相控阵被动雷达信号处理性能的自动化测试技术

吴　卫，周邦华，耿树巧，刘　剑(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)



相控阵被动雷达信号处理性能的自动化测试技术

吴卫，周邦华，耿树巧，刘剑
(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:为了提高相控阵被动雷达信号处理性能的测试效率和精度，设计了一种新型的自动测试系统。描述了自动测试系统的工作原理及主要功能，着重介绍了软件设计和硬件组成等关键技术解决方案。实际应用证明，该测试系统通用性好，自动化和智能化程度高，满足对多种技术指标的测试要求。

关键词:相控阵;被动雷达;信号处理;测试系统;自动测试; DBF

0　引言

在相控阵被动雷达研制过程期间，需要对其信号处理能力进行多种技术指标的测试，从而使测试过程能更全面地反映系统的性能指标。由于信号处理功能模块的前端输入依赖于前端的T/R组件传过来的阵元信号，同时需要调度软件进行DBF系数等各种参数的传输，因此当T/R组件或者调度软件条件不具备但需要单独进行信号处理指标考核时，就需要研究一种方法能够使信号处理功能模块能够不依赖T/R组件和调度软件从而独立工作。具体来说是编写专门的界面以便输入相应参数，同时将各种参数和命令通过PCI采集卡发送给信号处理功能模块;信号处理功能模块根据输入参数模拟产生相应的阵元信号，再进行后续的各种指标测试;用PCI采集卡实时采集相应的信号处理后的输出数据并在计算机中分析，最后将分析结果显示在计算机显示界面中。为便于界面控制软件的开发和升级，选择MATLAB作为开发工具。与其他开发工具相比，MATLAB有功能强大的GUI界面和用户交互，并且其Instrument Toolbox有许多调用简单、功能完备的函数来实现计算机对信号处理功能模块的控制操作［1］。

1　信号处理设计

信号处理功能模块主要完成DBF合成和脉冲参数计算等功能。硬件主要采用VPX架构设计，其主要功能由位于VPX机箱内的6块相同的通用FPGA信号处理板实现。每块板包括两片XILINX公司Virtex6 LX550T的FPGA芯片。通用FPGA信号处理板间通过背板实现数据互联。具体数据流程介绍如下:首先通过4块通用FPGA信号处理板对前端TR组件传过来的的阵元信号实现同时8波束DBF合成或者IFF和差波束合成。由于前端传来的阵元信号共有40路，所以每块板对10路光纤信号进行处理，将前4块板得到的DBF合成结果送入第5块通用FPGA信号处理板进行数据传输，将数据传输结果送入第6块通用FPGA信号处理板的脉冲参数测量单元中进行被动脉冲参数测量，得到脉冲描述字(PDW)，并将PDW送往计算机终端进行处理。信号处理框图如图1所示。

图1　信号处理框图

2　自测系统设计

自测系统是在信号处理功能模块基础上进行构建的。需要外接一台安装有自测系统界面软件的计算机，使用脉冲参数测量板作为信号处理功能模块唯一输入输出端口和计算机通过PCI卡上的光纤端口进行信息交互。需要说明的是，由于自测系统不依赖于前端TR组件传来的阵元信号数据和调度软件传来的DBF系数，因此需要在计算机界面软件控制下在第1到第4块DBF板上模拟产生阵元信号数据。同样的，也需要根据界面输入的波束方位信息由计算机软件计算出相应的DBF系数并传输到信号处理功能模块中的前4块DBF板上。具体流程如下:

(1)在计算机界面上输入模拟产生的阵元信号的脉宽、载频、波束方位等信息，将这些信息形成控制参数数据包通过PCI卡上的光纤端口进行输出并送到信号处理功能模块中的脉冲参数测量板上。

(2)脉冲参数测量板收到控制参数数据包后通过VPX背板分发到前4块DBF板上，前4块DBF板上根据数据包中脉宽、载频等参数生成相应的模拟阵元信号。一方面，模拟阵元信号根据数据包中波束方位信息生成的DBF系数进行相应的DBF合成，并通过背板传输到脉冲参数测量板上实现脉冲参数测量功能，或者在计算机界面软件控制下通过PCI卡采集DBF合成之后的数据传入计算机以便画DBF方向图;另一方面，模拟阵元信号本身也会通过背板传输到脉冲参数测量板上，同时在计算机界面软件控制下通过PCI卡采集模拟阵元信号数据传入计算机进行DBF处理损失的指标计算;

