基于LabVIEW 的通用飞机低电平扫描场测试系统设计

石国昌，廖 意，胡雅涵，陈亚南，包贵浩

（1.上海无线电设备研究所，上海 200438；2.中航通飞华南飞机工业有限公司，广东珠海 519000）

高强辐射场（High-Intensity Radiated Field，HIRF）已成为影响飞机飞行安全的关键因素[1]。中国民用航空局对通用飞机的HIRF 防护[2-4]提出明确要求，但通用飞机HIRF 防护设计和试验验证技术尚处于起步阶段，严重制约我国通用飞机的研制和适航[5-7]。与其他类民用飞机相比，通用飞机一般具有以下特点：1）机动灵活，飞行剖面较宽，特别是特技类飞机，与大型客机相比，操作权限较大，当遇到外部HIRF 环境时，更容易产生错误的干扰响应；2）外廓尺寸较小，电磁开口占外廓尺寸的面积较大，且机体结构大量采用复合材料[8]，甚至全部采用复合材料，屏蔽性能差；3）航空电子系统[9]结构简单，价格低廉，安全等级低，抗干扰设计相对较弱，进一步增加了HIRF 防护设计的难度；4）低空空域是通用飞机飞行的主要区域，相比大型客机的高空飞行，通用飞机将会更长时间暴露于HIRF 环境中。

通用飞机的上述特点使其HIRF 防护设计难度增大。为满足通用飞机的适航要求，保证飞机飞行安全，有必要开展通用飞机的HIRF 试验技术研究。而作为飞机级HIRF 试验的重要内容之一，低电平扫描场（Low Level Sweep Field，LLSF）具有测试便捷、降低飞机潜在风险等优点。目前的文献[10-13]中可以查询到有关LLSF 测试方法的简要介绍，但在测试系统的硬件和软件设计方面未开展详细研究和分析，使得国内在自主开展整机级LLSF 测试方面能力不足。

文中基于LabVIEW 图形化编程开发语言，重点开展低电平扫描场测试系统的设计方法研究。依据HIRF 到飞机的耦合机理，分别完成LLSF 测试系统的硬件设计和软件控制系统开发，该系统操作简单、自动化程度高。最后，以某型通用飞机为例，完成测试系统的应用验证。

1 系统硬件设计

LLSF 测试是采用外部电磁波照射飞机舱室，接收天线或场强探头置于舱室内部进行场强采集，通过与校准值对比，从而获得飞机舱室的衰减特性。LLSF测试频段为100 MHz～18 GHz。在该频段，HIRF能量主要通过飞机舱室开口、缝隙等途径，以场到场的方式进行耦合。LLSF 测试过程如图1 所示。

图1 LLSF测试流程

LLSF 测试系统的硬件主要由高强辐射场模拟源生成模块、信号发射单元、场强测量单元、多通道传输装置等组成，如图2 所示。其中，高强辐射场模拟源生成模块用于产生并输出高强辐射场模拟信号，主要包括微波信号源和功率放大器组；信号发射单元用于发射高强辐射场模拟源生成模块输出的模拟信号，主要包括各频段发射天线及可移动天线支架；场强测量单元用于接收耦合进入飞机内部舱室并在待测区域内产生均匀分布的场强，主要包括各频段接收天线或场强探头、搅拌器、频谱分析仪、控制计算机等；多通道传输装置用于完成多路发射和接收信号的传输，包括射频转换开关、光纤系统或低损线缆等。

图2 LLSF测试系统硬件设计

在进行LLSF 测试时，为了有效评估飞机舱室的衰减特性，需快速获取在外部电磁波照射下舱室内部的场强最大值。而由于飞机舱室存在驻波，舱室内不同位置场强变化较大，如图3 所示。通常需要在舱室内安装足够多的接收天线/探头，或者采用有限个接收天线在不同位置开展多次测试来寻找舱室内场强最大值，不仅耗时而且耗力。

图3 无搅拌器时舱室内场强分布

为此，通过内置模式搅拌器[14]的方式，如图4 所示，改变搅拌器附近的边界条件，使得搅拌器在一个旋转周期内接收天线/探头位置出现的场强最大值，从而实现场统计均匀[15-16]，达到快速获取最大值的目的。

图4 有搅拌器时舱室内场强分布

2 系统软件设计

LLSF 测试系统的控制软件采用LabVIEW 图形化编程语言进行开发，主要包括系统状态检查、测试系统参数设置、扫频测试、数据保存等功能。软件的具体设计流程如图5 所示。

