梁朝華,鄧 斌,王晶晶,呂 偉

(空軍預(yù)警學院,湖北 武漢 430019)

0 引 言

隨著雷達裝備技術(shù)的發(fā)展,裝備機內(nèi)自檢功能也越來越完善,大多數(shù)三、四代雷達裝備已經(jīng)實現(xiàn)了對發(fā)射、接收、饋線、信號處理、錄取終端等分系統(tǒng)的在線監(jiān)測,在裝備工作過程中能夠?qū)崟r監(jiān)測發(fā)射功率、接收機噪聲系數(shù)、饋線駐波比、改善因子等指標。然而,由于受環(huán)境和測試條件的限制,目前對于雷達天線波瓣這一影響雷達效能發(fā)揮的重要指標仍然無法做到在線監(jiān)測[1-3]。特別是對米波雷達,環(huán)境對天線波瓣的影響更為明顯,容易造成波瓣分裂現(xiàn)象,導致天線性能下降,更是需要及時掌握雷達天線在實際環(huán)境中的性能變化情況。

雷達天線性能指標測試系統(tǒng)是專門針對雷達天線波瓣寬度、副瓣電平、零深等性能指標的快速測試而設(shè)計的一套自動測試系統(tǒng)[4-6]。本文針對該系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn),首先分析系統(tǒng)軟件的功能需求,然后在此基礎(chǔ)上提出了軟件設(shè)計的基本框架,最后分別從系統(tǒng)軟件流程、數(shù)據(jù)處理算法、系統(tǒng)界面設(shè)計等3個方面給出軟件設(shè)計的具體方案。

1 系統(tǒng)軟件功能需求

雷達天線性能指標測試系統(tǒng)由硬件、軟件2個部分組成。其中,系統(tǒng)硬件主要由頻譜分析儀、射頻信號源、波瓣測試儀、數(shù)據(jù)采集板、光電轉(zhuǎn)換器、交換機、測量控制計算機等部件構(gòu)成,如圖1所示。系統(tǒng)軟件安裝在測量控制計算機內(nèi),主要完成硬件設(shè)備的控制,以及測量數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲和分析。根據(jù)雷達天線性能指標的實際測試需求,系統(tǒng)軟件應(yīng)具備以下功能:

圖1 雷達天線接收方向圖測試系統(tǒng)的基本組成框圖

(1) 測量設(shè)備“初始化”功能:能夠配置測量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址、端口號,自動識別測量設(shè)備身份,恢復(fù)測量設(shè)備出廠狀態(tài)設(shè)置。

(2) 測量設(shè)備“參數(shù)設(shè)置”功能:能夠設(shè)置測量設(shè)備的頻率、功率等參數(shù)。

(3) “數(shù)據(jù)采集”功能模塊:能夠采集頻譜分析儀、數(shù)據(jù)采集卡的幅度信息數(shù)據(jù)集以及波瓣測試儀的方位信息數(shù)據(jù)。

(4) “數(shù)據(jù)顯示”功能模塊:能夠以直角坐標繪圖方式顯示采集得到的天線方向圖測量數(shù)據(jù)。

(5) “數(shù)據(jù)存儲”功能模塊:能夠?qū)y量得到的天線方向圖數(shù)據(jù)按指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲。

(6) “數(shù)據(jù)分析”功能模塊:能夠處理采集得到的測量數(shù)據(jù),分析得到天線性能測量結(jié)果,自動生成“天線性能測試報告”。

2 系統(tǒng)軟件基本架構(gòu)

為提高通用性、可移植性,系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器軟件構(gòu)架,按照硬件層、驅(qū)動層、應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。這使得測試系統(tǒng)驅(qū)動程序和硬件變得透明,也使得復(fù)雜底層的總線控制協(xié)議和通信協(xié)議變得更為公開,可在射頻儀器提供的驅(qū)動程序基礎(chǔ)上通過簡單的二次開發(fā)來完成系統(tǒng)軟件設(shè)計。軟件系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖2所示。圖中,系統(tǒng)軟件由硬件層、驅(qū)動程序?qū)?、?yīng)用程序?qū)訕?gòu)成。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

(1) 硬件層。在硬件層,系統(tǒng)中的射頻儀器(頻譜分析儀、射頻信號源等)、數(shù)據(jù)采集卡、波瓣測試儀等測量設(shè)備通過以太網(wǎng)中的TCP/IP協(xié)議與控制計算機進行遠程通訊,實現(xiàn)系統(tǒng)軟件對測量設(shè)備的遠程控制。

(2) 驅(qū)動層。其主要包含接口驅(qū)動程序、射頻儀器驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序,控制計算機通過驅(qū)動層相關(guān)程序,實現(xiàn)對相應(yīng)測量設(shè)備的控制。

(3) 應(yīng)用層。依據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計中的功能定義,應(yīng)用層主要包含6項功能,分別是測量設(shè)備初始化、測量設(shè)備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等6個功能模塊[5]。各功能模塊的具體定義如下:

(a) “初始化”功能模塊:用于測量設(shè)備IP地址、網(wǎng)絡(luò)端口號的初始化設(shè)置,實現(xiàn)控制計算機與測量設(shè)備(包括頻譜分析儀、射頻信號源等射頻儀器,以及數(shù)據(jù)采集卡和波瓣測試儀)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊,完成測量設(shè)備的身份識別。在完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和身份識別后,可進行測量設(shè)備復(fù)位,使其恢復(fù)到出廠默認的工作狀態(tài)。

(b) “參數(shù)設(shè)置”功能模塊:用于實現(xiàn)測量設(shè)備頻率、功率以及數(shù)據(jù)采集時間等參數(shù)的設(shè)置。其中,頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置主要包括中心頻率、頻率跨度、起始頻率、終止頻率、幅度參考電平、掃描時間、掃描方式等,射頻信號源的參數(shù)設(shè)置主要包括頻率、功率以及調(diào)制開關(guān)、射頻開關(guān)等。

(c) “數(shù)據(jù)采集”功能模塊:用于實現(xiàn)雷達天線各種測試數(shù)據(jù)的采集。具體而言,主要通過控制計算機實現(xiàn)頻譜分析儀、數(shù)據(jù)采集卡幅度信息數(shù)據(jù)的采集,以及波瓣測試儀方位信息數(shù)據(jù)的采集。

(d) “數(shù)據(jù)顯示”功能模塊:用于實時顯示和后處理顯示采集得到的測量數(shù)據(jù)。其中,實時顯示是將天線測試過程中實時采集到的天線方位碼、接收通道信號功率幅度值等方向圖數(shù)據(jù),以曲線的形式實時顯示在計算機終端上。后處理顯示是將經(jīng)分析處理后得到的天線方向圖數(shù)據(jù)顯示在計算機終端上,用以判別天線性能(可根據(jù)指標要求在方向圖上設(shè)置“波束寬度”“副瓣電平”達標檢測線)。天線方向圖通常在直角坐標系(以方位碼為X軸,幅度值為Y軸)上進行繪制。

(e) “數(shù)據(jù)存儲”功能模塊:用于將天線測試得到的數(shù)據(jù)按指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成存儲,以便于后期的數(shù)據(jù)分析、處理、調(diào)用。天線方向圖數(shù)據(jù)通常以“方位碼-功率值”的格式進行存儲。

(f) “數(shù)據(jù)分析”功能模塊:用于對采集得到的數(shù)據(jù)進行分析處理,得到天線的各項性能參數(shù)的分析結(jié)果,同時自動生成“天線性能測試報告”。具體而言,就是根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進行天線方向圖主、副瓣的識別,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的自動計算,并依據(jù)指標要求自動評判測量結(jié)果是否滿足要求。在“天線性能測試報告”中,通常給出被測雷達天線方向圖,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的測量結(jié)果,并根據(jù)技術(shù)指標要求給出被測雷達天線是否滿足要求的測試結(jié)論。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

下面分別從系統(tǒng)軟件流程、數(shù)據(jù)處理算法和主界面設(shè)計等方面討論系統(tǒng)的具體設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件設(shè)備的初始化、參數(shù)設(shè)置等控制,實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存和處理分析。由此,可依據(jù)“測試設(shè)備初始化→測試設(shè)備參數(shù)設(shè)置→數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)顯示→數(shù)據(jù)保存→數(shù)據(jù)分析”的基本流程進行設(shè)計,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

軟件啟動后,第1步,進行系統(tǒng)“初始檢查”,檢查各種測量設(shè)備是否在線,如果相關(guān)設(shè)備未在線,將給出提示信息,重新設(shè)置網(wǎng)絡(luò)IP地址和端口號;如果相關(guān)設(shè)備在線則進行設(shè)備初始化。第2步,進行測量設(shè)備“參數(shù)設(shè)置”,按測試要求完成射頻儀器頻率、功率等參數(shù)設(shè)置。第3步,進行“數(shù)據(jù)采集”,通過控制計算機實現(xiàn)頻譜分析儀的測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集卡的測量數(shù)據(jù)和波瓣測試儀方位數(shù)據(jù)的采集。第4步,進行“數(shù)據(jù)顯示”,將天線測試過程中實時采集到的天線方位碼、接收通道信號功率幅度值等方向圖數(shù)據(jù),以曲線的形式實時顯示在計算機終端上。第5步,進行“數(shù)據(jù)存儲”,將天線測試得到的數(shù)據(jù)按“方位碼-功率值”的格式進行存儲。第6步,進行“數(shù)據(jù)分析”,對采集/存儲的數(shù)據(jù)進行天線方向圖主、副瓣的識別,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的自動計算,并依據(jù)指標要求自動評判測量結(jié)果是否滿足要求。最后,如果測量結(jié)果滿足要求,則打印測試報告,結(jié)束測量;如果測量結(jié)果不滿足要求,則可選擇再次進行測量。

