虛擬儀器在數(shù)字陣列天線測試中的應(yīng)用

   摘要：在現(xiàn)代雷達(dá)和民用通訊領(lǐng)域，數(shù)字陣列天線是當(dāng)前的一大研究熱點(diǎn)。但是陣列系統(tǒng)的多天線單元和多收發(fā)通道必然帶來陣列系統(tǒng)的誤差。所以，天線交付前都要準(zhǔn)確獲得其相對幅相誤差的分布。而一般的天線測試系統(tǒng)通用性較差，測試工作量大。我們利用虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺-LabVIEW和NI支持的數(shù)字信號采集卡，編制具有友好人機(jī)交互界面的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視VI(虛擬儀器)，可以實(shí)現(xiàn)陣列天線測試過程中的通道監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集，大大簡化數(shù)字天線陣列的測試工作量。開發(fā)的系統(tǒng)極大縮減了陣列天線的測試周期。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；數(shù)字天線陣列VI(Virtual Instrument)

O 引言
    LabvlEw是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(laboratory virtual instrument engineering workbench)的簡稱，是美國NI公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW作為軟件化儀表在數(shù)據(jù)采集及控制、數(shù)據(jù)分析和顯示等方面具有強(qiáng)大的功能，其支持的信號接口卡豐富，用戶能夠快捷方便地對各個(gè)輸入數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行即時(shí)設(shè)置和調(diào)試，程序運(yùn)行結(jié)果也十分直觀。數(shù)字天線陣列是天線和數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它具有工作方式靈活、抗干擾性能卓越和超角分辨等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此其在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。一般陣列天線校正和波瓣測量需要采集大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次循環(huán)計(jì)算，工作效率低且動用的儀器設(shè)備眾多。
    因此在數(shù)字陣列天線測試中，LabVIEW的優(yōu)勢十分明顯，它可以實(shí)現(xiàn)對大量通道信號同時(shí)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析等工作，這樣既節(jié)省了資源，也簡化了測試過程提高了工作效率。

1 系統(tǒng)簡介
    在系統(tǒng)接收端，接收天線各單元通道將接收到的信號通過接收前端放大后，直接送到數(shù)字接收機(jī)和采集計(jì)算機(jī)。由數(shù)據(jù)采集卡對接收機(jī)輸出的I／Q信號和天線方位等機(jī)械參數(shù)、觸發(fā)信號進(jìn)行采集和控制，并最終在終端控制處理計(jì)算機(jī)上計(jì)算出天線波瓣圖，系統(tǒng)工作過程如圖1所示。

    在測試過程中，我們采用LabVIEIW設(shè)計(jì)用戶圖形界面，負(fù)責(zé)通道監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集。LabVIEW中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采集硬件、硬件驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)等組成。安裝的硬件驅(qū)動程序包含了硬件可以接受的操作命令，在使用這些硬件之前，根據(jù)需要進(jìn)行硬件和軟件設(shè)置，以滿足采樣頻率等方面的要求。在本系統(tǒng)中我們采用NI公司的PCI-6534采集卡，LabVIEW通過控制數(shù)據(jù)采集卡對接收機(jī)輸出的IQ信號以及其它機(jī)械參數(shù)等進(jìn)行采集。在完成采集卡的設(shè)置后，我們就可以進(jìn)行采集和通道監(jiān)控等工作了。

2 通道監(jiān)視
    由于整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)通道構(gòu)成，為了保證在校正過程中各個(gè)通道處于正常工作狀態(tài)，在校正開始前我們需要對通道進(jìn)行檢查。同時(shí)，由于本系統(tǒng)工作頻帶位于民用通信頻帶內(nèi)，為了避免民用通信信號對校正過程的影響我們也需要對外界電磁信號進(jìn)行監(jiān)視。因此，通道監(jiān)視是確保校正順利進(jìn)行的重要一部。圖2是通道監(jiān)視VI的前面板界面，圖3是通道監(jiān)視Ⅵ的框圖。在前面板(圖2)中使用了Dialog Tab Control控件，使我們可以在多通道同時(shí)監(jiān)控和單通道觀測間切換。在該VI中，除了可以直觀監(jiān)視各個(gè)通道是否正常工作外，我們還可以測量、比較各個(gè)通道功率增益的差異并完成對通道時(shí)域信號幅度、IQ信號正交度等信息的監(jiān)控。

    在通道監(jiān)視Ⅵ的框圖(圖3)中，我們通過COM組件法在后臺調(diào)用了MATLAB數(shù)學(xué)處理軟件。它完成的主要任務(wù)是將采集卡輸出的多個(gè)通道串行數(shù)據(jù)流按通道進(jìn)行分組，并根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析等工作，這些功能加快了程序運(yùn)行速度，提高了該Ⅵ數(shù)據(jù)處的能力和靈活性。

3 外校正數(shù)據(jù)采集
    在確定各個(gè)通道都處于正常工作狀態(tài)，并且沒有外界電磁干擾的情況下，就可以開始進(jìn)行外校正了。
3．1 串口數(shù)據(jù)采集子Ⅵ
    為了完成外校正，在數(shù)據(jù)采集過程中必須實(shí)時(shí)獲取天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方位。這里我們通過串口來采集天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的碼盤值，獲得天線實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)方位。
    其中的串口采用的是RS232，D型口，其中利用2、3和5三跟針腳，一個(gè)是發(fā)送、一個(gè)是接收，一個(gè)是接地。在Labview中采用的visa，首先是進(jìn)行串口設(shè)置，設(shè)置串口號，波特率，其中特別注意的是要安裝visa驅(qū)動包，只有安裝了這個(gè)驅(qū)動包，串口才可以選擇。
    圖4和圖5是串口數(shù)據(jù)采集子VI及其框圖中(串口采集部分)。配合定北儀測量結(jié)果，通過該子VI我們可以獲得天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)碼盤值、天線方位和法線方位。

3．2 數(shù)據(jù)采集VI
    數(shù)據(jù)采集是測試過程中最基本也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的前面板如圖6。在數(shù)據(jù)采集Ⅵ中我們不但可以控制采集的起止還可以通過在前面板修改參數(shù)控制采集數(shù)據(jù)的長度，從幾十千到幾十兆都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集。

3．3 外校正數(shù)據(jù)采集VI
    在有了串口數(shù)據(jù)采集子VI，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集VI，通過合理控制數(shù)據(jù)采集長度，我們就可以最終完成外校正數(shù)據(jù)采集。圖7是外校正數(shù)據(jù)采集VI的前面板，在這里我們可以指定外校正測試的頻率和數(shù)據(jù)的存儲路徑，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)視天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的碼盤值和天線的法向指向，并根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)停止數(shù)據(jù)的采集。圖8是外校正數(shù)據(jù)采集VI的框圖。

4 結(jié)束語
    通過以上幾個(gè)主要程序和其他一些輔助程序，我們完成了在天線測試過程中從通道監(jiān)視到最后外校正數(shù)據(jù)采集一個(gè)完整的過程。本系統(tǒng)充分利用了LabVIEW在軟件化測量編程、數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢，提高了工作效率，縮短了工作時(shí)間，并經(jīng)過了實(shí)踐的驗(yàn)證。