CN106289316B - 一种连续波无线电高度表测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续波无线电高度表的检测装置，通过上位机软件设置模拟高度和显示测量结果，再利用中频测试回波模块以及射频模块的协调工作，复现出与连续波无线高度表发射信号波形特征一致的延迟回波信号，最后通过高度检测装置检测测量的精准度，具有简单易行，灵活性高，检测效果更全面等特点，其次，测试人员只需根据需求对上位机软件进行参数设置，并将高度表、检测装置以及PC机正确连接，高度表检测装置将自行完成检测任务，操作简单，使用方便，仅需简单的几个操作步骤，最大限度的降低人员操作的复杂程度和工作量，提高工作效率。

Description

一种连续波无线电高度表测试装置

技术领域

本发明自动检测装置技术领域，更为具体地讲，涉及一种连续波无线电高度表测试装置。

背景技术

连续波无线电高度表主要用于低高度测量，具有无距离盲区，低发射功率和高分辨率等优点，其测高精度对飞行装置的自动着陆具有重要意义，并广泛运用于航空、航天及相关军事设备中。目前连续波无线电高度表的常规检测方法是静态检测，根据信号在延迟线中的传播延迟来模拟地面的回波延迟，该测试方法比较僵硬，可测高度值较少，且实验成本较高。

如此，研制一种测试装置可实现连续波无线电高度表的自动检测，即测试界面设置测高范围内的任意高度，测试装置可自动实现对连续波无线电高度表测高性能的检测；连续波无线电高度表的相关测试装置的研制对连续波无线电高度表的生产制作和使用校准都具有重要意义，且具有极大的市场价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种连续波无线电高度表测试装置，能够实现连续波无线电高度表的自动测试，具有方便快捷和测试精准等特点。

为实现上述发明目的，本发明提出了一种连续波无线电高度表测试装置，其特征在于，包括：

一上位机，用于设置连续波无线电高度的模拟高度，并根据该模拟高度计算出延迟回波时间，以及显示中频测试回波模块的测试参数；

一射频功能模块，包括功分器、混频器、包络检波器、滤波器、功放；主要用于实现高频信号的的前端处理和回波信号的后端处理；

在高频信号的的前端处理时，连续波无线电高度表发射的连续信号经过功分器分为两路信号，其中一路信号经包络检波器获取信号包络；另一路信号经过混频器下变频至中频信号，经滤波后得到中频调制信号；

在回波信号的后端处理时，中频测试回波模块复现的延迟回波信号经混频器上变频至高频，得到高频信号，再将高频信号按照连续波无线电高度表对延迟回波信号的功率要求进行功率放大；

一中频测试回波模块，包括信号调理通道、FPGA和DDS模块；

所述的信号调理通道包括AD采样模块和比较整形模块；AD采样模块根据FPGA提供的采样时钟对信号包络进行采样，再将采样值送入FPGA；比较整形模块将中频调制信号比较整形为脉冲信号，再送入FPGA做瞬时测频；

所述的FPGA包括功率测量模块、瞬时频率测量模块、线性分析回归模块、回波频率产生模块、延迟回波控制模块、和通信控制单元；

其中，功率测量模块将AD采样模块的采样值缓存后经通信控制单元上传至上位机计算，得到被测信号的功率并显示；

瞬时频率测量模块对脉冲信号作调制域内无间歇瞬时测频，得到瞬时频率值，并将瞬时频率值通过通信控制单元一同上传至上位机显示；

参数计算模块根据瞬时频率值得到脉冲信号的调制周期和瞬时频率最小/大值，并通过通信控制单元一同上传至上位机显示；

线性分析回归模块对瞬时频率值做回归分析拟合出脉冲信号的斜率，再将该斜率送入回波频率值产生模块，产生回波频率值并送入存储模块存储；

延迟回波控制模块根据瞬时测频值查找起始回波频率值，并根据上位机设置的延迟时间使能回波频率值存储模块，当延迟时间到来时，读出数字量的延迟回波信号送入换算单元中，得到与该回波频率值对应的32位的频率控制字，并行送入DDS模块中；

所述的DDS模块，将FPGA送入的频率控制字转换为与之对应的模拟信号，即复现出模拟的延迟回波信号，并返回至射频功能模块；

一连续波无线高度表，用于发射连续信号和接收复现的延迟回波信号，再根据两路信号在同一时刻的频率差得到装置的测量高度；

一高度检测装置，从连续波无线高度表获取测量高度，再对比模拟高度和测量高度来检测连续波无线高度表的测高性能，并将测量高度传入上位机显示。

进一步的，所述的中频测量回波模块复现延迟回波信号的具体过程如下：

(2.1)、设初始测频闸门宽度T1，以T1为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_1n，n＝1,2,…表示瞬时频率值个数，根据前后相邻两个瞬时频率值得到脉冲信号的调制周期T_M、瞬时频率最小/大值，最后根据调制周期T_M重新选择瞬时测频闸门宽度T2；

