雷达数字T/R组件自动测试系统校准方法的研究

宋 云,王 维,朱小定,童颖飞,张英浩

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

雷达数字T/R组件自动测试系统校准方法的研究

宋 云,王 维,朱小定,童颖飞,张英浩

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

针对雷达数字T/R组件自动测试系统的特点进行分析,提出基于标准件的T/R组件自动测试系统校准办法,给出了校准方法的不确定度分析方法,利用重复性和稳定性选择合适的标准T/R组件。

T/R组件自动测试系统;校准;不确定度;重复性;稳定性

0 引 言

T/R组件是相控阵雷达的重要组成部分,有通道数多、测试参数多、测试频点多的特点。雷达数字T/R组件自动测试系统(以下简称T/R组件自动测试系统)解决了T/R组件指标人工测试耗时长、耗人力、效率低的问题,大大提升了T/R组件指标测试的速度,提升了科研生产进度。T/R组件自动测试系统属于专用测试设备。根据《GJB5109 装备计量保障通用要求 检测和校准》的要求,凡有定量要求的检测设备,为确保其量值准确并具有溯源性,要按照规定的周期进行校准。本文就T/R组件自动测试系统的特点进行分析,提出一种基于标准件的校准方法,实现T/R组件自动测试系统的校准。

1 T/R组件自动测试系统的研制与溯源现状

雷达数字T/R组件的特点是以直接数字式频率合成器(DDS)为其核心组成全数字T/R模块代替原来由移相器、微波衰减器等构成的模拟T/R模块,利用DDS技术完成雷达信号产生、频率源和幅相控制的一体化实现[1]。发射工作方式时,雷达主机将波束指向角对应的幅相控制信息经光纤传输至 T/R 组件,数据暂存在幅相寄存器中,在触发到来时各个通道的 DDS 利用幅相控制信息对生成的 DDS 信号进行调整,形成初相受控的数字正交 DDS 信号。该信号经 DAC、滤波、变频、功率放大产生所需要的发射波形,经过收发开关传输至天线单元,辐射出去。接收工作方式时,天线接收的雷达回波信号首先经过收发开关和低噪放,滤波后与本振进行混频,得到中频信号,再经过 A/D 采样,下变频为数字零中频I/Q信号,各路I/Q信号数据打包后从光纤接口送出[2-3]。

在T/R组件上行发射状态下,不需要外加激励信号,可通过直接控制组件状态,在信号发射端用通用测试设备进行参数测试;在下行接收状态下,经中频采样后的数字I/Q信号需要通过数学分析和计算,得到下行参数指标[3]。T/R组件自动测试系统通常在通用测试开发平台的基础上利用中枢建立相应的测试通道,通过仪表总线接口控制通用测试设备来实现对T/R组件参数指标的自动测试。通常还要根据被测T/R组件的特点和测试系统要求,设计专用的波控板卡和采集板卡,分别用于控制T/R组件的工作状态以及采集接收通道数字信号,同时对采集的数字I/Q信号进行计算和分析[4]。

为了满足溯源性能要求,T/R组件自动测试系统测得的量值应溯源到国防最高计量标准或者国家计量标准。目前,暂无针对T/R组件自动测试系统专用的溯源方法。当无法向国防最高计量标准或者国家计量基准、标准溯源时,也可以采用以下几种方法进行[5]:

方法1:同类设备量值比对或能力测试;

方法2:选择标准件(标准产品)进行核查;

方法3:比例测量;

方法4:采用其他行业或国际上公认的方法校准。

表1对4种校准方法进行了适用范围的说明。该4种校准方法均是针对自动测试系统的校准方法。

表1 4种校准方法适用范围

通过分析上述T/R组件的特点以及校准方法的适用范围可知,T/R组件自动测试系统功能复杂,接口样式多,没有可以实现比对的同类设备;上行发射信号的产生与下行接收的信号均为数字信号,也使测得量值无法向上一级标准溯源。但是,T/R组件技术指标和功能稳定,结构工艺标准化。综上所述,T/R组件自动测试系统可采用第3种校准方法,即标准件校准法[6]。

