CN101082666B - 基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于自动化测试实现对接收合成孔径雷达信号高精度幅度调制的方法：构建以信号源、有源定标器、可编程功率计、通信控制装置组成的自动化测试系统；获取压控波形码和有源定标器输出信号功率的关系曲线；然后根据该曲线和SAR系统参数，得到补偿有源定标器幅相误差的调制波形码。本发明为满足在现有有源定标器对合成孔径雷达脉冲信号调制精度的要求，利用自动测量技术获取有源定标器的压控波形码即功率响应曲线，并根据SAR系统参数拟合调制波形码，补偿有源定标器中功率器件的非线性特性，压低了调制产生的杂波旁瓣，提高信杂比。本发明高效、可靠、精确的实现对接收合成孔径雷达脉冲信号的幅度调制。

Description

基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法

技术领域

本发明属于自动化测量技术领域，涉及一种对合成孔径雷达脉冲信号的调制方法及系统。

背景技术

基于幅度调制的有源定标器(AMT：Amplitude ModulationTransponder)是一种简单易实现的宽带有源外定标器，它对接收的合成孔径雷达SAR脉冲信号进行幅度调制，然后转发给合成孔径雷达SAR，经方位向处理之后，由于调幅，在原有多普勒频谱的上下边带分别产生镜像，该镜像不包含任何场景杂波，这样可以将外定标信号与地物杂波分离开来，精确地实现一个不受地物杂波影响的雷达收发系统、天线、传输路径和外定标器闭环测试回路，大大提高外定标的精度。利用调幅产生的镜像多普勒频谱还可以准确地估计有源定标器距离合成孔径雷达载机平台的距离，该距离信息结合差分全球定位系统/捷联惯导系统(DGPS/SINS)组合滤波可能会提供一种更高精度的运动补偿方案。因此AMT对高分辨率合成孔径雷达具有十分重要的意义。

然而实现对宽带X波段脉冲信号的精确幅度调制是困难的，由于受到目前我国自主微波器件技术水平的制约，例如有源定标器所采用的放大器输入输出功率非线性、功率控制器件非线性对调幅的影响很大，将引起调幅信号的失真，如附图1所示功率控制器件的非线性导致了正弦响应失真，产生谐波效应。这些谐波会以混叠的方式进入到调制后的多普勒频谱中，形成杂波。因此必须进行补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法，能够快速准确的补偿有源定标器AMT的非线性误差，实现对合成孔径雷达脉冲信号的高精度幅度调制，进而达到降低由非线性导致调制产生的杂波旁瓣，提高定标信号的信杂比。

本发明的第一个方面，一种基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法，该方法包括：构建自动化测试系统，通过自动化测量计算机发送的压控波形码和有源定标器输出信号功率的关系曲线，得到补偿系统非线性的调制波形码，实现对合成孔径雷达脉冲信号的高精度正弦幅度调制。

所述压控波形码经过量化，用16位2进制的压控波形码来描述压控衰减器控制信号，0-65535码值对应0-5V模拟的压控衰减控制电压；控制计算机发送压控波形码，经过有源定标器的调制模块转换成为模拟的压控衰减控制信号，用于控制有源定标器输出信号的幅度衰减。

所述调制波形码，当以该组码作为压控波形码形成调制，使得有源定标器输出信号包络电压以V₀(1+Acos(ωt))规律变化，实现压控波形码的正弦幅度调制，即生成调制波形码，其中V₀由有源定标器在调制下最大输出功率确定。

本发明的第二个方面，为实现对合成孔径雷达脉冲信号高精度调幅本发明构建了实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统，该系统包括：信号源，可编程功率计，通信控制装置，有源定标器：

信号源，将产生的X波段单频功率信号输入给有源定标器；

可编程功率计，测试有源定标器输出信号的功率值；

通信控制装置，控制计算机与待测有源定标设备之间的数据交换，通过发送数控码实现对待测有源定标器的系统增益的控制、发送压控波形码实现对待测有源定标器输出信号的幅度衰减；由通信控制装置对可编成功率计状态设置、初始化、校准，选择自动测试模式，读取并记录可编程功率计的读数和相应的压控波形码；

