CN1687805A - 雷达接收机综合测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达接收机参数测试装置，它包括计算机、仪器组、数据采集存储装置和接收机状态控制装置，仪器组中各测试仪器分别与计算机的接口卡连接；数据采集存储装置包括多个长线接收器组，各长线接收器组通过测试通道与被测雷达接收机连接，一部分通过寄存器、存储器与计算机的数据通信卡连接，一部分通过经过寄存器、逻辑电路、单片机与计算机的数据通信卡连接；接收机状态控制装置中，被测雷达依次连接PC串口、电平转换器和单片机，并分组连接控制面板、信号源、长线发送器。由于多种仪器、计算机和数据采集存储装置、接收机状态控制装置相结合，实现了对雷达接收机多种参数的自动测试，减小了设备体积，节省时间，提高了效率。

Description

雷达接收机综合测试系统

一、技术领域

本发明涉及一种雷达接收机参数测试装置，特别是一种雷达接收机综合测试系统。

二、背景技术

雷达接收机是雷达系统中的一个重要组成部分，它将雷达天线接收到的目标回波信号混频、滤波、放大、信号处理，提取有用信号。雷达接收机参数测试是雷达接收机在研制、生产、维护过程中必不可少的一个步骤，美国专利说明书US5952834公开了一种用于测试电信号和分析电信号、通讯系统、雷达系统以及其它信号产生设备噪声分量的自动测试设备，其主要用于测试接收机的噪声分量；2001年9月出版的杂志《计算机自动测量与控制》57页上发表的《雷达接收机噪声系数测试仪的研究和设计》一文中公开了一种雷达接收机噪声系数测试设备，其以PC虚拟仪器卡+军用工控机为平台，可完成对多种雷达接收机噪声系数的测试，并给出了实现自动测试的软件表达，主要用于测试接收机的噪声系数；1997年5月出版的杂志《现代雷达》中《现代雷达接收机通道特性的计算机辅助测试》一文介绍的技术主要用于测试接收机的通道内I、Q分量的幅相误差和各接收通道之间幅相不一致性；西北工业大学陈孔明撰写的硕士学位论文《虚拟仪器技术及其在机载雷达测试中的应用》中，介绍的技术虽然是一个具有多个测试功能的测试系统，但该技术主要基于VXI总线，测试的雷达主要是机载雷达；《中国宇航学会学术会论文集》中《脉冲雷达接收机智能测试设备》一文介绍的技术主要用于测试接收机的载波信号参数。由此可知，目前各项雷达接收机参数的测试设备一般都独立使用，通过矢量电压表、噪声测量仪、频谱仪、功率示波器等仪器分别测试接收机的某一项或几项参数，测试项目单一，而且多为手工操作。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种雷达接收机综合测试系统，能够对雷达接收机的多种参数进行自动综合测试。

2、技术方案：本发明为一种雷达接收机综合测试系统，包括仪器组、数据采集存储装置、接收机状态控制装置和计算机，其中，仪器组中各测试仪器分别与计算机上的GPIB(通用接口总线)卡连接；数据采集存储装置包括长线接收器组1-6，各长线接收器组通过测试通道与被测雷达接收机连接；长线接收器组1-3中，每一长线接收器组依次经过一个寄存器组，寄存器组包括一个1位64级移位寄存器1(2、3)和一个32位寄存器5(6、7)，寄存器5依次经过3选1器件和寄存器9，寄存器9分别连接至存储器1，2和寄存器13，寄存器13与计算机的数据通信卡连接；长线接收器组cm4经过一个64位寄存器4与一个两级32位寄存器8连接；寄存器8分别与存储器3，4和寄存器14连接，寄存器14与计算机的数据通信卡连接；长线接收器组5的输出信号一组经过串转并1、寄存器11与存储器1，2连接，另一组信号经过串转并2、寄存器12与存储器3，4连接；长线接收器组6经过寄存器10、逻辑电路与单片机连接，单片机与计算机的数据通信卡连接；长线发送器与逻辑电路连接；在接收机状态控制装置中，计算机产生的控制代码依次经过PC串口、电平转换器传输至单片机，经单片机处理后，一组信号送给寄存器组1，控制信号经过16选1分配寄存器组1寄存空间，寄存器组1的内容在控制器的雷达工作状态显示数码管上。另一组信号经寄存器2输出去控制雷达接收机的工作状态。

