基于总线模式的舰载雷达自动测试系统

皇甫一江，张慧锋

（1 海军装备部信息系统局，北京 100841；2 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0　引言

近年来，新式武器及配套电子设备不断出现在人们视野。雷达作为舰载探测装备的重中之重，维修保障问题一直是舰载探测系统的发展重点，而新型雷达所采用新型技术日渐复杂，其保障问题的严重性也愈演愈烈。

ATE（舰载雷达自动测试系统）主要对舰载雷达系统的工作状态进行自动检测和故障定位，利于作战部队在日常及战时对雷达状态进行确认、检测维护，并为雷达的故障诊断排查提供相关信息。为适应现代舰载雷达系统测试的需求，ATE应当具备通用性、开放性及标准化等特点，具备广泛的适用性以及更强的故障诊断能力[1]。

1　国内外发展现状

美军的“联合自动化支持系统”采用了现有商业通用标准，现己广泛应用于美国海军舰载警戒探测、C3I、通信多个系统中。新一代ATE的特征在于[2]：

（1）通用化

采用通用化设计平台实现资源共享以实现系统的兼容性。标准化、模块化设计提高了组件的重复利用率；在成熟先进的商业通用标准下，利用虚拟仪器技术整合系统资源、节约研发成本。

（2）开放化

测试系统应用多种测试专用标准和工业标准，一方面加强系统的检测维护性和可扩展性，另一方面降低系统开发及维护成本；软件系统具有可重构性，可完成即时的扩充、裁剪[3]。

（3）网络化

测试系统将在舰上各分机现场的测试节点实现分布式测试，利于实时收集现场信息。

（4）高性能化

保障测试系统的数据传输速率，优化设计测试流程，实现雷达测试系统多待测任务的并行运行。

在现有条件下，国内舰载雷达装备难以实现自身工作状态的准确判断，其BITE故障排查方式已无法满足雷达装备现场级维修保障的发展需求。

在国内军用雷达现阶段需求的推动下，借鉴目前外军在电子设备保障设计中的先进经验，在实现舰载雷达系列化、模块化和通用化的同时，加快开展我国舰载雷达自动测试系统的相关研究，将大幅增强舰载雷达的作战效能，有效提高部队的战斗力。

2　舰载雷达性能指标

2.1　整机性能指标

（a）工作频段：其中心频率覆盖S、C、X、L、Ku等频段；其工作带宽一般为20%的中心频率。

（b）目标探测精度：目标探测精度主要指：方位、距离、俯仰、速度、跟踪、航迹精度等[4]。

（c）数据率：1s～12s（不包括相关电扫描体制雷达）。

2.2　分机性能指标

（a）伺服：天线转速不均匀性。

（b）稳定平台：纵、横摇摆角及其均方差。

（c）发射分系统：峰值功率为10kW～500kW，耦合输出功率为1mW～5W，输出包络波形应满足表1要求。

表1　输出包络波形要求

2.3　信号单元性能指标

其信号宽度一般为2μs～700ps，带宽一般小于200MHz，频率一般为1MHz～600MHz；其信号幅度一般为1V～4V，耦合功率一般为lmW～5W。

信号单元接收机的灵敏度一般为-60dBm～-160 dBm，信号单元的其他指标包括：信号处理能力，动目标改善因子等。

2.4　舰载雷达系统的特殊需求

舰载雷达系统的安装部位分为舱外和舱内两种：舱外电子设备较少，故障率较低。雷达舱内设备多为接收、信号产生、显控设备等，其特征是信号频率覆盖范围广、功率小，被测信号不宜远距传输，相关自动测试设备需就近安放。雷达发射设备安装于高频舱室，其信号频率高，发射功率大，测试设备应就近放置。综上所述，舰载雷达的自动测试设备应分布式就近安放。

舰载雷达日益复杂，为节约人力资源，测试设备需实现智能化，且具有故障检测功能。自动测试设备需适应舰载环境，实现便携；同时需保证舰上高温、高湿、高盐雾的环境下的可靠性，以及高海况下的安全性。