有源定标器，将信号源输入的X波段单频功率信号进行放大、压控衰减、数控衰减，由通信控制装置读取并记录可编程功率计读数和相应的压控波形码，得到压控波形码与有源定标器输出功率的关系曲线。

本发明的有益效果：本发明为满足在现有有源定标器(AMT)对合成孔径雷达(SAR)脉冲信号调制精度的要求，利用自动化测量技术获取有源定标器的压控波形码——功率响应曲线，并根据SAR系统参数拟合调制波形码，补偿有源定标器中功率器件的非线性特性，极大地压低了调制产生的杂波旁瓣，提高信杂比。本发明所采用的自动化测量技术方案，解决了手动测试中存在的采样点多、测试量很大、时间长、易引入人为误差和有源定标器长时间功率漂移造成误差等问题，高效、可靠、精确的实现对接收SAR脉冲信号的幅度调制。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见。附图中：

图1是现有技术功率器件的非线性导致正弦响应失真示意图

图2是本发明对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统结构图

图3是本发明实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统框图

图4是本发明实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统串口通信子程序流程

图5是本发明实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统通用接口总线(GPIB)控制子程序流程

图6是本发明基于自动化测试对合成孔径雷达脉冲信号实现高精度幅度调制的方法中调制波形码生成流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。

根据本发明一种基于自动化测试对合成孔径雷达脉冲信号实现高精度幅度调制的方法：构建自动化测试系统，通过自动化测量计算机发送的压控波形码和有源定标器输出信号功率的关系曲线，得到补偿有源定标器幅相误差的调制波形码，实现对合成孔径雷达脉冲信号的高精度正弦幅度调制。

具体地压控波形码，压控波形码经过量化，用16位2进制的压控波形码来描述压控衰减器控制信号，0-65535码值对应0-5V模拟的压控衰减控制电压；控制计算机发送压控波形码，经过有源定标器的调制模块转换成为模拟的压控衰减控制信号，用于控制有源定标器输出信号的幅度衰减。

具体地，所述调制波形码，当以该组码作为压控波形码形成调制，使得有源定标器输出信号包络电压以V₀(1+Acos(ωt))规律变化，实现压控波形码的正弦幅度调制，即生成调制波形码，其中V₀由有源定标器在调制下最大输出信号功率确定。

根据本发明的图2对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统结构图，简要介绍了自动化测试系统中待测有源定标器的系统结构框图，系统主要包括：接收及发射天线、射频模块、调制模块。系统工作流程如下：

接收天线接收合成孔径雷达脉冲信号，然后输出至射频模块进行放大、滤波；

由压控衰减器对该合成孔径雷达脉冲信号进行正弦幅度调制，使得该定标器回波信号的方位多普勒频谱两侧产生对称的镜像频谱；正弦幅度调制应满足如下关系式：

S_r(t)＝(1+A cos(ωt))S_t(t)

其中S_t(t)为接收的合成孔径雷达脉冲线性调频信号，S_r(t)为定标器调制后转发回合成孔径雷达的信号，A为调幅指数，ω为调制角频率；

由数控衰减器对该调制信号进行定量衰减来设置等效雷达横截面积RCS，然后功率放大并通过发射天线转发回给合成孔径雷达；

调制模块产生压控信号和数控信号分别控制射频模块的压控衰减器和数控衰减器。

根据本发明的图3，实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统框图所示，图中包括：信号源S31，可编程功率装置S33，通信控制装置S39，有源定标器S32；

