[NI技術(shù)]基于PXI模塊化儀器及LabVIEW軟件,開發(fā)二次監(jiān)視雷達(dá)自動測試系統(tǒng)

1、輩 NMIONALP INSTRUMENTSNl技術(shù)基于PXI模塊化儀 器和LabVIEW 軟件，開發(fā)二次監(jiān)視 雷達(dá)自 動測試系統(tǒng)圖1 SSR自動測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖相比于早期手動連 接的臺式設(shè)備，通過 使用Nl PXI模塊化儀器和 LabVIEW開發(fā)的二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）自動測試 系統(tǒng)，用戶可以節(jié)省 90%的雷達(dá)測試時 間。相比于其它基于 傳統(tǒng)盒式儀器的自動 測試設(shè) 備，在有效節(jié) 省時間的同時，此種 設(shè)計還可為用戶節(jié)省60%的成本。-Vishwa nath Kalkur,The Challenge:運(yùn)用PXI模塊化儀 器和LabVIEW 軟件開發(fā)二次監(jiān)視雷 達(dá)自動測試系統(tǒng)。The Solu

2、tion:通過使用NI PXI模塊化儀器和NI LabVIEW FPGA模塊，設(shè)計一種用戶自定義的且 可擴(kuò)展的方案，以測 試?yán)走_(dá)的全部功 能Author (s):Vishwa nath Kalkur -與主雷達(dá)不同，二次 監(jiān)視雷達(dá)（SSR）可以通過建立雙向通 空和民用航空中，前者通常包括一個敵友鑒別 系統(tǒng)。Mon deep Duarah -信連接，收集包括身 份、高度、國家代碼等信息，以計算出目 標(biāo)飛行器的距離和方 位角。SSR被工程師應(yīng)用于軍用航SSR可以工作在多 種模式，以獲取目標(biāo) 的信息。系統(tǒng)通過雷 達(dá)的雙向旋轉(zhuǎn)天線發(fā) 射出1030MHZ的詢問脈沖信號。如 果目標(biāo)發(fā)現(xiàn)了詢問脈 沖，其異頻

3、雷達(dá)收發(fā) 機(jī)會返 回1090MHz的幀脈沖。地面基站的雷 達(dá)將產(chǎn)生詢問脈沖并 要求目標(biāo)根據(jù)模式 A/3A、模式C或模式S返回諸如身 份、高度、國家代碼 等信息。以詢問回答 為依據(jù)，飛 行器回復(fù)一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答脈沖 格式。系統(tǒng)便能以速度-距離關(guān)系、旋轉(zhuǎn)天線相對于北方或者 前進(jìn)方向的位置為依據(jù)計算出目標(biāo)的距離 和方位角。當(dāng)今的雷達(dá)在配置到軍用航天設(shè)備或民用 航天設(shè)備之前都需要通過嚴(yán)格的測試。我們基于NI PXI模塊化儀器開發(fā)出的自動測試系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的功能測試，該 系統(tǒng)同時還可以測試接收器（RX）和發(fā)送器（TX ）的物理參數(shù)，包括：接收器帶寬、接收器靈敏 度、發(fā)送器功率、發(fā)送器脈沖等參數(shù)。功能測試包

4、括：目標(biāo)模擬器與雷達(dá)間以1090MHz頻率通信、視頻信號檢測、基于合成的TTL邏輯視頻信號的雷達(dá)掃描變換器顯示，以及局域網(wǎng)通信。來自于目標(biāo)和多目標(biāo)模擬器的返回脈沖,或是靜止的或沿著軌道運(yùn)動的。圖1為連接到SSR的自動測試系統(tǒng)的整體框圖。系統(tǒng)概覽我們開發(fā)的系統(tǒng)包含一個NI PXI- 1042八槽機(jī)箱和一個NI PXI- 8196嵌入式控制器。通過設(shè)置雷達(dá)工作在發(fā)送模式或接收模式，來實(shí)現(xiàn)發(fā)送器或者接收器功能；同 時通過FPGA平臺產(chǎn)生和模擬外部的天 線信號以及方位角計數(shù)脈沖。目標(biāo)返回脈 沖由NI PXI- 5671矢量信號發(fā) 生器（VSG ）產(chǎn)生，脈沖頻率為 1090MHz。系統(tǒng)通過用于接收器功

5、能測試的示波器板卡 從接受器獲得視頻解調(diào)信號。系統(tǒng)還可以通過NI PXI- 5661矢量信號分 析儀（VSA ）獲得大功率傳輸?shù)?RF脈沖，以分析發(fā)送器的信號功率和脈沖參 數(shù)。通過FPGA的數(shù)字信號輸入端口采集雷達(dá)處理單元所產(chǎn) 生的合成TTL視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被用于雷達(dá)掃描變換器以 便在極坐標(biāo)上顯示目標(biāo)的距離、方位、信 息碼，高度和國家代碼。圖2展示了連接 到SSR上的自動測 試系統(tǒng)的細(xì)節(jié)原理 圖。每個觸發(fā)脈沖和同步脈沖都與SSR 所產(chǎn)享連接到天線上的相同物理端1030MHz 的 RF 信號。口。VSA生的RF詢問脈沖同 （矢量信號分析儀）和步。由于雷達(dá)內(nèi)建有 收發(fā)器模塊，為了保 護(hù)設(shè)備，在R

