[NI技術(shù)]基于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)

1、NI技術(shù)基于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)圖1 SSR自動測 試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖Author (s):Vishwanath Kalkur - Mondeep Duarah - 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, The Challenge:運用PXI模塊化儀 器和LabVI

2、EW 軟件開發(fā)二次監(jiān)視雷 達自動測試系統(tǒng)。The Solution: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(zhuǎn)天線發(fā) 射出1030MHZ 的詢問脈沖信號。如 果目標發(fā)現(xiàn)了詢問脈 沖，其異頻雷達收發(fā) 機會返回

3、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 一個標準的應答脈沖 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)計算出目標的距離 和方位角。當今的雷達在配置到 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)。

4、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(wǎng)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。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。目標返回脈 沖由NI PXI- 5671矢量信號發(fā) 生器（VSG）產(chǎn)

5、 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。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

6、，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 時間（PRT）為 5ms。 TX頻率穩(wěn)定性 （1030MHz + 0.03 MHz） 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

7、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1/8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

8、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(zhuǎn)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(shè)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(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 標的應答RF脈沖

9、。 用戶可以選擇設(shè)定應 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(jù)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(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 應答。這種三應答脈 沖是分開可配置的，

10、 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5描述了 具有距離延遲、方位 和編碼仿真的應答脈 沖產(chǎn)生。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，目標的應 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)目標的信息 碼、高

11、度、國家代碼 計算出目標的距離與 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，雷達內(nèi) 部產(chǎn)生的仿真目標， 矢量信號發(fā)生器模擬 的基于詢問脈沖的仿 真目標。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 位選擇的應答脈沖仿 真、 TTL視頻信 號獲取、解碼應答幀 的過程。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GU

12、I，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。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 供包括目標仿真、原 始視頻獲取、目標探 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多路復用器 對系統(tǒng)進行升級，以 避免線纜和連接過 長。NI合作伙伴是獨立 于NI的商業(yè)實體， 與NI無代理、 合 伙或合資關(guān)系。Author Information:Vishwanath K