3、有益效果：本发明将多种仪器、计算机和数据采集存储装置、接收机状态控制装置相结合，在测试过程中对雷达接收机工作状态、测试仪器进行程控，实现了对雷达接收机多种性能、指标参数的自动测试，从而减小了测试设备的体积，节省了操作时间，提高了工作效率。

四、附图说明

图1是雷达接收机综合测量系统框图。

图2是雷达接收机状态控制装置总体框图。

图3是数据采集系统总体框图。

图4是串转并1、寄存器11的电路框图。

图5是图4所示电路的时序图。

图6是逻辑电路框图。

图7是动态范围示意图。

图8是对数特性分析示意图。

五、具体实施方式

雷达接收机综合测试系统如图1所示，其包括计算机、仪器组、数据采集存储装置和接收机状态控制装置，其中，仪器组包括矢量电压表、噪声测量仪、频谱仪、功率计、示波器，各测试仪器和信号源通过总线与计算机的GPIB接口卡连接。

接收机状态控制装置如图2所示。计算机产生控制代码依次经过PC串口、电平转换器传输至单片机，经单片机处理后，一组信号经过寄存器组1显示雷达接收机工作状态。另一组信号经过寄存器组2控制雷达接收机工作状态。

专用数据采集存储装置如图3所示，数据采集存储装置包括长线接收器组1-6，各长线接收器组通过测试通道与被测雷达接收机连接。长线接收器组1-3中，每一长线接收器组依次经过一个寄存器组，寄存器组包括一个1位64级移位寄存器1(2、3)和一个32位寄存器5(6、7)，寄存器5依次经过3选1和寄存器9，寄存器9分别连接至存储器1，2和寄存器13，寄存器13与计算机的数据通信卡连接；长线接收器组4经过一个64位寄存器4与一个两级32位寄存器8连接；寄存器8分别与存储器3，4和寄存器14连接，寄存器14与计算机的数据通信卡连接；长线接收器组5的输出信号一组经过串转并移位寄存器1、寄存器11与存储器1，2连接，另一组信号经过串转并2、寄存器12与存储器3，4连接；长线接收器组6经过寄存器10、逻辑电路与单片机连接，单片机与计算机的数据通信卡连接；长线发送器与逻辑电路连接；在接收机状态控制装置中，计算机产生的控制代码依次经过PC串口、电平转换器传输至单片机，经单片机处理后，一组信号送给寄存器组1，控制信号经过16选1分配寄存器组1，寄存器组1的内容在控制器的雷达工作状态显示数码管上显示。另一组信号经寄存器2输出去控制雷达接收机的工作状态。

1、电路说明：

(1)长线接收器组1-4：

每组64位，输入128线，输出64线。参考器件型号：26LS32。DIP16封装。

(2)长线接收器组5，6：

长线接收器5输入12线，输出6位。其中，数据2位、数据帧同步脉冲2位、采样时钟2位；长线接收器6输入10线，输出5位，其中时钟4位和PRF1位。

(3)寄存器1-8，2选1：

寄存器1-4中，每个寄存器64位，为2选1，其输入64位，输出32位；寄存器5-7，每个寄存器32位；寄存器8为两级32位寄存器。寄存器1、2选1、寄存器5，96根信号线。