6、X測試中，我們選擇關(guān)掉雷達(dá)的發(fā)送器。TX和RX端口共VSG （矢量信號發(fā)生器）連接到這一相同的物 理端口，這樣便可以 代替天線的功能，生 成和采集1090MHz和測量參數(shù)TX參數(shù)雷達(dá)外部的TX通過 衰減器連接到自動測試系統(tǒng)的矢量信號分析儀。通過帶有門限 的正弦脈沖進(jìn)行射頻傳輸，脈沖寬度近似 于1us，脈沖重復(fù) 時間（PRT ）為5ms。-TX頻率穩(wěn)定性.脈沖峰值功率(1030MHz + 0.03 MHz(2.0KW )脈沖重復(fù)周期.輸出功率模式和.輸出功率選擇與分段(ms)PRF穩(wěn)定性.脈沖間距脈沖波形脈沖占空比 （0.01% 至66% ）脈沖寬度（us）脈沖上升時間（ns）.下降時間（ns）

7、頻譜RX參數(shù)RF脈沖，這一脈沖雷達(dá)中的RX接收矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生的步脈沖后，矢量信號發(fā)生器 輸出RF脈沖。RX視頻輸出與示波器板 卡相連，來測量以下與觸發(fā)/同步脈沖是同步的。每一個同步 脈沖都與詢問脈沖同步。在矢量信號發(fā)生 器和FPGA的觸發(fā)端口接收到同的RX參數(shù)：.接收器靈敏度接收器帶寬1/8接收器動態(tài)范圍.接收器頻率穩(wěn)定性 相位差測量.接收鏈操作敏感性（STC ）.接收鏈旁瓣抑制（RSLS）功能測試在功能測試中，系統(tǒng)產(chǎn)生類似于方位和 ACP的天線模擬信號。系統(tǒng)會模擬出靜態(tài)或者沿著軌跡運(yùn)動的多目標(biāo)的不同方位角與距離，并且在掃描轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序上顯示異頻雷達(dá)收發(fā)器的方位角與距離。目標(biāo)仿真我們可以通

8、過目標(biāo)仿真對RX進(jìn)行功能測 試，這一過程會用到基于同步信號的矢量 信號發(fā)生器。在這種情況下，ATE （自動測試設(shè)備）將會充 當(dāng)來自于天線的目標(biāo)信號發(fā)生器。每一次詢問都會通過連接到 矢量信號發(fā)生器觸發(fā) 端和FPGA上的觸發(fā)脈沖同步。用戶可 以通過配置距離與方 位角等信息對目標(biāo)進(jìn) 行仿真。當(dāng)目標(biāo)準(zhǔn)備 好仿真后，一旦方位 角計 數(shù)器數(shù)據(jù)到達(dá)FPGA，并且雷達(dá)已獲得下一個同步觸發(fā)信號之后，矢量信號發(fā)生器便會生成目標(biāo)的應(yīng)答RF脈沖。用戶可以選擇設(shè)定應(yīng)答的編碼與模式，在指定的距離和方位角下便會產(chǎn)生遵循一定模式的脈沖，目標(biāo)物體可以被仿真為靜態(tài)運(yùn)動和沿著軌跡運(yùn)動。用戶可以配置不同軌跡的移動路線。系統(tǒng)可以在同一

9、個矢量信號發(fā)生器中仿真出不同距離與方位角 的多目標(biāo)。根據(jù)用戶的要求，將不同的編碼模式應(yīng)用于不同的應(yīng)答脈沖，應(yīng)答脈沖是寬度450ns、間隔1us的脈沖序 列。每一個目標(biāo)的應(yīng) 答幀的結(jié)構(gòu)，都是在 序列的開始與結(jié)尾有F1和F2脈沖，每一個應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)中脈沖的個數(shù)是由 GUI中選定的詢問模式所 決定。每一個同步脈沖根據(jù)選擇的詢問模式可以有不同模式的 應(yīng)答。這種三應(yīng)答脈沖是分開可配置的，并且可以由矢量信號發(fā)生器根據(jù)各同步脈沖產(chǎn)生。圖5描述了具有距離延遲、方位和編碼仿真的應(yīng)答脈沖產(chǎn)生。雷達(dá)掃描變換器系統(tǒng)通過FPGA板卡獲得和處理來自于雷達(dá)的TTL形式的視頻信號，目標(biāo)的應(yīng)答脈沖由雷達(dá)的接收器進(jìn)行解碼，同時原始