所谓标准件校准法,即通过T/R组件自动测试系统测量,从数据稳定、指标一致的产品中选择3块以上的被测件作为标准件来校准T/R组件自动测试系统。首次校准的数据可以作为后期周期校准用的对比数据。标准件校准法对测试通道多、测试参数多、接口种类多且测试参数关系复杂的数字T/R组件自动测试系统具有较为实用的意义。

2 标准件校准方法的测量不确定度评定方法

将量值溯源到国家标准,除了采取合适的校准方法,还必须要对标准的测量不确定度进行评定。

T/R组件自动测试系统框图见图1[4]。

图1 宽带T/R组件自动化测试系统框图

从图1中可以看出,T/R组件自动测试系统连接复杂,输入信号复杂,决定了组件被测参数的测量模型复杂,不确定度来源复杂。表2列出了组件两种工作状态4项测试参数的测量模型以及不确定因素分析。

表2 T/R标准组件的参数测量模型和不确定度因素分析

图2为IFF上行相位重复测量13次结果,自由度ν=12,已对数据按照格拉布斯以及狄克逊双侧检验准则检验,无异常值。

图2 上行发射某通道相位重复测试13次结果(25℃)

表3为在IFF上行发射状态下相位测量不确定度分析。理论上要对每个频点(f1、f2、f3、f4、f5)的不确定度进行评定。本表中只对f1频点下的不确定度进行分析。

表3 IFF上行发射状态下相位测量不确定度分析(频点:f1)

取包含因子k=2,U=kuc=2×2.4≈4.4°。

依据上述分析方法,可得表2中参数项的扩展不确定度,见表4。

表4 两种工作状态4种参数在相应频点上的扩展不确定度 (k=2)

不确定分析与说明:

(1) T/R组件中的测试设备,连接线缆以及中枢开关的量值都已溯源到本单位最高测量标准;

(2) 表中的不确定度因素分析是在测试系统无修正的情况下进行;

(3) 该测量中人员操作对结果无影响,不需考虑人员因素;

(4) 不确定因素分析与组件的工作状态、测试参数、测试方法有关。从表2中可知,组件处于不同的工作状态,相位的测试方法不一样,测量模型不同,不确定度影响因素不同,最后计算的不确定度值也不相同。被动下行组件相位一致性测试为纯数字采集,只与测量重复性以及计算方法有关,不考虑测量设备引入的不确定因素,而上行发射状态下组件的输入与输出均与测量设备有关,需要考虑测试设备引入的不确定因素;

(5) 系统的电磁兼用性、接口适配性、信号产生处理过程以及自动测试程序对测试结果的影响都可以用测量重复性的方式体现;

(6) 理论上要对所有测试参数在所有测试频点上进行不确定度评定。

3 标准件的选择方法

3.1 基于重复性与稳定性的挑选方法

针对数字T/R组件,应该选择在T/R组件自动测试系统上反复测试参数重复性和稳定性较好的产品,本文通过增加稳定性的考核频率挑选出合适的T/R组标准件。

具体挑选方法如下:

(1) 通过测试,选出经过多次测试、性能指标满足生产任务要求的组件作为备件,工作中实际挑选3块组件在自动测试系统中分别进行测试;

(2) 对每块备件的指标进行短时间内重复性测试,重复性测试次数n≥10次,实际中每次重复性测试次数为13次,共进行12个月的测试;

(3) 查看任意m=4个连续的月份,是否满足式(1)和式(2)的要求。

(1)

(2)

式中

关于标准件选择方法的几点说明:

(1) 重复测试的次数越多越能体现出被测件的重复性,理论上大于10次即可。

(2) 为了保证测试系统的稳定性,在组件选定的过程中要保证每次测试设备摆放的位置以及环境条件一致,尽量不要有电缆的拧动以及位置的变更情况,每次的测试条件应当记录详细。

(3) 一般采用每季度测一次重复性的办法来判断标准件的稳定性[7]。但是,T/R组件自动测试系统为复杂的专用测试设备,对测试精度要求高,而且环境温度、搬移以及电缆连接的松紧程度都会影响到测试的结果。所以,针对T/R组件自动测试系统,为了更好地评判T/R组件的稳定性,本文通过增加稳定性测试频率办法考核所选组件是否满足稳定性的指标要求。