(2.2)、以T2为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_2n，根据瞬时频率值f_2n查找到瞬时频率最小值的后一个测频闸门的测频值f_2i(i＜n)和瞬时频率最大值的前一个测频闸门的测频值f_2p(p＜n)，以测频值f_2i为起点，以测频值f_2p为终点，将该测频时刻范围内的瞬时频率值存入存储单元RAM1；

(2.3)、对存储单元RAM1中选出的瞬时频率值做线性回归分析，拟合出脉冲信号的斜率k；

(2.4)、根据拟合出斜率k和公式fx＝f_s+(k/p')×t，计算出回波频率值f_x，其中，f_s为被测信号的最小频率值，p'为常数，t为递增变量，递增规律为1,2,3…，最后将产生的回波频率值f_x依次存入频率值存储单元RAM2中；

(2.5)、对上位机设置的延迟时间进行修正，具体的修正的公式为：

其中，T_delay为与模拟高度对应的延迟时间，T_{real_delay}为修正后真实的延迟时间，T_s为测得的高度表发射信号的调制周期；

(2.6)、以新测频闸门宽度T2为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_3n，根据预设的比较查找范围(f₀+a×j，f₀+a×(j+1))，检测当前的瞬时频率值f_3i是否属于该范围，如果瞬时频率值f_3i属于该范围内，则使能延迟计数模块开始计数，并计算出具体的起始回波频率值在RAM2中的存储地址add，add＝j×b-1+inc+anc；其中，f₀为频率值存储单元RAM2中0地址处的回波频率值，常量j表示第几段频率值，为小于n的正常数，f_max、f_min、T_M分别为频率最大值，频率最小值，调制周期；变量b＝a÷(k×t_s)，t_s为常量，inc＝(f_x-f₀-j×a)÷(k×t_s)，anc＝rem×2÷(k×t_s)，rem＝(f_x-f₀-j×a)％(k×t_s)；

(2.7)、当延迟时间等于T_{real_delay}时，以起始回波频率值所在的回波地址add为基准，以t_s为时间间隔，依次读出RAM2中存储的回波频率值；

(2.8)、延迟回波控制模块读出数字量的延迟回波信号送入换算单元中，得到与该回波频率值对应的32位的频率控制字，并行送入DDS模块；

(2.9)、DDS模块将频率控制字转换为与之对应的模拟信号，即复现出模拟的延迟回波信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明是一种连续波无线电高度表的检测装置，通过上位机软件设置模拟高度和显示测量结果，再利用中频测试回波模块以及射频模块的协调工作，复现出与连续波无线高度表发射信号波形特征一致的延迟回波信号，最后通过高度检测装置检测测量的精准度，具有简单易行，灵活性高，检测效果更全面等特点，其次，测试人员只需根据需求对上位机软件进行参数设置，并将高度表、检测装置以及PC机正确连接，高度表检测装置将自行完成检测任务，操作简单，使用方便，仅需简单的几个操作步骤，最大限度的降低人员操作的复杂程度和工作量，提高工作效率。

附图说明

图1是高度表发射信号和回波信号，以及相应的瞬时频差示意图

图2是本发明一种连续波无线电高度表的检测装置架构框图；

图3是中频测量回波模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是高度表发射信号和回波信号，以及相应的瞬时频差示意图；

首先，对连续波无线高度表的工作原理进行简单描述，连续波无线高度表的发射信号和回波信号(三角波)，以及相应的瞬时频差如图1所示，在一个调制周期内实线是高度表发射信号，虚线是地面回波信号，频偏(频率最大/最小值之差)为Δf，调制周期为T_M。在t₁时刻，发射机发射信号频率为f₁，在t₂时刻，接收机接收到地面的反射信号频率为f₁，且此时发射机发射信号频率为f₂。其中t₁～t₂时间段是电磁波往返的传播时间，该时间段与差频f_b＝f₂-f₁对应，同时与模拟高度H对应，高度表发射信号和接收信号之间的差频和测量高度之间的具体关系为：