3　测试方法

3.1　天、馈线分机

3.1.1驻波比

用于表征天、馈线分系统中驻波电场的最大、最小值之比，测试框图如图1所示。

图1 驻波比测试框图

图1中的魔T主要用于功率分配。

测试步骤∶设置信号源、频谱仪于相同频率，将短路片接入魔T的待测端，记录频谱仪的幅度值Ll；待测端接待测系统，记录频谱仪的幅度L2。

测试结果计算：

3.1.2馈线损耗

用于表征天、馈线系统的插入损耗，测试框图如图2所示。

图2　损耗测试框图

测试步骤：系统先不接入待测系统，设置信号源于某工作频率，频谱仪读数为A，记录此时标准衰减器的衰减值L0；接入待测系统，调节标准衰减器的衰减量，使得频谱仪读数为仍A，记录衰减器的读数为Ll，故该频点的馈线插损为L=L0-L1。

3.1.3额定功率

用于表征在规定条件下，馈线分机所能承受的最大功率。测试框图如图3所示。

图3　额定功率测试框图

3.2　发射分系统

3.2.1脉冲功率测试

（1）平均功率法

若发射信号为周期信号或大功率信号，可利用平均功率计测试脉冲功率。测试框图如图4所示。

图4　平均功率测试法框图

（2）峰值功率法

利用峰值功率计测量峰值功率精度更高，但其探头可承受功率远小于平均功率计，故需利用精密衰减器对输入信号进行衰减。测试框图如图5所示。

图5　平均功率测试法框图

首先确定待测发射系统的功率大小，选定定向耦合器的耦合度、相应衰减量的衰减器，并设置功率计的量程档。脉冲功率计算公式如式（2）所示：

式中，Pm为脉冲功率，Pf为峰值功率计读数，K为衰减器的衰减系数。

3.2.2发射频率

用于表征发射脉冲载波的中心频率。测试框图如图6所示。

图6　发射频率测试框图

3.2.3脉冲重频

用于表征每秒钟发射脉冲的个数，测试框图如图7所示。

图7　脉冲重复频率测试框图

测试方法：利用雷达主触发脉冲作为示波器的同步输入信号，从示波器读出雷达脉冲重频。

3.2.4脉冲包络特性

用于表征发射机输出脉冲的包络特性，包括上升、下降沿时间，脉宽，平坦度，功率顶降等。利用示波器测试雷达发射机输出信号的包络特性，测试框图同图7。

3.2.5工作带宽

用于表征发射信号最高与最低频率之差，测试框图如图8所示。

图8　工作带宽测试框图

3.3　接收分系统

3.3.1动态范围

用于表征接收机所容许的输入功率变化范围，测试框图如图9所示。

图9　动态范围测试框图

测试方法：雷达正常工作时，用示波器观测接收机中放输出的信号幅度值，逐渐加大信号源的输出功率（步进为1dB），记中放输出增益小于规定值时的信号源输出功率为Pmax。动态范围D按式（3）计算：

式中，Pmin为待测接收机的灵敏度。

3.3.2工作带宽及中心频率

一般接收机的工作带宽指的是其瞬时工作频率范围，用接收分系统中心频率增益下降3dB时的频带宽度表征，可采用高频信号源法测试接收机的工作带宽，测试框图如图10所示。

图10　接收机工作带宽测试框图

测试方法：雷达工作在中心频率时测出该频率值，再测量雷达此时的输出电平幅值U0，记录输出电平降为所对应的频率为 fH和 fL，则接收机的工作带宽为：

其中，B为待测接收机的带宽，fL、fH分别为其下限、上限频率。

3.3.3噪声系数

信号与噪声功率的比值称为信噪比，接收机输入端与输出端信噪比的比值为噪声系数。测试框图如图11所示：

图11　噪声系数测试框图

测试方法：当接收分系统输出噪声电平为固定值时，记录关闭、开启噪声源时衰减器的衰减量分别为Ll、L2，噪声系数为：

其中：ENR指的是噪声源的超噪比，Y为衰减器的衰减倍数，A为噪声源接入时的插入损耗。

3.3.4增益

用于表征接收分系统输出、输入信号电平之比，其测试框图如图12所示。

图12　增益测试框图

测试方法：无输入信号时，从电压表读出待测接收机的起始噪声电平 U01；加入信号，调节可变衰减器，得到合适的输出 U02，记录此时信号源的输出电压Ui。由式（6）计算增益G：