信号源S31，将产生的X波段单频功率信号输入给有源定标器S32；

可编程功率计S33，测试有源定标器S32输出信号的功率值；

通信控制装置S39，通信控制装置S39用于与有源定标器S32之间的数据交换，通过发送数控码实现对待测有源定标器S32的系统增益的控制、发送压控波形码实现对待测有源定标器S32输出信号的幅度衰减；由通信控制装置S39对可编成功率计S33状态设置、初始化、校准，选择自动测试模式，读取并记录可编程功率计S33的读数和相应的压控波形码；

有源定标器S32，将信号源输入的X波段单频功率信号进行放大、压控衰减、数字衰减的控制，由通信控制装置S39读取并记录可编程功率计S33读数和相应的压控波形码，得到压控波形码与有源定标器S32输出功率的关系曲线。

所述信号源S31采用安杰伦科技产品；所述可编程功率计S33采用安杰伦科技产品。

所述通信控制装置S39包括：串口控制单元S35、通用接口总线(GPIB)控制单元S36、控制计算机S34、串行接口S37、通用总线接口S38，其中：

串口控制单元S35为有源定标器S32提供输入信息：

串口控制单元S35发送4bit数控码给有源定标器调制模块S322，使得调制模块S322产生数控衰减信号，数控码用4位2进制码描述有源定标器S32的数控衰减器16个状态，对有源定标器的系统增益进行固定衰减；

串口控制单元S35以预先设置的增量步进发送16bit压控波形码给有源定标器调制模块S322，使得调制模块S322产生压控衰减信号，控制有源定标器射频模块S321输出信号的幅度衰减；

串口控制单元S35发送波形装载指令S353将调制波形生成程序生成的调制波形码文件装载到调制模块S322的FPGA存储单元中；

通用接口总线控制单元S36设置自动测量的参数和模式，存储测量数据。其中：

仪器设置S361是设置可编程功率计S33的参数：复位、初始化、调零、校准等；

设置测试模式S362包括：单次模式、步进模式和文件模式；

数据存储S363：存储测量得到有源定标器射频模块S321输出功率及相应的压控波形码；

控制计算机S34是自动测试系统的运行平台，提供串口控制单元S35、通用接口总线控制单元S36的运行平台以及串口控制单元S35与有源定标器调制模块S322通信的串行接口S37、通用接口总线控制S36单元与可编程功率计S33通信的通用总线接口S38。

根据测试的需要，所述通用接口总线控制单元S36拥有三种测试模式即：

在单次模式中可以设置单个压控码，测量有源定标器射频模块S321的输出功率；

在步进模式中，在0-65535压控波形码范围内，可设置步进增量和起始、上限压控波形码，记录每个压控波形码和相应的有源定标器射频模块S321的输出功率进行数据存储；

在文件模式中，由调制波形生成算法得到的调制波形码文件为循环进行验证；

当确定了测试模式S362，通用接口总线控制单元S36将设置参数传递给串口控制单元S35，由串口控制单元S35发送相应的串口数据到有源定标器调制模块S322，形成压控衰减器和数控衰减器的控制电压，得到压控波形码与有源定标器射频模块S321输出功率的关系曲线。

如图4本发明实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统串口通信子程序流程：所述串口控制单元S35的实现步骤包括：

步骤S41：开始启动程序；

步骤S42：打开串行接口；

步骤S43：判断步骤S42送入串行接口操作类型：根据输入的字符判定三种操作类型：

当判断为16bit压控波形码则执行步骤S48，

当判断为2bit数控波形码则执行步骤S49，

当判断为文件装载则执行步骤S44；

步骤S48：发送16bit压控波形码；

步骤S410：将输入给串口控制单元S35的16bit数据发送给有源定标器调制模块S322；

步骤S49：发送4bit数控码；

步骤S410：将输入给串口控制单元的4bit数据发送给有源定标器调制模块S322；

步骤S44：文件装载；

步骤S45：根据指令提取调制波形码文件所在位置；

步骤S46：初始化有源定标器中调制模块的FPGA；

步骤S47：将文件内的二进制调制波形码依次写入有源定标器中调制模块S322的FPGA存储单元；

步骤S411：判断是否结束退出；

若是，则执行步骤S412，关闭程序；

若否，则执行步骤S43，回到判定操作类型。

如图5本发明实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统通用接口总线(GPIB)控制子程序流程图所示，所述通用接口控制单元S36的实现步骤包括：