(4)寄存器9，3选1：

96位输入，32位输出。用两片EPLD，分I、Q。寄存器9三态输出，由S4控制。

(5)寄存器11，12，串转并1，串转并2：

其中串转并1、寄存器11输入3位，输出32位，控制信号8位。共44线，采用1片EPLD。电路框图如图4所示。

串转并1和串转并2、寄存器11和寄存器12，共用两片相同的EPLD。上述电路为输入16位×2×2。时序如图5所示。如果是32位×2×2，H1间隔64，由控制逻辑在中间32个脉冲处加一个脉冲，为H2。

(6)存储器1、2：

均为32位×64k。要求速度快。参考型号：CY7C1021(64K×16bit)

(7)单片机单元：

单片机选用AT89C51，与数据通信卡和数据采集装置通信，传送命令和状态。

(8)长线发送器：

输出内部时钟，器件型号：26LS31，DIP16封装。

(9)控制逻辑：

与单片机通信：

数据总线：8位。

地址总线：4位。

控制信号：3位，读、写、启动、停止。

状态线：采集状态1位，输出状态1位。

总计：17位。

输入信号：

输入外部时钟：5位，CK1-CK5，H1。

输入内部时钟：1位，20MHz。

输入同步脉冲：1位，PRF脉冲。

总计：8位。

输出信号：

输出地址代码：16位。

输出时钟：3位：CP1，CP1，CPO

控制选择：15位。S1~S12：14位；C1、C2、R、W共4位。

具体电路框图如图5所示。

2、测试算法：

(1)多通道幅相一致性：

设从测量通道获得某一频率的输出信号数据为：

S_i＝I_i+Q_i       i＝1，2......N，    (1)

参考通道某一频率的输出信号数据为：

Sr_i＝Ir_i+Qr_i    i＝1，2......N，    (2)

由此可算得每一点的相位差为

φ_ei＝arg(S_i/Sr_i)，                 (3)

幅度比为：

$A_{\mathrm{ei}}=|S_i/{\mathrm{Sr}}_i|---\left(4\right)$

得：相位差：

${\mathrm{\φ}}_e=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ei}}/N---\left(5\right)$

平均幅度比：

$A_e=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{A}_{\mathrm{ei}}/N---\left(6\right)$

(2)幅频特性：

设从测量通道获得某一频率的输出信号数据为：

S_i＝I_i+Q_i             i＝1，2......N，    (7)

则每一点的幅度为A_i＝|S_i|，所以该频率的输出幅度为：

$A=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{A}_i/N---\left(8\right)$

(3)动态范围：

正确设置雷达工作状态。设置信号源频率。信号幅度从A1到A2，步长为Δ分贝。测量对应的系统增益。动态范围增益曲线见图6。当信号幅度增加到使增益压缩1dB时的输出功率即为输出功率1dB压缩点电平P_-1(dBm)，并测得此时的信噪比为Snr，则认为系统动态范围DR(dB)为：DR＝Snr

(4)对数特性：

接收机输入为Ain，输出为Vout。拟合直线为y＝ax+b。人工确定两个工作点A1、A2。在此范围内计算对数误差，对数特性分析示意见图7。用最小二乘法估计参数a、b。

$\underset{a,b}{\min }\{\mathrm{\δ}=\mathrm{\Σ}[A_{\mathrm{in}}-\frac{V_{\mathrm{out}}\left(A_{\mathrm{in}}\right)-b}{a}\left]\right\}---\left(9\right)$

计算过程中，先确定a，b的范围，再选择较大步长。第二次确定一个a，b的较小范围和a、b的较小步长再估计较精确的a、b数值。最终得出对数范围(Ain1，Ain2)和该范围中的最大误差δ。

(5)正交通道信噪比和有效位数计算：

1)设置信号频率和幅度，测得信号功率S；

2)关闭信号源射频输出，测得噪声功率N₀；

3)滤除N₀中的杂波，得到噪声功率N；

4)则信噪比为SNR＝S/N，有效位数为：

ENOB＝(20log(2^n-1-1)-20log(N)-1.763)/6.02    (10)

