張 亮 郝莉娜 何 平

（航天系統(tǒng)部裝備部裝備保障隊，北京100094）

1 引 言

伴隨著裝備集成化、數(shù)字化和智能化技術(shù)發(fā)展趨勢，機內(nèi)測試設(shè)備已經(jīng)成為測控裝備的基礎(chǔ)配置，提高了測控裝備指標(biāo)測試、狀態(tài)判斷、故障診斷的效率，增強了測控裝備的可維護性和可靠性，拓展了系統(tǒng)功能，例如，S 頻段擴頻統(tǒng)一系統(tǒng)的多項參數(shù)或測試項目都是由機內(nèi)測試設(shè)備完成的，如上下行中頻頻率、上行射頻鏈路發(fā)射功率和發(fā)射本振相位噪聲、下行射頻鏈路接收本振相位噪聲，同時還具備對測試頻譜、波形的顯示、記錄功能，以及向上級監(jiān)控實時及事后傳輸測試頻譜、波形的功能。相應(yīng)，機內(nèi)測試設(shè)備的測量準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性也將對測控裝備技術(shù)指標(biāo)和測控功能造成直接影響，因此研究機內(nèi)測試設(shè)備計量校準(zhǔn)方法，獲取機內(nèi)測試設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，實現(xiàn)機內(nèi)測試設(shè)備的量值溯源［1，2］，對于確保測控裝備計量單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠［3］，提高測控任務(wù)質(zhì)量具有重要意義。

2 機內(nèi)測試設(shè)備運行機理分析

典型機內(nèi)測試設(shè)備通常由測試計算機、測試儀器、自動測試軟件、擴展板卡、測試開關(guān)等組成，結(jié)合各分系統(tǒng)的檢測點網(wǎng)絡(luò)和檢測點切換設(shè)備等，可對測控裝備的大部分指標(biāo)進行測試，實現(xiàn)狀態(tài)判斷、故障診斷，進而形成完整的機內(nèi)測試設(shè)備測試系統(tǒng)。通常，自動測試軟件運行在自動測試計算機上，通過儀器接口發(fā)送命令控制測試儀器的設(shè)置并讀取測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機內(nèi)測試；測試計算機通過網(wǎng)絡(luò)接口控制測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合各分系統(tǒng)的檢測點網(wǎng)絡(luò)和檢測點切換設(shè)備等，實現(xiàn)自動化測試連接?；驹砣鐖D1 所示。

圖1 機內(nèi)測試設(shè)備運行原理圖Fig.1 The operation principle of in-machine test equipment

3 機內(nèi)測試設(shè)備計量校準(zhǔn)方法

機內(nèi)測試設(shè)備與測控裝備系統(tǒng)的各部分均有緊密聯(lián)系，不僅覆蓋面廣，而且涉及的頻率范圍較寬，要保證每項指標(biāo)的測試都有較高的精度，必須對自動測試分系統(tǒng)及儀器進行嚴(yán)格而全面的計量校準(zhǔn)，目的是排除系統(tǒng)誤差和儀器誤差，提高測試精度［4］。

3.1 校準(zhǔn)原理

3.1.1 通用儀器校準(zhǔn)

對集成在系統(tǒng)中可拆卸的通用儀器，可定期送至上級計量技術(shù)機構(gòu)，按照現(xiàn)行有效的計量檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范進行溯源。例如:頻譜分析儀可溯源至頻譜分析儀檢定裝置；信號發(fā)生器可溯源至信號發(fā)生器檢定裝置；示波器可溯源至示波器檢定裝置。

3.1.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

對集成在系統(tǒng)中的電纜、開關(guān)、耦合器和連接器等引入的誤差，應(yīng)將其作為一個整體，對測試鏈路進行系統(tǒng)級校準(zhǔn)［5］。

如用信號源產(chǎn)生模擬的自動測試分系統(tǒng)激勵信號，通過頻譜儀或示波器采集信號，或用標(biāo)準(zhǔn)的頻譜儀或示波器直接采集機內(nèi)測試設(shè)備的信號，將計量校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與自動測試系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)進行比較，實現(xiàn)對機內(nèi)測試設(shè)備的計量校準(zhǔn)，如圖2 所示。

圖2 機內(nèi)測試設(shè)備校準(zhǔn)方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of calibration method for in-machine test equipment

3.2 校準(zhǔn)點的選擇

校準(zhǔn)點是校準(zhǔn)時用的電氣連接點，包括信號測量、輸入測試激勵和控制信號的各種連接點。校準(zhǔn)點一般應(yīng)選擇在機內(nèi)測試設(shè)備與各分系統(tǒng)的接入點，通常為耦合器的耦合口或開關(guān)矩陣的輸入/輸出口。

3.3 校準(zhǔn)項目的設(shè)定

校準(zhǔn)項目的設(shè)定應(yīng)包含機內(nèi)測試設(shè)備在實現(xiàn)功能時與各分系統(tǒng)的關(guān)鍵測試通路。按照機內(nèi)測試設(shè)備與各分系統(tǒng)的接口關(guān)系，以及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的測試通路，確定主要的校準(zhǔn)項目包括:射頻信號測試通路、本振信號測試通路、基帶信號測試通路和自測系統(tǒng)激勵信號測試通路等。

