基于LXI總線技術(shù)的靶載干擾機(jī)綜合保障系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

(中國(guó)人民解放軍91851部隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

靶載干擾機(jī)作為靶彈電子對(duì)抗的重要裝備，能夠伴隨靶彈飛行對(duì)預(yù)定雷達(dá)實(shí)施近距離干擾，在提高靶彈突防概率和實(shí)戰(zhàn)化試訓(xùn)效果等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，靶載干擾機(jī)工作模式日益豐富，技術(shù)水平不斷提升。傳統(tǒng)的干擾機(jī)測(cè)試系統(tǒng)一般采用雷達(dá)模擬器等專用設(shè)備搭建，通用性差，拓展能力有限，人工操作較多，制約著干擾機(jī)保障能力和戰(zhàn)備水平的提高。

本文采用LXI總線測(cè)試技術(shù)和通用化儀器構(gòu)建了一套性能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)靈活的靶載干擾機(jī)綜合保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了干擾機(jī)的自動(dòng)測(cè)試與維護(hù)，滿足靈活多變的使用要求，縮短維修保障時(shí)間，有效提升了電子對(duì)抗保障裝備的技術(shù)水平和層次。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

靶載有源干擾機(jī)是發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)射頻干擾信號(hào)的電子設(shè)備，根據(jù)其工作原理及使用維護(hù)要求[3]，系統(tǒng)應(yīng)具有以下具體功能：

1)對(duì)干擾機(jī)輸入通道進(jìn)行檢測(cè)，主要包括接收靈敏度、接收動(dòng)態(tài)范圍、信號(hào)適應(yīng)能力等的測(cè)試；

2)對(duì)干擾機(jī)輸出通道進(jìn)行檢測(cè)，主要包括發(fā)射機(jī)功率、輸出動(dòng)態(tài)范圍及信號(hào)品質(zhì)、干擾樣式及指標(biāo)等的測(cè)試；

3)對(duì)干擾機(jī)整機(jī)性能進(jìn)行綜合檢測(cè)，主要包括系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間等的測(cè)試；

4)具備通過天線及饋線進(jìn)行干擾機(jī)開路(外場(chǎng))測(cè)試的功能；

5)具備自檢、標(biāo)校、歷史測(cè)試數(shù)據(jù)綜合分析等功能。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用LXI系統(tǒng)開放性的特點(diǎn)，以太網(wǎng)(Ethernet)和程控儀器為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一套實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)靈活的模塊化測(cè)控平臺(tái)。系統(tǒng)建立了可擴(kuò)展的測(cè)試儀器陣列，每個(gè)測(cè)試儀器陣列中的測(cè)試儀器是系統(tǒng)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[4-5]，通過擴(kuò)展測(cè)試儀器陣列完成激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生和響應(yīng)信號(hào)檢測(cè)。被測(cè)干擾機(jī)射頻信號(hào)可用高頻電纜與可擴(kuò)展儀器陣列有線連接，即采用注入式測(cè)試模式[6]進(jìn)行檢測(cè)。也可通過收發(fā)無線連接，采用輻射式測(cè)試模式進(jìn)行檢測(cè)。用戶可以柔性擴(kuò)充或更換測(cè)試儀器陣列中的測(cè)試儀器，不受儀器數(shù)量和放置地點(diǎn)的限制，有效提高儀器模塊利用率，擺脫傳輸距離的限制，實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)遠(yuǎn)距離測(cè)試和發(fā)射陣地技術(shù)保障。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)

測(cè)試儀器陣列以程控儀器為核心，集成機(jī)柜、檢波器、衰減器、收發(fā)天線等組件，程控儀器主要包括射頻信號(hào)源、頻譜分析儀、功率計(jì)、程控電源等。系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)示意圖

射頻信號(hào)源輸出的射頻信號(hào)由功分器分為三路信號(hào)，一路輸出給被測(cè)干擾機(jī)作為測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，一路經(jīng)下變頻后輸出給示波器用于時(shí)域分析；一路輸出給功率計(jì)用于功率計(jì)量。干擾機(jī)輸出的射頻響應(yīng)信號(hào)經(jīng)衰減和功分后也分為三路信號(hào)，分別輸出給示波器、頻譜儀和功率計(jì)用于信號(hào)時(shí)域、頻域和功率域分析。示波器使用射頻信號(hào)源提供的調(diào)制脈沖同步信號(hào)作為觸發(fā)源，以穩(wěn)定捕獲幅度小、信噪比差的檢波信號(hào)。頻譜分析儀使用射頻信號(hào)源提供的10 MHz參考信號(hào)作為內(nèi)部本振源的參考，可消除由于兩個(gè)獨(dú)立參考源的漂移造成的頻率測(cè)量誤差。路由器用于將程控儀器與測(cè)試計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)控整體。