(3)脉冲参数测量板收到DBF合成结果进行相应的脉冲参数测量得到脉冲描述字(PDW)，并在计算机界面软件控制下将PDW通过PCI卡采集后传入计算机进行脉宽、载频等参数的计算、统计及结果显示。

具体交互流程参见图2。

图2　信号交互流程图

3　PCI采集卡及驱动程序设计

信号处理功能模块与计算机进行交互的采集卡是基于XILINX公司XC5VLX30T信号处理芯片的高速信号PCI采集卡，可以接收光纤模块传入的实时采集数据，可以对信号进行缓存、以及对控制参数的发送等功能。采集卡的FPGA芯片中提供的硬件资源见表1。

表1　FPGA芯片中提供的硬件资源表

根据本系统中数据传输的要求，PCI采集卡选用2个Finisar公司生产的光-电转换模块FTLF8524E2GNL，最高转换速率为4.25 Gb/s，传输距离最大550 m，工作电压为单一3.3V供电。

驱动程序采用Windriver8.0开发包进行开发，用VC + +编译成DLL，供应用软件进行调用。

驱动程序包括以下几个部分［2］:

①加载采集卡的DLL驱动程序loadlibrary('CaijiDLL.dll'，'CaijiDLL_Matlab.h');

②打开采集卡，并得到状态标记return_status = calllib('CaijiDLL'，'MyPCICardOpen');［return_status card_flag］= calllib('CaijiDLL'，' MyPCICardRead_Flag'，0);

③控制板子开始采集数据return_status = calllib('CaijiDLL'，'MyPCICardStartDaq');

④得到采集的数据［return_status，PDW_Raw_Data］= calllib('CaijiDLL'，' MyPCICardGetData'，PDW _ Raw _ Data，DATA _ SIZE);

⑤关闭设备Calllib(' CaijiDLL'，' MyPCICard-Close');

⑥关闭动态库unloadlibrary CaijiDLL。

4　软件控制流程

4.1 DBF板软件控制流程

DBF板的指标测试主要包括DBF合成之后的方向图以及DBF处理损失计算两个方面，因此分两个部分进行介绍。

被动8波束或者IFF和差波束的软件控制流程介绍如下:

(1)在自测系统界面软件上输入生成阵元信号脉宽、载频以及8个波束方位指向等参数，再在被动8波束框中点击“参数设置”按钮，根据输入的波束方位计算出相应的DBF系数，并连同脉宽、载频等信息送入PCI卡形成控制参数数据包后通过光纤输出到信号处理分系统中，DBF板接收到控制参数数据包后根据相应的参数生成阵元信号;

(2)点击“噪声控制”按钮，发送噪声控制命令包到信号处理分系统中，将DBF板上生成的阵元信号叠加上“高斯”噪声;

(3)点击“开始测试”按钮，模拟目标沿阵面从－50°～50°进行切向运动，角度精度设置为0.2°，由此可以计算出501个相位码和方位码并将生成的相位码和方位码形成数据包发送到信号处理分系统中，DBF板接收到传入的相位码和方位码后就能够向计算机发送当前相位码和方位码所对应的DBF结果，计算机通过PCI卡采集到DBF结果后进行分析并画出最终方向图。

IFF和差波束合成的软件控制流程和被动8波束合成一样，参见被动8波束介绍。

DBF处理损失计算的软件控制流程介绍如下:

(1)和被动8波束合成操作一样在界面输入相应的参数，再在DBF处理损失框中点击“参数设置”按钮，将输入的参数送入PCI卡形成控制参数数据包后通过光纤输出到信号处理分系统中;

(2)点击“噪声控制”按钮，发送噪声控制命令包到信号处理分系统中，将DBF板中生成的阵元信号叠加上“高斯”噪声;

(3)点击“阵元采样”按钮，此时计算机将依次发送阵元采集指示数据包到信号处理分系统中，该包包含有1～40路通道号以及IQ索引号，此时DBF板接收到该数据包后就将相应通道相应IQ阵元信号数据发送到计算机中，直到采集完整的40个通道的I路数据以及40个通道的Q路数据总计80路阵元信号数据;

(4)点击“DBF采样”按钮，这个步骤和前面被动8波束采集一样在此不展开叙述。计算机在收集到完整的阵元数据以及DBF合成之后的数据后就可以进行DBF处理损失的分析，并得出相应的结果显示在界面软件上。

