脉冲式无线电高度表原位测试设备设计与应用

崔 晨 李 舟

（中国飞行试验研究院,陕西 西安 710000）

无线高度表是测量飞机高度的设备，属于航空领域中重要的安全保障设备，它通过测量飞机距离地面高度，为航空领域的安全作贡献。根据无线高度表在进行飞机高度测量时所采用的作业原理进行划分，可以将无限高度表分为无线测距、激光测距、超声波测距等类型。无线电高度表主要用于测量、记录、呈现飞机飞行过程中与地面实际距离及其变化与波动情况[1]。无线电高度表测距的精确度对于航空航天设备等的安全影响较大，在航空领域占有重要的地位。

1 脉冲式无线高度表工作原理

无线高度表是依托飞机在飞行过程中向地面发射电磁波而形成的，其工作原理是高度表在地面反射的基础上接收高度表信息并进行处理，无线高度表判别飞机距地面的飞行距离是通过电磁波在空中传播的时间。高度表可以根据工作方式的不同划分为两类：①脉冲式无线高度表；②发射信号式无线电高度表。以我国北京中科飞鸿科技有限公司所生产的FHWG系列脉冲式无线高度表为例，该系列脉冲式无线高度表采用线性调频连续波闭环伺服控制、恒中频接收工作体制，宽功率频谱，进行发射的脉冲信号参数自校准。因此，根据不同的信号调制方式和硬件配给，FHWG系列脉冲式无线高度表按照精度、成本、应用方向等进行了划分。脉冲式无线高度表天线采用低副瓣微带天线技术和耦合信号吸收技术，确保收发天线在实现近距离安装；电磁兼容性满足GJB151A 空军飞机机载设备电磁兼容标准要求；飞机供电特性满足GJB181A要求；振动、冲击环境、自然环境满足机载、弹载设备使用要求。目前已经被广泛用于航天、航空、兵器等领域。

2 脉冲无线电高度表原位测试原理及总体方案

2.1 测试原理

脉冲无线高度表原位测试原理如图1所示。该测试原理是在高度表工作的基础上来完成原位检测功能的[2]。

图1 测试原理图

2.2 总体设计方案

脉冲式无线高度表原位测试设备主要是起到检测的作用，检查高度表的精度、灵敏度，同时还可以检测飞机的运行高度和工作状态等。其中，测试设备主要有手持终端、高度表测试设备、无线电高度表、发射天线、天线耦合器等。工作人员在进行高度测量时，能够实现手持终端控制，通过手持终端给高度测量设备发布指令执行相关操作，具体流程如下。

（1）耦合器接收脉冲信号后，将部分信号传送给主机进行处理，同时耦合器自身会对脉冲信号进行吸收、隔离等安全防护。

（2）测试设备接收到耦合器发出的信号之后，会对脉冲信号进行检波、限幅、功率调整等一系列处理，在根据实际情况调整设备设定，然后进行模拟回波信号操作。

3 脉冲式无线电高度表测试设备系统

3.1 信号耦合器

该设备硬件系统的信号耦合器主要由3部分组成：①安装支架，主要作用是促使天线耦合器与机上高度表的接触；②天线耦合器，主要作用是接收或发射信号、测试生产设备等，保障收发信号的安全性；③射频电缆，该设备部分属于连接部分，主要用于天线耦合器与测试主机的连接（TNC连接器），同时还可以起到故障隔离的作用[3]。

3.2 设备主机

脉冲式无线电高度表测试设备系统的主机构成如图2所示，该设备主要由6个模块构成。

图2 系统设备主机组成框图

3.2.1 信号接收模块

该模块的作用主要是接收和检验信号。当高度表的信号发射装置向外界发射信号指令以后，系统的限幅器会对高度表所发射的信号进行限幅，主要作用是通过限幅使信号的转换更加高效；后通过测频预处理模块对转换之后的脉冲信号进行混合处理。高度表发射的信号进行检波处理后，将会使脉冲调制信号转化为更加容易测量发射功率的脉冲信号，在后续进行处理以后进行转化，可以将高度表所发射信号进行数字处理。

3.2.2 信号发射模块

在数字处理单元的作用下，信号发射模块的主要作用是实现测试设备信号的产生和调整，频综可产生功率为-4 dBm的4 300 MHz左右的载频信号。然而，根据本文设计的系统最大可承受发射功率进行分析，系统信号需要经过放大器进行放大补偿。本文设计的系统放大器在完成11 dB增益的信号放大以后，会将信号分为发射载波信号和可变本振信号两种进行传输。系统中的数据处理模块会分别针对两种不同类型信号进行脉冲调制，将发射信号调整为脉冲信号。通过数字处理单元形成的脉冲信号会被衰减器进行衰减（控制功率），最后再进行高度表测试。通过数字处理单元的两级数控衰减器后的信号将会在60 dB信号输出功率动态范围内完成本振输入[4]。

3.2.3 数字处理单元

数字处理单元属于该设备系统的核心单元之一，其主要作用是进行脉冲精密延时、参数测量、发射功率控制等，而控制数字处理单元的核心为现场可编程门阵列（FPGA）。为实现脉冲式无线高度表发射功率测量，本系统的数字处理单元利用高速ADC技术，对测试信号进行检测、获取、处理等，使系统能够精确获取脉冲式无线高度表发射中心频率，通过高速时钟进行精密计数和数据处理，实现延时操作。其中，高速时钟计数又分为：①固定延时，其作用是模拟固定高度；②动态延时，其作用是控制动态高度变化。

3.2.4 测频模块

测频模块的主要作用是处理其他模块形成的信息（耦合输出信号、可变本振信号），处理形式为放大、混频、整形、滤波等，然后再经频率信息进行重新输出。

3.2.5 无线收发模块

无线收发模块起到一个连接的作用，是手持终端和数字处理单元的沟通桥梁，该模块采用板载天线的方式进行工作。通过无线收发集成电路进行工作，完成无线信号协议和本地总线协议转换。

3.3 手持终端

该系统中设计的手持终端采用了智能化手段，其中内置Wifi和蓝牙无线通信模块，主屏幕为3.2寸TFT触液晶显示屏；外部接线口采用USB2.0、RS232等，并且提供Windows家族中最新的成员WINCE系统和JAVA开发平台，同时还要多款语言开发应用软件（C++，C#，VB，VC等）。手持终端的出现，实现了在机舱内的设备控制，这样更有利于观察和记录飞机飞行高度的数值。

3.4 脉冲式无线电高度表原位测试设备的应用

采用编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ的飞机进行测试，测试结果如表1所示。

表1 原位测试结果

由表1可知，该脉冲式无线高度表系统可以保障测试参数的准确性和稳定性，满足飞机对脉冲体制无线电高度表原位测试的要求。

4 结语

在航空领域中，飞机的飞行高度与飞机的安全有着非常密切的联系。由于无法准确测量飞机飞行高度与地面的距离而时常发生飞机安全事故。因此，研发出一种可以及时准确地测量飞机与地面的位置的无线电高度表，在航空领域是非常需要和重要的。脉冲式无线电高度表原位测试设备的出现，对航空领域来讲是一个重大的发现，将会为飞机的安全运行提供保障[5]。