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

雷達天線方向圖測量數(shù)據(jù)的處理是系統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)處理上的核心,其處理過程如圖4所示。第1步,首先利用頻譜分析儀、數(shù)據(jù)采集卡、波瓣測試儀等測量設(shè)備的采集數(shù)據(jù)得到遠場方向圖數(shù)據(jù)。第2步,對遠場方向圖數(shù)據(jù)在幅度與角度兩維完成遍歷查詢,查詢方向圖的最大幅度電平值及其相應(yīng)的角度數(shù)據(jù),該角度值就是被測相控陣天線的波束指向角。第3步,在波束指向角的兩邊查詢比最大方向圖幅度電平下降3 dB的幅度值以及相應(yīng)的角度值,2個角度差值作為相控陣天線的波束寬度。第4步,在最大輻射電平的兩邊分別查詢方向拐點的幅度值作為相控陣天線的副瓣電平值。最后,顯示波束指向角、波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的分析結(jié)果。

圖4 方向圖數(shù)據(jù)處理流程

3.3 主界面的設(shè)計

系統(tǒng)軟件主界面依據(jù)系統(tǒng)軟件的主要功能進行合理規(guī)劃。其中,將測量設(shè)備初始化、參數(shù)設(shè)置2項功能統(tǒng)一規(guī)劃為“測量設(shè)備初始化與參數(shù)設(shè)置區(qū)”,將天線方向圖數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲3項功能統(tǒng)一規(guī)劃為“數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲區(qū)”。另外,針對數(shù)據(jù)分析功能中自動生成測試報告的要求,在“數(shù)據(jù)分析區(qū)”的基礎(chǔ)上增加測試報告查看和打印頁面。

采用QT軟件開發(fā)平臺設(shè)計的系統(tǒng)軟件主界面如圖5所示。圖中,軟件系統(tǒng)框架遵循Windows程序設(shè)計標準,軟件框架中保留滾動條、狀態(tài)欄等。界面通過輸入框?qū)崿F(xiàn)測量設(shè)備參數(shù)的設(shè)置與更改,可實現(xiàn)天線波瓣測量數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示,完成預(yù)先設(shè)定的所有參數(shù)的測量與數(shù)據(jù)處理功能。

圖5 系統(tǒng)軟件主界面

4 系統(tǒng)軟件功能驗證

為檢驗系統(tǒng)功能,依托該系統(tǒng)對某型L波段兩坐標雷達反射面天線的接收性能進行了測量。測量時首先按照圖1的方式將待測天線、測試用天線、頻譜儀、信號源等硬件設(shè)備通過光纜、網(wǎng)線和信號饋線等線纜進行連接。隨后把信號源和頻譜儀IP地址設(shè)置為與計算機IP地址的網(wǎng)段相同,如計算機IP地址為192.168.1.1,則可將信號源和頻譜儀的IP地址分別設(shè)置為“192.168.1.23”和“192.168.1.24”,并點擊“連接信號源”“連接頻譜儀”,使其與計算機建立連接并能正常通信。再根據(jù)雷達技術(shù)說明書提供的技術(shù)指標,將信號源的頻率設(shè)置為994.0 MHz,功率設(shè)置為13 dBm;將頻譜儀的起始頻率設(shè)置為984.0 MHz,終止頻率設(shè)置為1 003.0 MHz,中心頻率設(shè)置為994.0 MHz,依次點擊“設(shè)置頻率”“設(shè)置功率”“設(shè)置中心頻率”“設(shè)置起始頻率”“設(shè)置終止頻率”。最后點擊“開始采數(shù)”,軟件即可自動生成天線波束最大值、水平副瓣電平和水平波束寬度。測試結(jié)果如圖6所示(關(guān)鍵指標如圖6右下角粗線框內(nèi)所示),測得該天線水平副瓣電平-36.6 dB(技術(shù)指標要求<-33 dB),計算出天線的水平波束寬度為6°(技術(shù)指標要求為6°±1.5°),均符合雷達天線技術(shù)指標要求。

圖6 天線性能指標測試結(jié)果

以上測試僅需1名工作人員在0.5 h內(nèi)即可完成,相較于以往需要2名人員耗時近3 h才能測得天線接收性能的傳統(tǒng)方法而言,該方法不僅大大提高了測試效率,同時還降低了人工判讀造成的誤差。

5 結(jié)束語

雷達天線性能指標測試系統(tǒng),是專門針對雷達天線方向圖測試而設(shè)計的一套自動測試系統(tǒng),主要用于實際環(huán)境中快速測量雷達天線波瓣寬度、副瓣電平、零深等參數(shù)。本文圍繞該系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計,分析了系統(tǒng)軟件的功能需求,提出了軟件設(shè)計的基本框架,從系統(tǒng)軟件流程、數(shù)據(jù)處理算法、系統(tǒng)界面設(shè)計等方面給出具體的軟件設(shè)計方案,并進行了實際運用。結(jié)果表明,該控制軟件具有界面直觀、操作便捷、交互性好等優(yōu)點,配合系統(tǒng)硬件可實現(xiàn)雷達天線性能指標的快速、準確測量,具有較高的實用價值與良好的推廣前景。