图2是本发明一种连续波无线电高度表的检测装置架构框图。

本发明技术方案由硬件电路和软件设计构成。硬件电路包含射频模块、中频回波模块。射频模块实现射频信号的前端和后端处理，使之满足中频测试回波模块和高度表的需求。中频测试回波模块实现中频信号的接收与发射、信号处理、复现模拟延迟回波信号以及相关控制。软件设计分为两部分，第一部分是FPGA硬件描述语言实现的高度表发射信号参数的测量以及数字量的延迟回波信号的产生，第二部分是以C语言为基础编写的上位机控制、显示界面。通过测量高度表发射信号的相关参数并复现出与高度表波形特征一致的延迟回波信号，延迟时间和模拟高度对应，上位机软件控制模块实现模拟高度和高度表测量高度的对比，以此检测高度表的测高性能。

在本实施例中，结合如图2，对本发明一种连续波无线电高度表测试装置进行详细说明，具体包括：上位机、射频功能模块、中频测试回波模块和高度表。

其中，上位机用于设置电高度表的模拟高度，以及显示中频测试回波模块的测试参数；

在本实施例中，模拟高度的步径为1m，高度表允许的测高误差(≤30m)，对应的延迟时间为32ns，远大于计数时钟周期0.625ns。

射频功能模块，包括功分器、混频器、包络检波器、滤波器、功放等；其主要功能是实现高频信号的的前端处理和回波信号的后端处理两部分；

高频信号前端处理部分，电高度表发射的连续信号经过功分器分为两路信号，其中一路信号经包络检波器获取信号包络，使之满足中频测试回波模块的要求；另一路信号经过混频器下变频至中频信号，滤波后得到中频调制信号，在本实施例中，高度表发射的连续信号下变频至中频范围为50MHz～250MHz；

回波信号后端处理部分，首先中频测试回波模块复现的延迟回波信号经混频器上变频至高频，得到高频信号，再将高频信号按照连续波无线电高度表对延迟回波信号的功率要求进行功率放大；在本实施例中，延迟回波信号上变频至高频范围为4200MHz～4400MHz，续波无线电高度表对延迟回波信号的功率要求为﹣84dBm～﹢9dBm。

中频测试回波模块，包括信号调理通道、FPGA和DDS模块；

信号调理通道包括AD采样模块和比较整形模块；AD采样模块根据FPGA提供的采样时钟对信号包络进行采样，再将采样值送入FPGA；比较整形模块将中频调制信号比较整形为脉冲信号，再送入FPGA做瞬时测频；

FPGA包括功率测量模块、瞬时频率测量模块、线性分析回归模块、回波频率产生模块、延迟回波控制模块、和通信控制单元；

其中，功率测量模块将AD采样模块的采样值缓存后经通信控制单元上传至上位机计算，得到被测信号的功率并显示；

瞬时频率测量模块对脉冲信号作调制域内无间歇瞬时测频，得到瞬时频率值，并将瞬时频率值通过通信控制单元一同上传至上位机显示；

参数计算模块根据瞬时频率值得到脉冲信号的调制周期和瞬时频率最小/大值，并通过通信控制单元一同上传至上位机显示；

线性分析回归模块对瞬时频率值做回归分析拟合出脉冲信号的斜率，再将该斜率送入回波频率值产生模块，产生回波频率值并送入存储模块存储；

延迟回波控制模块根据瞬时测频值查找起始回波频率值，并根据上位机设置的延迟时间使能回波频率值存储模块，当延迟时间到来时，读出数字量的延迟回波信号送入换算单元中，得到与该回波频率值对应的32位的频率控制字，并行送入DDS模块中；

DDS模块，将FPGA送入的频率控制字转换为与之对应的模拟信号，即复现出模拟的延迟回波信号，并返回至射频功能模块；

连续波无线高度表，用于发射连续信号和接收复现的延迟回波信号，再根据两路信号在同一时刻的频率差得到装置的测量高度；

高度检测装置，从连续波无线高度表获取测量高度，再对比模拟高度和测量高度来检测连续波无线高度表的测高性能，并将测量高度传入上位机显示。

图3是中频测量回波模块原理图。

在本实施例中，结合图3对中频测量回波模块复现延迟回波信号的具体过程进行详细描述：

(2.1)、以初始测频闸门宽度T1为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_1n(此处的1表示第1个测频调制周期，n表示一个调制周期内完成了n组瞬时频率值测量，f_1n表示在第一个调制周期内的n组瞬时频率值测量中的任意一组数据)、并根据瞬时频率值的前后比较得到被测信号的调制周期T_M、频率最大值f_max、频率最小值f_min，最后根据调制周期T_M重新选择瞬时测频闸门宽度为T2，如调制周围2ms≤T_M＜5ms，则选择瞬时测频闸门宽度为10ms；瞬时测频闸门宽度的选择需根据高度表发射信号的调制周期T_M、测频误差等因素进行综合考虑，具体情况如表1所示；

