作者：Vishwanath Kalkur, Mondeep Duarah - Captronic Systems Pvt Ltd 
圖1 SSR自動測試系統的整體架構圖 "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開發的二次監視雷達(SSR)自動測試系統，用戶可以節省90%的雷達測試時間。相比于其它基于傳統盒式儀器的自動測試設備，在有效節省時間的同時，此種設計還可為用戶節省60%的成本。" - Vishwanath Kalkur, Captronic Systems Pvt Ltd 挑戰：運用PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件開發二次監視雷達自動測試系統。 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。 SSR可以工作在多種模式，以獲取目標的信息。系統通過雷達的雙向旋轉天線發射出1030MHZ的詢問脈沖信號。如果目標發現了詢問脈沖，其異頻雷達收發機會返回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模塊化儀器開發出的自動測試系統以實現雷達的功能測試，該系統同時還可以測試接收器（RX）和發送器（TX）的物理參數，包括：接收器帶寬、接收器靈敏度、發送器功率、發送器脈沖等參數。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的自動測試系統的整體框圖。 系統概覽 我們開發的系統包含一個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送模式或接收模式，來實現發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矢量信號發生器（VSG）產生，脈沖頻率為1090MHz。系統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上的自動測試系統的細節原理圖。 每個觸發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器模塊，為了保護設備，在RX測試中，我們選擇關掉雷達的發送器。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接收矢量信號發生器產生的RF脈沖，這一脈沖與觸發/同步脈沖是同步的。每一個同步脈沖都與詢問脈沖同步。在矢量信號發生器和FPGA的觸發端口接收到同步脈沖后，矢量信號發生器輸出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 • 接收器動態范圍 • 接收器頻率穩定性 • 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，系統產生類似于方位和ACP的天線模擬信號。系統會模擬出靜態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生器。每一次詢問都會通過連接到矢量信號發生器觸發端和FPGA上的觸發脈沖同步。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信號之后，矢量信號發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。系統可以在同一個矢量信號發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生器根據各同步脈沖產生。圖5描述了具有距離延遲、方位和編碼仿真的應答脈沖產生。 雷達掃描變換器 系統通過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。 這一幀結構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，在所需范圍中會產生一些無用的噪音脈沖，設計者開發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隨后根據目標的信息碼、高度、國家代碼計算出目標的距離與方位。 系統可以接收合成TTL視頻，其格式要求為：從天線獲得的真實目標，雷達內部產生的仿真目標，矢量信號發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/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。 矢量信號發生器所產生的調制脈沖包含一個1030MHz的RF載波。 天線仿真 FPGA產生的北向標識脈沖和FPGA數字IO產生的ACP可以提供天線模擬。設計者通過創建基于LabVIEW的用戶可配置GUI，設置脈沖寬度、PRT和根據相對于北向的旋轉角度偏差計算出的方位角數值，以便對天線參數進行仿真。 軟件特性 設計者開發了一系列模塊化的、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測試。通過診斷面板，用戶可以使用PXI設備進行回溯或者自定義測試。圖6描述了自動測試系統中的測試系列。 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備，通過使用NI PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件開發的SSR自動測試系統，用戶可以節省90%的雷達測試時間。相比于其它基于傳統盒式儀器的自動測試設備，在有效節省時間的同時，此種設計還可為用戶節省60%的成本。另外，該新系統使用一個NI PXI矢量信號發生器便代替了脈沖發生器和調制器，且該系統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，使之成為一個閉環的測試系統。 我們計劃升級該系統，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多路復用器對系統進行升級，以避免線纜和連接過長。
圖2 SSR及其自動測試系統的詳細原理圖
圖3 目標仿真器軟件界面
圖4 雷達掃描變換器
圖5 北向、ACP來自DUT的觸發同步脈沖、應答幀仿真、合成SSRTTL視頻
圖6 測試序列 |