10、視頻信號在雷達(dá)的處理單元中進(jìn)行處理，這一處理器可以提供能代表應(yīng)答幀的合成TTL脈沖。這一幀結(jié)構(gòu)由具有精 確寬度的單獨(dú)脈沖在 FPGA中進(jìn)行解碼。由于接收器會同時接收到一些來自于 天線的噪音信號，在所需范圍中會產(chǎn)生一些無用的噪音脈沖，設(shè)計者開發(fā)出一種新型算法以剔除噪音脈沖，并且解碼真實(shí)的幀信息。FPGA隨后根據(jù)目標(biāo)的信息 碼、高度、國家代碼計算出目標(biāo)的距離與 方位。系統(tǒng)可以接收合成 TTL視頻，其格式 要求為：從天線獲得 的真實(shí)目標(biāo)，雷達(dá)內(nèi)部產(chǎn)生的仿真目標(biāo)，矢量信號發(fā)生器模擬的基于詢問脈沖的仿真目標(biāo)。圖4展示了 FPGA中掃描變換器的解碼過程。圖5描述了 ACP、通過FPGA進(jìn)行北向仿 真、觸發(fā)

11、/同步脈沖 獲取、基于距離和方位選擇的應(yīng)答脈沖仿真、TTL視頻信號獲取、解碼應(yīng)答幀的過程。矢量信號發(fā)生器所產(chǎn)生的調(diào)制脈沖包含一個1030MHz的RF載波。天線仿真FPGA產(chǎn)生的北向 標(biāo)識脈沖和FPGA數(shù)字IO產(chǎn)生的ACP可以提供天線 模擬。設(shè)計者通過創(chuàng) 建基于LabVIEW 的用戶可配置 GUI，設(shè)置脈沖寬度、PRT和根據(jù)相對于 北向的旋轉(zhuǎn)角度偏差計算出的方位角數(shù)值，以便 對天線參數(shù)進(jìn)行仿 真。軟件特性設(shè)計者開發(fā)了一系列 模塊化的、可編輯的 測試序列來測試整體 功能。用戶可以選擇 自動或手動模式進(jìn)行 個體參數(shù)測試。通過 診斷面板，用戶可以 使用PXI設(shè)備 進(jìn)行回溯或者自定義測 試。圖6描述了自

12、動 測試系統(tǒng)中的測試系 列。通過NI平臺減少雷 達(dá)測試時間相比于早期手動連接 的臺式設(shè)備，通過使 用NI PXI模塊化儀器和LabVIEW 軟件開發(fā)的SSR自動測試系統(tǒng)，用戶可以節(jié) 省90%的雷達(dá)測試 時間。相比于其它基 于傳統(tǒng)盒式儀 器的自動測試設(shè)備，在有效 節(jié)省時間的同時，此 種設(shè)計還可為用戶節(jié) 省60%的成本。另 夕卜，該新系統(tǒng)使用一 個NI PXI矢量信號發(fā)生器便代替了 脈沖發(fā)生器和調(diào)制 器，且該系 統(tǒng)可以提供包括目標(biāo)仿真、原 始視頻獲取、目標(biāo)探測等完整的功能性測試，使之成為一個閉 環(huán)的測試系統(tǒng)。我們計劃升級該系 統(tǒng)，采用自動切換的方式，測試?yán)走_(dá)的 6個冗余端口。為此我 們將使用NI

13、PXI-2596 SP6T 多路復(fù)用器 對系統(tǒng)進(jìn)行升級，以避免線纜和連接過 長。NI合作伙伴是獨(dú)立 于NI的商業(yè)實(shí)體，與NI無代理、 合 伙或合資關(guān)系。Author In formatio n:Vishwa nath KalkurNo 3, Victorian Meadows, Mun ekolalu Village, Airport Varthur Road, MarathahalliBan galoreIn diaTel: +918040373923vishwa nathcaptr oni csystems. com6/8Plug and PloyConnoaorstrcamaiCabli

14、ngCsMe bttTOh fmn ATE toDUTPXI Chassis 1PXI Chassis 2Connectors to DUTo o o o o oQ O O O O O圖1 SSR自動測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖FPGA boardOutOutInInVSGOscilloscopeVSANorthACPTnggerfSync壬 Signal ConditionVideo SignalTSiiL.ljec: R-jply 1090MHzPulse Data to measureRx parametersTx Pulse at 1030MHz圖2 SSR及其自動測試系統(tǒng)的詳細(xì)原 理圖席 T

15、arget Simulator.viWindow HelpToolsFileP：tO.k jzl1st Mode,090000G2nd Made吐234Current Ai (An glejNc Error0QSstionryACP PericdNoth F jIse . idt-Azimuth (peg)Rjnge Simulrtian Sta rt Position (N 隔Enable TjcFPGA Resource % R1J0UpdateACP.North and Az Settings 匸府頁芷37閒廖克(TT .WsCode07777Generated PuFseSinglelsteps (MM10 0/5uCurfnt Range(NM)T-Jd.of Rep