表1是测频闸门宽度的选择关系表；

表1

(2.2)、以T2为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_2n，根据瞬时频率值f_2n查找到瞬时频率最小值的后一个测频闸门的测频值f_2i(i＜n)和瞬时频率最大值的前一个测频闸门的测频值f_2p(p＜n)，以测频值f_2i为起点，以测频值f_2p为终点，将该测频时刻范围内的瞬时频率值存入存储单元RAM1；

(2.3)、对存储单元RAM1中选出的瞬时频率值做线性回归分析，拟合出基带信号的斜率k。

(2.4)、根据拟合出斜率k和公式fx＝f_s+(k/p')×t，计算出回波频率值f_x，其中，f_s为被测信号的最小频率值，p'为常数，t为递增变量，递增规律为1,2,3…，最后将产生的回波频率值f_x依次存入频率值存储单元RAM2中；

在本实施例中，以200ns为时间间隔，p'＝10，得到回波频率值f_x，具体公式为：fx＝50000+(k/10)×t；

(2.5)根据调制域瞬时测频原理可知，将有效闸门内测得的平均频率视为闸门中间时刻的瞬时频率，则需将回波延迟计数的起点标定为闸门的中间时刻，即需将上位机设置的延迟时间进行修正，具体的修正的公式如下：

其中，T_delay为与模拟高度对应的延迟时间，T_{real_delay}为修正后真实的延迟时间，T_s为测得的高度表发射信号的调制周期。

(2.6)、以测频闸门宽度T2为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_3n，并根据设置的比较查找范围(f₀+a×j，f₀+a×(j+1))，其中，f₀为频率值存储单元RAM2中0地址处的回波频率值，常量j表示第几段测频值，为小于n的正常数，如常数8，变量a的值f_max、f_min、T_M、T2分别为第一个调制周期测出的频率最大值，频率最小值，调制周期以及测频闸门宽度T2。检测当前的瞬时测频值f_3i(i为小于n的任意整数值)是否属于该范围。当瞬时频率值f_3i属于该范围内时，使能计数器开始计数，并计算出具体的起始回波频率值在RAM2中的存储地址add，add＝j×b-1+inc+anc，从该地址开始，每t_s＝200ns的时间间隔回波地址递增1，依次回波，其中，变量b＝a÷(k×t_s)，t_s为常量，inc＝(f_x-f₀-j×a)÷(k×t_s)，anc＝rem×2÷(k×t_s)，rem＝(f_x-f₀-j×a)％(k×t_s)；

在本实施例中，计数器采用高频计数器，根据公式H＝C×ΔT/2，可得出与模拟高度H对应的延迟时间ΔT，C表示电磁波的传播速度。具体实现过程中，采用4路400MHz的移相时钟(等效于1.6GHz)作为高频计数时钟，当计数值等于设定值(该值与延迟时间对应)时，延迟时间结束，开始回波；

(2.7)、当延迟时间等于T_{real_delay}时，以起始回波频率值所在的回波地址add为基准，以t_s为时间间隔，依次读出RAM2中存储的回波频率值；

(2.8)、延迟回波控制模块读出数字量的延迟回波信号送入换算单元中，得到与该回波频率值对应的32位的频率控制字，并行送入DDS模块；

(2.9)、DDS模块将频率控制字转换为与之对应的模拟信号，即复现出模拟的延迟回波信号。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种连续波无线电高度表测试装置，其特征在于，包括：

一上位机，用于设置连续波无线电高度的模拟高度，并根据该模拟高度计算出延迟回波时间，以及显示中频测试回波模块的测试参数；

一射频功能模块，包括功分器、混频器、包络检波器、滤波器、功放；用于实现高频信号的前端处理和回波信号的后端处理；

在高频信号的的前端处理时，连续波无线电高度表发射的连续信号经过功分器分为两路信号，其中一路信号经包络检波器获取信号包络；另一路信号经过混频器下变频至中频信号，经滤波后得到中频调制信号；

在回波信号的后端处理时，中频测试回波模块复现的延迟回波信号经混频器上变频至高频，得到高频信号，再将高频信号按照连续波无线电高度表对延迟回波信号的功率要求进行功率放大；

一中频测试回波模块，包括信号调理通道、FPGA和DDS模块；

所述的信号调理通道包括AD采样模块和比较整形模块；AD采样模块根据FPGA提供的采样时钟对信号包络进行采样，再将采样值送入FPGA；比较整形模块将中频调制信号比较整形为脉冲信号，再送入FPGA做瞬时测频；