式中n为A/D变换器位数。

(6)正交通道幅相误差：

中频信号为：

s(t)＝Amsin[2π(f0+fd)t+θ]                  (11)

式中，Am为中频信号幅度。f0为中频频率。fd为多普勒频率或信号频率。θ为中频信号初相。零中频数字信号为：

I_n＝A_Imcos(2πfdn/fpo+θ)+a                  (12)

Q_n＝A_Qmsin(2πfdn/fpo+θ+δ)+b               (13)

式中，A_Im、A_Qm分别为I路和Q路信号的幅度。a、b分别为I路和Q路的直流偏移。fpo为数字信号采样率。δ为正交信号的相位误差。

根据(12)式得：

$a=\frac{1}{N}[\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{Im}}\cos (2\mathrm{\πn}\frac{f_d}{f_{\mathrm{po}}}+\mathrm{\θ})]---\left(14\right)$

当fd满足：

fd＝fpoM/N                                   (15)

式中M、N为正整数，则(14)式方括号中后一项为零，得：

$a=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n---\left(16\right)$

同样可得：

$b=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_n---\left(17\right)$

补偿直流偏移后的零中频信号为：

I’n＝In-a                                   (18)

Q’n＝Qn-b                                   (19)

根据(12)、(18)式得：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^{\′2}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{Im}}^2{\cos }^2(2\mathrm{\π}{f}_{d}n/f_{\mathrm{po}}+\mathrm{\θ})=\frac{N}{2}{A}_{\mathrm{Im}}^2-\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{Im}}^2\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos (4\mathrm{\π}{f}_{d}n/f_{\mathrm{po}}+2\mathrm{\θ})---\left(20\right)$

fd满足(15)式，则上式最后一项为零，得：

$A_{\mathrm{Im}}=\sqrt{\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^2}---\left(21\right)$

同样，根据(13)、(19)式得：

$A_{\mathrm{Qm}}=\sqrt{\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^2}---\left(22\right)$

I、Q通道幅度失配率η为：

$\mathrm{\η}=20\log \left(\frac{A_{\mathrm{Im}}}{A_{\mathrm{Qm}}}\right)---\left(23\right)$

根据(12)、(13)、(18)、(19)式得：

$I_n^{\′}\·Q_n^{\′}=\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{Im}}{A}_{\mathrm{Qm}}[\sin (4\mathrm{\π}{f}_{d}n/f_{\mathrm{po}}+2\mathrm{\θ}+\mathrm{\δ})+\sin \mathrm{\δ}]---\left(24\right)$

对上式求和，当fd满足(15)式时：

$\sin \mathrm{\δ}=\frac{2}{{\mathrm{NA}}_{\mathrm{Im}}{A}_{\mathrm{Qm}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n{Q}_n-\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sin (4\mathrm{\πMn}/N+2\mathrm{\θ}+\mathrm{\δ})---\left(25\right)$

上式第二项为0。因δ很小，则：

δ＝sinδ(弧度)＝(180sinδ)/π(度)                    (26)

即：

镜像电平可通过DFT离散变换，计算出信号分量和镜频分量位置，读出信号分量和镜像频率分量，计算出镜频分量剩余。

如果信号频率不能满足(15)式，可去掉输入信号，直接用(15)、(16)式计算直流偏移。

3、软件设计：

测试软件由以下几个模块组成：

(1)PCI通信卡模块：

Input：参数(采样数据长度、时钟延时、时钟边沿参数、时钟源参数，时间大小)采集数据过程如下：

1)初始化PCI-7200卡。

2)设置读数据方式，发送读数据命令。

3)设置写数据方式，通过PCI-7200卡向单片机写数据，单片机根据PCI-7200卡所发送的数据向PCI-7200卡提供PCI-7200卡所要读取的数据。

(2)串口通信模块：

Input：需要向控制台发送的数据(设置STC、设置噪声位、本振选择、波形代码、其它)