4.2脉冲参数测量板软件控制流程

脉冲参数测量板的软件控制流程介绍如下:

(1)在自测系统界面软件上输入生成阵元信号脉宽、载频等参数，再在脉冲参数单元测试框中点击“参数设置”按钮将输入的参数送入PCI卡形成控制参数数据包后通过光纤输出到信号处理功能模块中;

(2)点击“噪声控制”按钮，发送噪声控制命令包到到信号处理功能模块中，将DBF板中生成的阵元信号叠加上“伪随机”噪声;

(3)点击“方位归零”按钮，保证DBF合成波束都指向法线，此时DBF后的IQ信号幅值最大利于脉冲参数测量;

(4)点击“开始测试”按钮，将脉冲参数测量板对前端送入的DBF合成信号处理之后生成的PDW送入到计算机中，经过格式转换和分析计算，得到脉冲和载频的测量结果及均方根误差显示在界面软件上。

5　分析结果及显示

显示界面如图3所示。

图3　自测系统显示界面

同时8波束合成方向图如图4所示(界面输入的8波束分别指向－30°，－20°，－10°，0°，10°，20°，30°，40°)。

图4　同时8波束合成方向图

由被动8波束合成图可以清晰看出波束的个数和指向都和界面输入能够一一对应。

IFF和差波束合成方向图如图5所示(界面输入的波束方位指向10°)。

由IFF波束合成图可以清晰看出和差波束的指向都和界面输入能够一一对应。

对阵元信号分析后得到的频谱如图6所示。

图5　IFF和差波束合成方向图

图6　阵元信号的频谱图

对DBF后信号分析后得到的频谱如图7所示。

图7　DBF后信号的频谱图

由图6、图7可知，考虑了FFT所带来的增益，阵元信号SNR =－13.95，DBF后信号SNR2 = 4.63 dB，故DBF所带来的信噪比提高为SNRo =4.63－(－13.95)= 18.58 dB，理论增益为10* log10(80)= 19.03 dB。因此，DBF处理损失为: 19.03 dB－18.58dB = 0.45 dB。将DBF处理损失显示到界面上，最后对采集的PDW进行分析并得到的脉宽和频率的均值并显示在界面上，同时统计脉宽和频率的均方误差并显示在界面上，参见图3。

6　结束语

本文以相控阵被动雷达信号处理功能模块为例，介绍了一种基于MATLAB的自动化测试软件设计方法。通过图形用户界面GUI(Graphical User Interface)，由程序控制来自动产生覆盖测试要求的不同参数组合信号，并能自动计算出方向图、DBF合成损失等测试结果。根据实际使用情况表明，自动化测试系统构建简便，易于实现，大部分操作均采用计算机软件自动控制，而人工操作部分相对简单;测试过程时间短，易于后期作数据分析比较;还能根据需要扩展功能，对提高设计效率和定位排查故障点等方面有着十分现实的意义［3］。

参考文献:

［1］刘映杰.用WinDriver开发PCI设备驱动程序［J］.信息技术，2004(2).

［3］薛年喜.MATLAB在数字信号处理中的应用［M］.清华大学出版社，2007:53-73.

［2］熊毅.有源相控阵天线自动测试系统设计［J］.雷达科学与技术，2012(5).

Automatic test technology of signal processing performance for passive phased-array radar

WU Wei，ZHOU Bang-hua，GENG Shu-qiao，LIU Jian
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A new automatic test system(ATS)is designed to improve the test efficiency and precision of the signal processing performance of the passive phased-array radar.The working principle and main functions of the ATS are described with an emphasis on the solutions to the key technologies such as the software design and the hardware constitution.It is verified through actual applications that the ATS meets the test demands of multiple technical indexes，featuring good universality and high automation and intelligence.

Keywords:phased array; passive radar; signal processing; test system; automatic test; DBF

作者简介:吴卫(1977-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:雷达信号处理技术;周邦华(1984-)，男，工程师，硕士，研究方向:雷达信号处理技术;耿树巧(1987-)，女，工程师，硕士，研究方向:雷达信号处理技术;刘剑(1983-)，男，工程师，硕士，研究方向:雷达信号处理。

收稿日期:2015-03-11;修回日期:2015-03-20

文章编号:1009－0401(2015)02－0033－05

文献标志码:A

中图分类号:TN958.92