式中，G为待测接收机的增益，U02为待测接收机的输出电压值，L为可调衰减器的衰减量，U01为待测接收机的起始噪声。

3.3.5中频信号

可利用示波器、频率计对中频信号频率、功率及频谱等特性进行测试测试框图如图13所示。

图13　中频信号测试框图

3.3.6本振信号

可利用功率计、频谱仪等对频率合成器所产生的本振信号进行测试（包括其频率、功率及频谱等特性），测试框图如图14所示。

图14　本振信号频率、功率测试框图

3.4　信号处理器

其相关测试框图如图15所示。

图15　信号处理功能测试框图

利用雷达信号模拟器模拟探测目标，检查信号处理器的副瓣抑制、视频积累等功能；模拟动、静止目标，可得出动目标改善因子值。计算公式如式（7）所示：

式中，Ci, C0分别为实际和经对消处理后的地物回波幅值；Si、S0分别为模拟信号幅值和经动目标处理后的信号幅值。

3.5　伺服分系统

3.5.1天线转速的不均匀性

测量规定时间内的正北方向脉冲个数来表征天线转速的不均匀性，其测试框图如图16所示。

图16　天线转速的不均匀性测试框图

3.5.2稳定平台纵横摇的摆角及其均方差

通过信号发生器模拟舰艇纵横摇的摆角，用计算机测试稳定平台的摇摆角及其均方差。

图17　稳定平台测试框图

3.6　终端显控台

利用雷达目标模拟器模拟目标回波，将雷达跟踪目标航迹与输入模拟目标参数比对，得出雷达的跟踪精度及其建航能力等。

图18　目标跟踪能力测试框图

4　系统总体框架

4.1　系统总线架构

为实现设备的通用化、系列化、模块化及可扩展性，并适应舰载雷达装备分布式布置的特征，本自动测试设备总体架构采用虚拟仪器体系结构[5-6]。总线方式的选择在系统架构设计中至关重要。现阶段，测试系统总线主要包含 GPIB、VXI、PXI和LXI等几种方式[7-9]。

GPIB测量系统的结构和命令简单，具有坚固性、可靠性和兼容性等特点，但无法提供多部仪器同步触发的功能，且大量数据传输时带宽不足。

VXI总线将高级测量与测试应用设备带入模块化领域，具有结构紧凑、数据吞吐能力强、同步定时精确的特点，主要适用于对精度、速度要求高的大型自动测试系统。

PXI在PCI基础上增加了板间同步触发总线和参考时钟、相邻模块间高速通信的局部总线及精确定时的星形触发总线，适用于众多测试场景。

LXI是以太网在仪器领域的扩展，其总线速度可达到千兆bps，其支持的设备数理论上不受限制，且线缆长度不受限，可实现远程测量。

根据上述总线的技术特点，结合现阶段雷达的测试需求，采用多种总线完成测试设备设计已成为必然趋势。为控制系统体积，满足分布式测试需要，测试分机间、主控机与测试分机间均采用LXI总线连接。为满足舰载设备对系统重量、体积等方面的特殊要求，各模块选用PXI总线。GPIB成本较低，适用于可编程台式仪表与计算机间的互连。最终的系统总线架构图如图19所示。

测试设备系统分机间利用LXI进行互联，主控机通过LXI控制各分机，对各分机的测试结果完成收集和综合分析。GPIB仪器经接口转换后连接到LXI总线上；PXI测试分机则利用以太网接口连接到系统之中。

图19　系统总线架构图

4.2　系统逻辑功能组成

ATE主要分为软件和硬件两大部分。

软件部分由性能测试模块、状态检测模块、管理控制模块、故障诊断模块、通信监视模块和设备自检模块组成；主要完成信息与资源调度、状态/性能检测、故障诊断及设备自检等功能。

硬件部分由主控单元、测试单元、激励单元和适配器单元等组成。其中：终端计算机为主控单元，主要完成测试流程控制、模块的驱动控制、数据库管理等功能。测试单元和激励单元集成在不同测试分机中，主要用于激励待测设备、采集待测信号。适配器主要完成接口及信号形式的转换，实现待测设备与测试分机的互联。

5　总结

本文对现代舰载雷达主要技术指标及相应测试方法进行了梳理归纳，针对雷达系统中的天/馈线分系统、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、伺服控制分系统等分机技术指标给出了通用测试方法和测试系统框图。

本文针对 ATE硬件及软件测试平台的总体框架进行了设计，适应舰载雷达装备分布式布置的特征，实现了测试系统的开放性、可扩展性、可移植性和通用性。