)構(gòu)由具有精確寬度的單獨脈沖在FPGA中進行解碼。由于接收器會同時接收到一些來自于天線的噪音信號，在所需范圍中會產(chǎn)生一些無用的噪音脈沖，設(shè)計者開發(fā)出一種新型算法以剔除噪音脈沖，并且解碼真實的幀信息。FPGA隨后根據(jù)目標(biāo)的信息碼、高度、國家代碼計算出目標(biāo)的距離與方位。

系統(tǒng)可以接收合成TTL視頻，其格式要求為：從天線獲得的真實目標(biāo)，雷達內(nèi)部產(chǎn)生的仿真目標(biāo)，矢量信號發(fā)生器模擬的基于詢問脈沖的仿真目標(biāo)。

圖4展示了FPGA中掃描變換器的解碼過程。圖5描述了ACP、通過FPGA進行北向仿真、觸發(fā)/同步脈沖獲取、基于距離和方位選擇的應(yīng)答脈沖仿真、 TTL視頻信號獲取、解碼應(yīng)答幀的過程。

圖4 雷達掃描變換器

圖5 北向、ACP來自DUT的觸發(fā)同步脈沖、應(yīng)答幀仿真、合成SSRTTL視頻

矢量信號發(fā)生器所產(chǎn)生的調(diào)制脈沖包含一個1030MHz的RF載波。

天線仿真

FPGA產(chǎn)生的北向標(biāo)識脈沖和FPGA數(shù)字IO產(chǎn)生的ACP可以提供天線模擬。設(shè)計者通過創(chuàng)建基于LabVIEW的用戶可配置GUI，設(shè)置脈沖寬度、PRT和根據(jù)相對于北向的旋轉(zhuǎn)角度偏差計算出的方位角數(shù)值，以便對天線參數(shù)進行仿真。

軟件特性

設(shè)計者開發(fā)了一系列模塊化的、可編輯的測試序列來測試整體功能。用戶可以選擇自動或手動模式進行個體參數(shù)測試。通過診斷面板，用戶可以使用PXI設(shè)備進行回溯或者自定義測試。圖6描述了自動測試系統(tǒng)中的測試系列。

圖6 測試序列

通過NI平臺減少雷達測試時間

相比于早期手動連接的臺式設(shè)備，通過使用NI PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件開發(fā)的SSR自動測試系統(tǒng)，用戶可以節(jié)省90%的雷達測試時間。相比于其它基于傳統(tǒng)盒式儀器的自動測試設(shè)備，在有效節(jié)省時間的同時，此種設(shè)計還可為用戶節(jié)省60%的成本。另外，該新系統(tǒng)使用一個NI PXI矢量信號發(fā)生器便代替了脈沖發(fā)生器和調(diào)制器，且該系統(tǒng)可以提供包括目標(biāo)仿真、原始視頻獲取、目標(biāo)探測等完整的功能性測試，使之成為一個閉環(huán)的測試系統(tǒng)。

我們計劃升級該系統(tǒng)，采用自動切換的方式，測試雷達的6個冗余端口。為此我們將使用NI PXI-2596 SP6T多路復(fù)用器對系統(tǒng)進行升級，以避免線纜和連接過長。