基于PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件

相比于早期手動連接的臺式設備，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備，在有效節(jié)省時間的同時，此種設計還可為用戶節(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，設計一種用戶自定義的且可擴展的方案，以測試雷達的全部功能。

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，以計算出目標飛行器的距離和方位角。SSR被工程師應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，以獲取目標的信息。系統(tǒng)通過雷達的雙向旋轉天線發(fā)射出1030MHZ的詢問脈沖信號。如果目標發(fā)現了詢問脈沖，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生詢問脈沖并要求目標根據模式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，飛行器回復一個標準的應答脈沖格式。系統(tǒng)便能以速度-距離關系、旋轉天線相對于北方或者前進方向的位置為依據計算出目標的距離和方位角。

當今的雷達在配置到軍用航天設備或民用航天設備之前都需要通過嚴格的測試。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，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。功能測試包括：目標模擬器與雷達間以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，以及局域網通信。來自于目標和多目標模擬器的返回脈沖，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。通過設置雷達工作在發(fā)送模式或接收模式，來實現發(fā)送器或者接收器功能;同時通過FPGA平臺產生和模擬外部的天線信號以及方位角計數脈沖。目標返回脈沖由NI PXI-5671矢量信號發(fā)生器(VSG)產生，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)獲得大功率傳輸的RF脈沖，以分析發(fā)送器的信號功率和脈沖參數。通過FPGA的數字信號輸入端口采集雷達處理單元所產生的合成TTL視頻數據，這些數據被用于雷達掃描變換器以便在極坐標上顯示目標的距離、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所產生的RF詢問脈沖同步。由于雷達內建有收發(fā)器模塊，為了保護設備，在RX測試中，我們選擇關掉雷達的發(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

TX參數

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

雷達中的RX接收矢量信號發(fā)生器產生的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：

· 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的不同方位角與距離，并且在掃描轉換應用程序上顯示異頻雷達收發(fā)器的方位角與距離。

目標仿真

我們可以通過目標仿真對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(自動測試設備)將會充當來自于天線的目標信號發(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進行仿真。當目標準備好仿真后，一旦方位角計數器數據到達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)生器便會生成目標的應答RF脈沖。用戶可以選擇設定應答的編碼與模式，在指定的距離和方位角下便會產生遵循一定模式的脈沖，目標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。根據用戶的要求，將不同的編碼模式應用于不同的應答脈沖，應答脈沖是寬度450ns、間隔1us的脈沖序列。每一個目標的應答幀的結構，都是在序列的開始與結尾有F1和F2脈沖，每一個應答幀結構中脈沖的個數是由GUI中選定的詢問模式所決定。每一個同步脈沖根據選擇的詢問模式可以有不同模式的應答。這種三應答脈沖是分開可配置的，并且可以由矢量信號發(fā)生器根據各同步脈沖產生。圖3描述了具有距離延遲、方位和編碼仿真的應答脈沖產生。