步骤S51：启动通用接口控制单元的程序、对功率计进行初始化、调零校准，选择循环测试模式，并设置压控波形码起始值M、上限和步长，设置每次触发的时间延迟T；

步骤S52：发送起始压控波形码M给串口控制程序；

步骤S53：延迟时间T；

步骤S54：触发读取可编程功率计的功率读数；

步骤S55：判断M是否大于压控波形码上限；

若是执行步骤S56，则退出循环并存储压控波形码和功率计读数；

若是否，则压控波形码M加步长后返回步骤S52。

如图6本发明基于自动化测试对合成孔径雷达脉冲信号实现高精度幅度调制的方法中的调制波形码生成流程图所示，所述调制波形码的具体步骤如下：

步骤S61和S64：根据合成孔径雷达系统的多普勒带宽和脉冲重复频率，计算幅度调制波形的频率即调制速率ω；

步骤S62和步骤S65：根据压控衰减器的衰减深度，计算调幅指数，衰减深度决定了调制波形峰峰值的比；

步骤S63和步骤S66：根据有源定标器的调制模块FPGA的存储深度，决定采样点数N，即设定调制波形码的长度N；

步骤S611：由通用接口控制单元控制程序存储的测试数据；

步骤S67：读取功率最高点的射频信号电压V0；

步骤S68：根据以上调制速率ω、调幅指数、调制波形码长度N、功率最高点电压V0等4个参数推出理想的正弦幅度调制响应，即电压调制波形V(N)；

步骤S611和步骤S614：由测试数据可导出压控波形码与有源定标器射频模块S321的输出功率关系曲线，即：压控衰减器的衰减特性曲线；

步骤S612、步骤S69、步骤S613和步骤S610：根据电压调制波形V(N)用冒泡查找法对照压控衰减器的衰减特性曲线查找相应的压控波形码，即生成调制波形码。

具体地，举例说明：

本发明在进行测试时步骤如下，

1)设置信号源S31输出9.8GHz，功率为-40dBm的点频信号至有源定标器射频模块S321的输入；

2)通用总线接口控制程序S36对可编程功率计S33进行复位、调零、校准、单位初始化等操作；

3)输入到有源定标器射频模块S321的点频信号经过放大、压控衰减器、数控衰减器的衰减，由通用总线接口控制程序S36获取功率计S33的读数；

4)通用总线接口控制程序S36设置测试模式为循环模式，设定压控波形码起止范围8000——60000、步进50；转换成二进制即为001111101000000——111010100110000，步进110010；延时参数T设置为1秒，以保证可编成功率计S33能稳定准确读出有源定标器S32输出信号的功率值；

5)串口控制程序S35发送数控码0000给AMT调制模块S322，设置有源定标器射频模块S321增益的固定衰减为0dB；

6)启动循环测试，在每个循环内，通用总线接口控制程序S36将压控波形码传递给S35，由后者发送相应的串口数据到有源定标器调制模块S322，形成压控衰减器的压控信号；

7)在每个循环内，记录每个发送的压控波形码和相应可编成功率计S33的读数，得到压控波形码与有源定标器S32输出信号功率的关系曲线。

8)设置调制波形码生成算法的输入参数如下：SAR系统脉冲重复频率PRF＝1800，方位多普勒带宽为500Hz，压控衰减器的衰减深度30dB，采样点数N取1024点；将已经测得的压控波形码与有源定标器S32输出信号功率的关系曲线作为测试数据输入，得到由1024个压控波形码组成的调制波形码；

9)通过串口控制程序S35选择文件装载S44操作类型，根据指令提取调制波形码文件所在位置S45，初始化S46有源定标器调制模块的FPGA，将文件内的二进制调制波形码依次写入FPGA S47。