图5 软件设计流程

2.1 系统状态检查

LLSF 测试系统涵盖设备较多，需通过软件进行控制的设备包括微波信号源、不同频段的功率放大器组、射频转换开关、频谱分析仪等。在正式开展测试前，需确保测试系统连接正常，即控制计算机与各个设备之间VISA 接口通信正常。如图6 所示，若系统连接异常，则提示“系统连接失败”，并显示异常设备，如“频谱仪连接失败”。

图6 系统连接状态检查

2.2 测试系统参数设置

在系统状态检查正常之后，即可进行系统参数设置，系统参数设置主要由基本参数设置和测试设备参数设置两部分组成。基本参数设置包括测试频点读入路径、数据保存路径、天线类型选取和天线系数等内容。由于飞机级LLSF 测试通常在外场进行，试验环境较暗室测试更为恶劣，为了确保测试精度，需在测试前开展背景噪声测试并将强背景噪声所对应频点进行剔除，将剔除后生成的频率列表作为测试频点进行读取，如图7 所示。

图7 频率列表频点读取

测试设备参数设置包括测试设备地址、发射功率、射频输出开关、功率放大器类型及增益、射频开关通道、测试单位、搅拌器转速等设置项。

2.3 扫频测试

扫频测试时，接收天线或场强探头将采集到的数据通过光纤或低损线缆传输至频谱仪，并将测试结果在图像显示区实时显示。在测试结果出现异常时，需启动“应急中断”，及时结束当前的试验状态，在重新完成参数设置校正后，继续开展扫频测试，直至全频段扫频测试完成，如图8 所示。

图8 应急中断处理

2.4 数据保存

在提示“扫频测试”结束后，系统软件会自动将射频发射开关、发射功率等对人体有潜在辐射危害的设置自动关闭，并将测试频率及其对应的场强采集数据生成二维矩阵，并保存至指定的路径，同时将测试曲线进行图片保存。

根据软件设计流程，最终形成的LLSF 测试系统的软件控制界面如图9 所示。

图9 LLSF测试系统软件前面板

3 实例应用

以某型通用飞机作为试验对象，利用基于LabVIEW 的低电平扫描场测试系统开展LLSF 验证试验。该型飞机的机身长度约10 m，机身为复合材料结构。其中，LLSF 试验对象为飞机驾驶舱，测试位置点为主驾驶舱位，如图10 所示，左边为接收天线，右边为搅拌器。

图10 飞机驾驶舱测试区域

外部照射天线以0°、-45°和-90° 3 个方向照射飞机，图11 为飞机外部电磁波照射图，由接收天线完成舱室内部场强的实时采集，并分别开展有搅拌器、无搅拌器两种状态下的试验，验证测试系统的有效性及搅拌器的性能。

图11 飞机外部电磁波照射图

在测试过程中，待测飞机与发射天线之间敷设吸波材料通道，用于消除地面多路径反射干扰的影响。舱室内部由全向接收天线进行数据采集，分别测试得到有、无搅拌器时驾驶舱的衰减特性[17-19]，测试结果如图12 和图13 所示。

图12 有搅拌器时的舱室衰减特性

图13 无搅拌器时的舱室衰减特性

在测试过程中，LLSF 测试系统运行正常，控制指令有序实施，有效完成测试任务。此外，从图12和图13 中可以看出，该型飞机不同照射角度下的衰减值有所区别，45°照射下的衰减值最小，发射天线辐射的部分频段电磁波可以直接进入飞机内部，使得该频段的衰减特性接近于0。而在0°和90°照射下，飞机机身的蒙皮材料会有一定的遮挡。同时，有搅拌器状态下，接收天线在舱内待测位置处采集得到的场强值略高于无搅拌器状态下的结果，搅拌器的存在有助于快速获取舱室内的强耦合信号，能够更为有效地评估其衰减特性。针对飞机在部分频段下的防护能力欠缺的问题，可按照防护设计要求采取必要的修正措施，如提高舱室结构的屏蔽效能。

4 结论

通用飞机的技术特点和低成本化使其HIRF 防护需求较其他类飞机更为迫切。针对于此，文中主要解决了飞机级LLSF 测试系统的硬件设计和软件开发问题，详细描述了系统的硬件组成和软件开发流程，最终建立了一套满足适航要求的通用飞机LLSF 测试系统，可实现基于LabVIEW 的飞机级HIRF 效应多通道自动化快速测试，并以某型通用飞机为例进行了实际应用，通过试验获取了飞机舱体的屏蔽特性，分析了搅拌器的功能特性和防护设计的薄弱环节，也验证测试系统的有效性，可为后续国内自主开展飞机级HIRF 效应试验提供技术支撑。