所述的FPGA包括功率测量模块、瞬时频率测量模块、线性分析回归模块、回波频率产生模块、延迟回波控制模块、和通信控制单元；

其中，功率测量模块将AD采样模块的采样值缓存后经通信控制单元上传至上位机计算，得到被测信号的功率并显示；

瞬时频率测量模块对脉冲信号作调制域内无间歇瞬时测频，得到瞬时频率值，并将瞬时频率值通过通信控制单元一同上传至上位机显示；

参数计算模块根据瞬时频率值得到脉冲信号的调制周期和瞬时频率最小/大值，并通过通信控制单元一同上传至上位机显示；

线性分析回归模块对瞬时频率值做回归分析拟合出脉冲信号的斜率，再将该斜率送入回波频率值产生模块，产生回波频率值并送入存储模块存储；

延迟回波控制模块根据瞬时测频值查找起始回波频率值，并根据上位机设置的延迟时间使能回波频率值存储模块，当延迟时间到来时，读出数字量的延迟回波信号送入换算单元中，得到与该回波频率值对应的32位的频率控制字，并行送入DDS模块中；

所述的DDS模块，将FPGA送入的频率控制字转换为与之对应的模拟信号，即复现出模拟的延迟回波信号，并返回至射频功能模块；

其中，中频测量回波模块复现延迟回波信号的具体过程如下：

(2.1)、设初始测频闸门宽度T1，以T1为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_1n，n＝1,2,…表示瞬时频率值个数，根据前后相邻两个瞬时频率值得到脉冲信号的调制周期T_M、瞬时频率最小/大值，最后根据调制周期T_M重新选择瞬时测频闸门宽度T2；

(2.2)、以T2为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_2n，根据瞬时频率值f_2n查找到瞬时频率最小值的后一个测频闸门的测频值f_2i，i＜n和瞬时频率最大值的前一个测频闸门的测频值f_2p，p＜n，以测频值f_2i为起点，以测频值f_2p为终点，将该测频时刻范围内的瞬时频率值存入存储单元RAM1；

(2.3)、对存储单元RAM1中选出的瞬时频率值做线性回归分析，拟合出脉冲信号的斜率k；

(2.4)、根据拟合出斜率k和公式f_x＝f_s+(k/p')×t，计算出回波频率值f_x，其中，f_s为被测信号的最小频率值，p'为常数，t为递增变量，递增规律为1,2,3…，最后将产生的回波频率值f_x依次存入频率值存储单元RAM2中；

(2.5)、对上位机设置的延迟时间进行修正，具体的修正的公式为：

其中，T_delay为与模拟高度对应的延迟时间，T_{real_delay}为修正后真实的延迟时间，T_s为测得的高度表发射信号的调制周期；

(2.6)、以新测频闸门宽度T2为基准，瞬时频率测量模块对脉冲信号进行瞬时测频，得到瞬时频率值f_3n，根据预设的比较查找范围(f₀+a×j，f₀+a×(j+1))，检测当前的瞬时频率值f_3i是否属于该范围，如果瞬时频率值f_3i属于该范围内，则使能计数器开始计数，并计算出具体的起始回波频率值在RAM2中的存储地址add，add＝j×b-1+inc+anc；其中，f₀为频率值存储单元RAM2中0地址处的回波频率值，常量j表示第几段频率值，为小于n的正常数，f_max、f_min、T_M分别为频率最大值，频率最小值，调制周期；变量b＝a÷(k×t_s)，t_s为常量，inc＝(f_x-f₀-j×a)÷(k×t_s)，anc＝rem×2÷(k×t_s)，rem＝(f_x-f₀-j×a)％(k×t_s)；

(2.7)、当延迟时间等于T_{real_delay}时，以起始回波频率值所在的回波地址add为基准，以t_s为时间间隔，依次读出RAM2中存储的回波频率值；

(2.8)、延迟回波控制模块读出数字量的延迟回波信号送入换算单元中，得到与该回波频率值对应的32位的频率控制字，并行送入DDS模块；

(2.9)、DDS模块将频率控制字转换为与之对应的模拟信号，即复现出模拟的延迟回波信号；

一连续波无线高度表，用于发射连续信号和接收复现的延迟回波信号，再根据两路信号在同一时刻的频率差得到装置的测量高度；

一高度检测装置，从连续波无线高度表获取测量高度，再对比模拟高度和测量高度来检测连续波无线高度表的测高性能，并将测量高度传入上位机显示。

2.根据权利要求1所述的一种连续波无线电高度表测试装置，其特征在于，所述计数器采用高频计数器，根据公式H＝C×ΔT/2，可得出与模拟高度H对应的延迟时间ΔT，其中，C表示电磁波的传播速度。