10)测试调制波形码的幅度调制指标；有源定标器调制模块S322根据其FPGA存储单元内调制波形码生成压控信号，控制有源定标器射频模块S321产生调幅信号，用频谱仪观察该调幅信号的频谱，可以验证镜像频率的偏移及杂波旁瓣的抑制。

上面描述是用于实现本发明及其实施例，各个步骤均为示例，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法，其特征在于，该方法包括：构建自动化测试系统，通过自动化测量计算机发送的压控波形码和有源定标器输出信号功率的关系曲线，得到补偿有源定标器幅相误差的调制波形码，对合成孔径雷达脉冲信号的正弦幅度调制。

2.根据权利要求1所述基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法，其特征在于，所述压控波形码经过量化，用二进制的压控波形码来描述压控衰减器控制信号，压控波形码值对应模拟的压控衰减控制电压；控制计算机发送压控波形码，经过有源定标器的调制模块转换成为模拟的压控衰减控制信号，用于控制有源定标器输出信号的幅度衰减。

3.根据权利要求1所述基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法，其特征在于，所述调制波形码，当以该组码作为压控波形码形成调制，使得有源定标器输出信号包络电压以V₀(1+Acos(ωt))规律变化，调制压控波形码的正弦幅度调制，生成调制波形码，其中起始输出信号电压V₀由有源定标器在调制下最大输出信号功率确定、A为调幅指数、ω为调制角频率。

4.一种实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统，其特征在于包括：信号源，可编程功率计，通信控制装置，有源定标器，

信号源，将产生的X波段单频功率信号输入给有源定标器；

可编程功率计，测试有源定标器输出信号的功率值；

通信控制装置，控制计算机与待测有源定标设备之间的数据交换，通过发送数控码实现对待测有源定标器的系统增益的控制、发送压控波形码实现对待测有源定标器输出信号的幅度衰减；由通信控制装置对可编成功率计状态设置、初始化、校准，选择自动测试模式，读取并记录可编程功率计的读数和相应的压控波形码；

有源定标器，将信号源输入的X波段单频功率信号进行放大、压控衰减、数字衰减的控制，由通用接口控制单元读取并记录可编程功率计读数和相应的压控波形码，得到压控波形码与有源定标器输出功率的关系曲线。

5.根据权利要求4所述实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统，其特征在于，所述通信控制装置包括：串口控制单元、通用接口控制单元、控制计算机、串行接口、通用总线接口，其中：

串口控制单元为有源定标器提供输入信息：

串口控制单元发送数控码给有源定标器的调制模块，使得调制模块产生数控衰减信号，数控码二进制码描述有源定标器的数控衰减器的状态，对有源定标器的系统增益进行固定衰减；

串口控制单元以预先设置的增量步进发送压控波形码给有源定标器的调制模块，使得调制模块产生压控衰减信号，控制有源定标器输出信号的幅度衰减；

串口控制单元发送波形装载指令将调制波形生成程序生成的调制波形码文件装载到调制模块的FPGA存储单元中；

通用接口控制单元设置自动测量的参数和模式，存储测量数据；其中：

仪器设置是设置可编程功率装置的参数为：复位、初始状态、并进行校准、单位初始化操作；

设置测试为循环模式包括：单次模式、步进模式和文件模式；

数据存储，存储测量得到有源定标器的射频模块输出功率及相应的压控波形码；

控制计算机是自动测试的平台，提供串口控制单元、通用接口总线控制单元的运行平台以及串口控制单元与有源定标器通信的串行接口、通用接口控制单元与可编程功率装置通信的通用总线接口。

6.根据权利要求5所述实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统，其特征在于，所述通用接口控制单元拥有三种测试模式即：

