基于PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件，開發(fā)二次監(jiān)視雷達(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖1 SSR自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

"相比于早期手動(dòng)連接的臺(tái)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(dá)(SSR)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，用戶可以節(jié)省90%的雷達(dá)測(cè)試時(shí)間。相比于其它基于傳統(tǒng)盒式儀器的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，在有效節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，此種設(shè)計(jì)還可為用戶節(jié)省60%的成本。"

- Vishwanath Kalkur, Captronic Systems Pvt Ltd

挑戰(zhàn)：運(yùn)用PXI模塊化儀器和LabVIEW軟件開發(fā)二次監(jiān)視雷達(dá)自動(dòng)測(cè)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(jì)一種用戶自定義的且可擴(kuò)展的方案，以測(cè)試?yán)走_(dá)的全部功能。

與主雷達(dá)不同，二次監(jiān)視雷達(dá)(SSR)可以通過建立雙向通信連接，收集包括身份、高度、國(guó)家代碼等信息，以計(jì)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(gè)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(dá)的雙向旋轉(zhuǎn)天線發(fā)射出1030MHZ的詢問脈沖信號(hào)。如果目標(biāo)發(fā)現(xiàn)了詢問脈沖，其異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)會(huì)返回1090MHz的幀脈沖。地面基站的雷達(dá)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(guó)家代碼等信息。以詢問回答為依據(jù)，飛行器回復(fù)一個(gè)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(duì)于北方或者前進(jìn)方向的位置為依據(jù)計(jì)算出目標(biāo)的距離和方位角。

當(dāng)今的雷達(dá)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(cè)試。我們基于NI PXI模塊化儀器開發(fā)出的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的功能測(cè)試，該系統(tǒng)同時(shí)還可以測(cè)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(cè)試包括：目標(biāo)模擬器與雷達(dá)間以1090MHz頻率通信、視頻信號(hào)檢測(cè)、基于合成的TTL邏輯視頻信號(hào)的雷達(dá)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(yùn)動(dòng)的。圖1為連接到SSR的自動(dòng)測(cè)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(gè)NI PXI-1042八槽機(jī)箱和一個(gè)NI PXI-8196嵌入式控制器。通過設(shè)置雷達(dá)工作在發(fā)送模式或接收模式，來實(shí)現(xiàn)發(fā)送器或者接收器功能;同時(shí)通過FPGA平臺(tái)產(chǎn)生和模擬外部的天線信號(hào)以及方位角計(jì)數(shù)脈沖。目標(biāo)返回脈沖由NI PXI-5671矢量信號(hào)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(cè)試的示波器板卡從接受器獲得視頻解調(diào)信號(hào)。系統(tǒng)還可以通過NI PXI-5661矢量信號(hào)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(hào)功率和脈沖參數(shù)。通過FPGA的數(shù)字信號(hào)輸入端口采集雷達(dá)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(dá)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(guó)家代碼。圖2展示了連接到SSR上的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的細(xì)節(jié)原理圖。

每個(gè)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(dá)內(nèi)建有收發(fā)器模塊，為了保護(hù)設(shè)備，在RX測(cè)試中，我們選擇關(guān)掉雷達(dá)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(hào)分析儀)和VSG(矢量信號(hào)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(hào)。

測(cè)量參數(shù)

TX參數(shù)

雷達(dá)外部的TX通過衰減器連接到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的矢量信號(hào)分析儀。通過帶有門限的正弦脈沖進(jìn)行射頻傳輸，脈沖寬度近似于1us，脈沖重復(fù)時(shí)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(shí)間(ns)

• 下降時(shí)間(ns)

• 頻譜

RX參數(shù)

雷達(dá)中的RX接收矢量信號(hào)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(gè)同步脈沖都與詢問脈沖同步。在矢量信號(hào)發(fā)生器和FPGA的觸發(fā)端口接收到同步脈沖后，矢量信號(hào)發(fā)生器輸出RF脈沖。RX視頻輸出與示波器板卡相連，來測(cè)量以下的RX參數(shù)：