3.2 方法比较

TX1、TX2和TX3分别为编号不同的3块T/R组件。经测试,这3块T/R组件上下行各测试指标合格,可作为标准件的备选。下面采用两种方法对这3块T/R组件进行重复性和稳定性测试。

方法1:每季度测试一组重复性数据的方法,分别在第1、4、7、10个月进行,测4组重复性后计算稳定性。

方法2:每月测试一组重复性数据的方法,每连续4个月计算一次稳定性。

图3为3块T/R组件每月重复性测试的相位均值图。图4为每月重复性测试相位的标准偏差图。从图4的数据统计结果可知:采用方法1,可得3块T/R组件的稳定性为

采用方法2的稳定性测试结果见图5。图5中,第1次稳定性数据为第1～4个月的稳定性测试结果,第2次稳定性数据为第2～5个月的稳定性测试结果。以此类推,第9次稳定性数据为第9～12个月的稳定性测试结果。

图3 3块T/R组件每月重复性测试均值

图4 3块T/R组件每月重复性测试结果

图5 采用方法2观测3块T/R组件的稳定性

从图3～5的数据统计结果可知,3块T/R组件的重复性测试标准偏差围绕在0.8°左右,均满足小于合成不确定度三分之二的要求。如果采用方法1,3块T/R组件的稳定性一致,都为0.05°,满足小于合成不确定度的要求。但是,从方法2中可以看出,TX1和TX2的稳定性要优于TX3组件,TX3组件从第6个月开始指标波动性要大于TX1和TX2。可以判定,采用每连续4个月核查一次稳定性的方法可以更精确地分析出所选标准件的稳定性。

4 结束语

自动测试技术已经成为未来测试技术的发展趋势。在保证测试快速进行的同时不能忽略自动测试系统的周期校准工作。雷达T/R组件测试通道多、频点多、测试参数多。本文中提到的不确定度评定理论上要对所有的通道和参数在所有的测试频点上进行评定,标准件的选择也是一样。所以,这项工作的难点在于工作量大。该项校准工作需要从T/R组件自动测试系统的设计开始就要考虑,并配备专门的校准人员。为保证校准结果质量,还需要对标准件进行核查。后期将针对核查方法进行分析,实现对标准件以及自动测试系统的测量控制。

[1] 陈甜,陈祝明,周鹏,江朝抒.一种宽带数字T/R组件的设计与实现[J].现代雷达,2008,30(3).

[2] 王玉辉,牛戴楠,张晋.L波段8通道宽带数字T/R组件技术[J].现代雷达,2012,34(10).

[3] 马志翔.数字T/R组件自动测试系统的设计[J].现代雷达,2016,38(9).

[4] 童颖飞,吴小强,宋云,肖苏飞.一种通用数字T/R组件自动测试系统[J].雷达与对抗,2016,36(1).

[5] 国防科技工业专用测试设备管理办法,2002.

[6] 严宜强.专用测试设备校准方法[J].测试与校准,2007,27(1).

[7]JJF1033-2014 计量标准考核规范.

Research on calibration methods of automatictest system of radar digital T/R module

SONG Yun, WANG Wei, ZHU Xiao-ding, TONG Ying-fei, ZHANG Ying-hao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

According to the analysis of the characteristics of the automatic test system (ATS) of radar digital T/R module, the calibration methods of the ATS of the T/R module are proposed based on the standard component, and the uncertainty analysis methods are also given. The suitable standard T/R module is selected based on repeatability and stability.

T/R module; ATS; calibration; uncertainty; repeatability; stability

2016-12-02;

2017-01-20

宋云(1968-),女,高级工程师,研究方向:计量测试技术和计量管理以及T/R组件自动化测试;王维(1986-),女,工程师,研究方向:微波仪器设备计量、仪器仪表自动化测试;朱小定(1964-),研究方向:无线电类仪器设备计量、专用测试设备计量方法;童颖飞(1989-),男,工程师,硕士,研究方向:软件工程、自动化仪器仪表;张英浩(1981-),男,高级工程师,博士,研究方向:微波电路及系统设计。

TN206.1

A

1009-0401(2017)01-0064-05