在单次模式中设置单个压控码，测量有源定标器的射频模块的输出功率；

在步进模式中，在压控波形码范围内，设置步进增量和起始、上限压控波形码，记录每个压控波形码和相应的有源定标器的射频模块的输出功率进行数据存储；

在文件模式中，由调制波形生成算法得到的调制波形码文件为循环进行验证；

当确定了测量模式，通用接口控制单元将设置参数传递给串口控制单元，由串口控制单元发送相应的串口数据到有源定标器的调制模块，形成压控衰减器和数控衰减器的控制电压，得到压控波形码与有源定标器的输出功率关系曲线。

7.根据权利要求5所述实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统的通讯控制方法，其特征在于包括如下步骤：

串口通信单元控制计算机与有源定标器的调制模块之间的数据交换，通过发送压控波形码和数控码，对有源定标器系统增益的自动化控制；

通用接口控制单元控制计算机与通用可编程功率计之间的数据交换，实现测试仪器状态设置、初始化、校准、测试结果记录自动化控制。

8.根据权利要求7所述实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统的通讯控制方法，其特征在于：所述串口控制单元的实现步骤包括：

步骤S41：开始启动程序；

步骤S42：打开串行接口；

步骤S43：判断步骤S42送入串行接口操作类型：根据输入的字符判定三种操作类型：

当判断为16bit压控波形码则执行步骤S48，

当判断为2bit数控波形码则执行步骤S49，

当判断为文件装载则执行步骤S44；

步骤S48：发送16bit压控波形码；

步骤S410：将输入给串口控制单元的16bit数据发送给有源定标器的调制模块；

步骤S49：发送4bit数控码；

步骤S410：将输入给串口控制单元的4bit数据发送给有源定标器的调制模块；

步骤S44：文件装载；

步骤S45：根据指令提取调制波形码文件所在位置；

步骤S46：初始化有源定标器中调制模块的FPGA；

步骤S47：将文件内的二进制调制波形码依次写入有源定标器中调制模块的FPGA；

步骤S411：判断是否结束退出；

若是，则执行步骤S412；

若否，则执行步骤S43，回到判定操作类型；

步骤S412：关闭程序。

9.根据权利要求7所述实现对雷达脉冲信号高精度调制的自动测试系统的通讯控制方法，其特征在于：所述通用接口控制单元的实现步骤包括：

步骤S51：启动通用接口控制单元的程序、对功率计进行初始化、调零校准，选择循环测试模式，并设置压控波形码起始值M、上限和步长，设置每次触发的时间延迟T；

步骤S52：发送起始压控波形码M给串口控制程序；

步骤S53：延迟时间T；

步骤S54：触发读取可编程功率计的功率读数；

步骤S55：判断M是否大于压控波形码上限；

若是，执行步骤S56；

若是否，则压控波形码M加步长后返回步骤S52；

步骤S56：退出循环并存储压控波形码和功率计读数。

10.根据权利要求1所述基于自动测试系统实现对雷达脉冲信号高精度调制的方法，其特征在于，所述调制波形码生成的具体步骤如下：

步骤S61和S64：根据合成孔径雷达系统的多普勒带宽和脉冲重复频率，计算幅度调制波形的频率即调制速率ω；

步骤S62和步骤S65：根据压控衰减器的衰减深度，计算调幅指数，衰减深度决定了调制波形峰峰值的比；

步骤S63和步骤S66：根据有源定标器的调制模块FPGA的存储深度，决定采样点数N，即设定调制波形码的长度N；

步骤S611：由通用接口控制单元控制程序存储的测试数据；

步骤S67：读取功率最高点的射频信号电压V0；

步骤S68：根据以上调制速率ω、调幅指数、调制波形码长度N、功率最高点电压V0参数得到理想的正弦幅度调制响应，即电压调制波形V(N)；

步骤S611和步骤S614：由测试数据可导出压控波形码与有源定标器射频模块S321的输出功率关系曲线，即压控衰减器的衰减特性曲线；

步骤S612、步骤S69、步骤S613和步骤S610：根据电压调制波形V(N)用冒泡查找法对照压控衰减器的衰减特性曲线查找相应的压控波形码，即生成调制波形码。

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