3.4 校準(zhǔn)設(shè)備的選用

所選用的校準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)滿足以下要求。

1）可通過不間斷的溯源鏈溯源到計量技術(shù)機構(gòu)保存的測量標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)在溯源有效期內(nèi)［6］；

2）能覆蓋被校準(zhǔn)的參數(shù)和測量范圍；

3）應(yīng)比被校對象具有更高的準(zhǔn)確度，用于合格判定時，測試不確定度比一般不得低于4:1，某些專業(yè)的要求高于4:1 時，應(yīng)按照相應(yīng)的專業(yè)規(guī)定執(zhí)行，對于達(dá)不到4:1 的專業(yè)或領(lǐng)域，應(yīng)論證并提出合理的解決方案［7］；

4）在校準(zhǔn)間隔內(nèi)的穩(wěn)定性滿足要求；

5）重復(fù)性、線性度、分辨力、靈敏度、動態(tài)特性等其他特性滿足要求；

6）安全可靠，電磁兼容性及環(huán)境適應(yīng)性等其他技術(shù)性能滿足要求。

4 實驗驗證

選取某型測控裝備機內(nèi)測試設(shè)備為實驗驗證對象，校準(zhǔn)項目見表1。

表1 校準(zhǔn)項目Tab.1 The items of calibration

4.1 通用儀器校準(zhǔn)

對機內(nèi)測試設(shè)備中通用儀器儀表，如信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，送計量技術(shù)機構(gòu)進行檢定，經(jīng)檢定合格。

4.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

4.2.1 校準(zhǔn)方法

對機內(nèi)測試設(shè)備中傳輸通路，包括激勵通路和測試通路，進行校準(zhǔn)得出插入損耗的校準(zhǔn)值及校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，使用校準(zhǔn)值對傳輸通路幅度測試數(shù)據(jù)進行修正。

插入損耗定義為發(fā)射機與接收機之間，插入電纜或元件產(chǎn)生的信號損耗。［7，9］傳輸通路插入損耗測量模型如式（1）

式中:L——傳輸通路插入損耗，dB；y0——傳輸通路輸入幅度值，即信號發(fā)生器輸出后測量接收機幅度監(jiān)測值，dBm；yx——傳輸通路輸出幅度值，即頻譜分析儀測得幅度值，dBm。

對于激勵通路，y0為機內(nèi)測試儀器激勵端輸入幅度值，yx為測試接入點輸出幅度值；對于測試通路，y0為測試接入點輸入幅度值，yx為機內(nèi)測試儀器接收端輸出幅度值。

4.2.2 校準(zhǔn)結(jié)果

校準(zhǔn)結(jié)果見表2。

表2 信號通路插入損耗Tab.2 The insertion loss of signal test path

4.3 不確定度分析

本次實驗為例，測量引入的不確定度主要有以下幾方面因素的影響［10］。

1）由于連接的不重復(fù)性，系統(tǒng)的溫度漂移等原因引入的測量不確定度uA，其值可用測量結(jié)果的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征為

2）功率探頭校準(zhǔn)因子引入的不確定度uB1，服從正態(tài)分布，k=2；

3）功率分離器與功率探頭失配引入的不確定度uB2，功率分離器其中一個輸出端的最大反射系數(shù)，功率座的輸入反射系數(shù)0.12，功率測量時的失配誤差極限可用估計為

4）功率分離器與測量通路輸入端失配引入的不確定度uB3，功率分離器其中一個輸出端的最大反射系數(shù)=0.14，測量通路的輸入端加隔離器或衰減器后反射系數(shù)≤0.13，所以失配引入的誤差為

?。é）++ |（Δp）-|/2 作為區(qū)間的半寬度，a3=3.6%，服從反正弦分布，k3= 2，則有

5）測量接收機引入的不確定度uB4，測量接收機功率測量分辨力為0.001dB，按均勻分布，k= 3，即a4=0.000 5dB，則測量接收機引入的不確定度分量為

6）功率分配器輸出跟蹤引入的不確定度uB5，服從均勻分布，k=，功率分配器的輸出跟蹤為0.05dB，轉(zhuǎn)換為百分?jǐn)?shù)，可得

7）頻譜分析儀測量引入的不確定度uB6，均勻分布，其幅度測量誤差為0.5dB，按均勻分布取k= 3為

轉(zhuǎn)換為百分比為

8）頻譜分析儀與測量通路輸出端失配引入的不確定度uB7，服從反正弦分布，k=

9）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

10）擴展不確定度為

5 結(jié)束語

本文主要針對典型測控裝備的機內(nèi)測試設(shè)備進行研究，分析運行機理，提出計量校準(zhǔn)方法，并以某型測控裝備為例進行實驗，驗證計量校準(zhǔn)方法的通用性和可操作性，揭示了由測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與機內(nèi)測試設(shè)備測試示值之間的關(guān)系，確定通過校準(zhǔn)得到數(shù)據(jù)結(jié)果可用于修正測控裝備的測試數(shù)據(jù)，為測控裝備的系統(tǒng)級精準(zhǔn)調(diào)校提供了方法指導(dǎo)和實驗數(shù)據(jù)參考，也可用于測控裝備性能的試驗鑒定，對于測控裝備量值準(zhǔn)確統(tǒng)一、提升測控系統(tǒng)效能具有重要應(yīng)用價值。