• 接收器靈敏度

• 接收器帶寬

• 接收器動(dòng)態(tài)范圍

• 接收器頻率穩(wěn)定性

• 相位差測(cè)量

• 接收鏈操作敏感性(STC)

• 接收鏈旁瓣抑制(RSLS)

功能測(cè)試

在功能測(cè)試中，系統(tǒng)產(chǎn)生類似于方位和ACP的天線模擬信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)模擬出靜態(tài)或者沿著軌跡運(yùn)動(dòng)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(dá)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(duì)RX進(jìn)行功能測(cè)試，這一過程會(huì)用到基于同步信號(hào)的矢量信號(hào)發(fā)生器。在這種情況下，ATE(自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)將會(huì)充當(dāng)來自于天線的目標(biāo)信號(hào)發(fā)生器。每一次詢問都會(huì)通過連接到矢量信號(hào)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行仿真。當(dāng)目標(biāo)準(zhǔn)備好仿真后，一旦方位角計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)到達(dá)FPGA，并且雷達(dá)已獲得下一個(gè)同步觸發(fā)信號(hào)之后，矢量信號(hào)發(fā)生器便會(huì)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(huì)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(yùn)動(dòng)和沿著軌跡運(yùn)動(dòng)。用戶可以配置不同軌跡的移動(dòng)路線。系統(tǒng)可以在同一個(gè)矢量信號(hào)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(gè)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(gè)應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)中脈沖的個(gè)數(shù)是由GUI中選定的詢問模式所決定。每一個(gè)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(hào)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(yīng)答脈沖產(chǎn)生。

雷達(dá)掃描變換器

系統(tǒng)通過FPGA板卡獲得和處理來自于雷達(dá)的TTL形式的視頻信號(hào)，目標(biāo)的應(yīng)答脈沖由雷達(dá)的接收器進(jìn)行解碼，同時(shí)原始視頻信號(hào)在雷達(dá)的處理單元中進(jìn)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(dú)脈沖在FPGA中進(jìn)行解碼。由于接收器會(huì)同時(shí)接收到一些來自于天線的噪音信號(hào)，在所需范圍中會(huì)產(chǎn)生一些無用的噪音脈沖，設(shè)計(jì)者開發(fā)出一種新型算法以剔除噪音脈沖，并且解碼真實(shí)的幀信息。FPGA隨后根據(jù)目標(biāo)的信息碼、高度、國(guó)家代碼計(jì)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(shí)目標(biāo)，雷達(dá)內(nèi)部產(chǎn)生的仿真目標(biāo)，矢量信號(hào)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(jìn)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(hào)獲取、解碼應(yīng)答幀的過程。

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

天線仿真

FPGA產(chǎn)生的北向標(biāo)識(shí)脈沖和FPGA數(shù)字IO產(chǎn)生的ACP可以提供天線模擬。設(shè)計(jì)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(duì)于北向的旋轉(zhuǎn)角度偏差計(jì)算出的方位角數(shù)值，以便對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行仿真。

軟件特性

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

通過NI平臺(tái)減少雷達(dá)測(cè)試時(shí)間

相比于早期手動(dòng)連接的臺(tái)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，用戶可以節(jié)省90%的雷達(dá)測(cè)試時(shí)間。相比于其它基于傳統(tǒng)盒式儀器的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，在有效節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，此種設(shè)計(jì)還可為用戶節(jié)省60%的成本。另外，該新系統(tǒng)使用一個(gè)NI PXI矢量信號(hào)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(cè)等完整的功能性測(cè)試，使之成為一個(gè)閉環(huán)的測(cè)試系統(tǒng)。

我們計(jì)劃升級(jí)該系統(tǒng)，采用自動(dòng)切換的方式，測(cè)試?yán)走_(dá)的6個(gè)冗余端口。為此我們將使用NI PXI-2596 SP6T多路復(fù)用器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以避免線纜和連接過長(zhǎng)。

圖2 SSR及其自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)原理圖

圖3 目標(biāo)仿真器軟件界面

圖4 雷達(dá)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

圖6 測(cè)試序列