(3)写数据库模块：

通过DAO的方式写ACCESS数据库，主键约束在程序中实现，也就是说在两次测试参数相同的条件下，覆盖上一次测试结果。

(4)读数据库模块：

通过DAO的方式读ACCESS数据库。

(5)信号源管理模块：

通过IEEE-488总线控制信号源的输出功率和频率。

(6)矢量电压表测幅度模块：

通过IEEE-488总线控制信号源的输出功率和频率。

(7)矢量电压表测幅度和相位测试模块：

通过IEEE-488总线从矢量电压表中读单个通道幅度和相位以及两个通道的相位差和幅度差。

(8)噪声测试仪管理模块：

通过IEEE-488总线校准噪声测试仪，设置噪声测试仪测试所需的参数，选择噪声测试仪的测试模式，读取噪声测试仪测得的噪声系数。

(9)频谱仪管理模块：

通过IEEE-488总线校准频谱仪，设置频谱仪中心频率，Span频率，参考电平等参数。通过频谱仪测试出单频信号的功率、频率、各次谐波、杂散，测试出调频信号的3dB带宽。

(10)功率计初始化模块：

通过IEEE-488总线校准功率计，设置功率计测试所需的参数，从功率计读出信号的功率。

(11)示波器时宽测试模块：

通过IEEE-488总线设置示波器测试所需的参数，从示波器读出信号的时宽。

本系统可以测量单通道雷达或多通道雷达在各种工作状态下的噪声系数，增益，幅频特性，动态范围，镜频抑止度，A/D变换器的主要性能，I/Q解调器的主要性能，对数通道的对数特性，本振源的频率、功率、频谱杂散、各次谐波，激励源的频率、功率、频谱杂散、各次谐波，发射激励信号的峰值功率、波形的3dB时宽和带宽、雷达接收机各接收通道之间的幅相一致性以及雷达接收机各接收通道间的脉压一致性。其中，雷达接收机动态范围，A/D变换器的有效位数，对数特性，正交通道特性，中频放大器对脉冲压缩的影响等的测量是通过数字信号处理，用虚拟仪器方式测量的。

Claims (1)

1、一种雷达接收机综合测试系统，包括计算机，其特征在于：该系统还包括仪器组、数据采集存储装置和接收机状态控制装置，其中，仪器组中各测试仪器分别与计算机的接口卡连接；数据采集存储装置包括多个长线接收器组专用数据采集存储装置，数据采集存储装置包括长线接收器组(1-6)，各长线接收器组通过测试通道与被测雷达接收机连接；长线接收器组(1-3)中，每一长线接收器组依次经过一个寄存器组，寄存器组包括一个1位64级移位寄存器(1)、或(2、3)和一个32位寄存器(5)、或(6、7)，寄存器(5)依次经过3选1器件和寄存器(9)，寄存器(9)分别连接至存储器(1，2)和寄存器(13)，寄存器(13)与计算机的数据通信卡连接；长线接收器组(4)经过一个64位寄存器(4)与一个两级32位寄存器(8)连接；寄存器(8)分别与存储器(3，4)和寄存器(14)连接，寄存器(14)与计算机的数据通信卡连接；长线接收器组(5)的输出信号一组经过串转并移位寄存器(1)、寄存器(11)与存储器(1，2)连接，另一组信号经过串转并移位寄存器(2)、寄存器(12)与存储器(3，4)连接；长线接收器组(6)经过寄存器(10)、逻辑电路与单片机连接，单片机与计算机的数据通信卡连接；长线发送器与逻辑电路连接；在接收机状态控制装置中，计算机产生的控制代码依次经过PC串口、电平转换器传输至单片机，经单片机处理后，一组信号送给寄存器组(1)，控制信号经过16选1分配寄存器组(1)寄存空间，寄存器组(1)的内容在控制器的雷达工作状态显示数码管上显示，另一组信号经寄存器(2)输出去控制雷达接收机的工作状态。

Images