2.2 主要硬件選型與設(shè)計(jì)

1)射頻信號(hào)源:系統(tǒng)選用AV1464掃頻信號(hào)源，可產(chǎn)生連續(xù)波信號(hào)、常規(guī)脈沖信號(hào)、脈內(nèi)調(diào)制信號(hào)，輸出信號(hào)的頻率、功率、調(diào)制方式、信號(hào)產(chǎn)生等參數(shù)由測(cè)試計(jì)算機(jī)靈活控制。

2)示波器: 系統(tǒng)選用DSO-X 4052數(shù)字示波器，具有兩個(gè)模擬通道，可同時(shí)顯示、測(cè)量檢波后激勵(lì)信號(hào)與干擾機(jī)反饋信號(hào)的時(shí)域特性，并對(duì)兩者波形的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行比較。

3)頻譜分析儀:系統(tǒng)選用AV4051信號(hào)/頻譜分析儀，配合115 dB程控步進(jìn)衰減器選件，可以完成射頻信號(hào)的頻域特性分析功能。

4)功率計(jì):系統(tǒng)選用AV2436單通道微波功率計(jì)，搭配AV81702探頭，可完成射頻信號(hào)脈沖功率和平均功率的測(cè)量。

5)功分器:系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)互相獨(dú)立的功分器組，輸入通道和輸出通道各一個(gè)，每個(gè)功分器組均采用分頻段覆蓋方式，滿足全頻段的工作頻率要求，主要用途如下：

①將信號(hào)源輸出的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分路，分別饋入被測(cè)設(shè)備和相關(guān)檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步監(jiān)測(cè)；

②將被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)進(jìn)行分路，分別饋入被測(cè)設(shè)備和相關(guān)檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)干擾機(jī)輸出信號(hào)的包絡(luò)監(jiān)測(cè)和輸出信號(hào)功率測(cè)量。

6)檢波器:系統(tǒng)采用全頻段檢波器，用于獲得被測(cè)射頻信號(hào)的包絡(luò)。

7)衰減器:系統(tǒng)選用11713C程控衰減器，由粗調(diào)和精調(diào)兩組相互獨(dú)立的衰減組件組成。調(diào)組件最大衰減90dB，衰減增量10dB；精調(diào)組件最大衰減30 dB，衰減增量為1 dB，滿足不同的功率適配需求，確保測(cè)試儀器安全。

主要程控儀器如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要程控儀器列表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在靶載干擾機(jī)綜合保障系統(tǒng)中，硬件用來提供信號(hào)的輸入輸出，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；軟件的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法決定著系統(tǒng)的功能與規(guī)模[7]，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。靶載干擾機(jī)綜合保障系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想是模塊化、層次化和通用化，符合VISA 標(biāo)準(zhǔn)，便于日常維護(hù)和功能擴(kuò)展[8]。

系統(tǒng)選用Windows7操作系統(tǒng)和Labwndows/CVI軟件構(gòu)建了一個(gè)開放式的軟件平臺(tái)。軟件框架由3個(gè)層次組成。第一個(gè)層次是用戶界面，其功能是進(jìn)行人機(jī)交互，選擇測(cè)試項(xiàng)目、顯示測(cè)試結(jié)果及進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。第二個(gè)層次是測(cè)試主控模塊，包括接收通道測(cè)試主控模塊、發(fā)射通道測(cè)試主控模塊、整機(jī)測(cè)試主控模塊、開路測(cè)試主控模塊和設(shè)備維護(hù)主控模塊五部分，其功能是負(fù)責(zé)各測(cè)試項(xiàng)目的管理與調(diào)度。第三個(gè)層次是測(cè)試功能模塊，包括自檢模塊、儀器控制模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等，其功能是接受主控模塊的調(diào)度，完成系統(tǒng)自檢、儀器管理、信號(hào)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等具體功能。軟件通過采用這種結(jié)構(gòu)，使其通用性、擴(kuò)充性和維護(hù)性都較強(qiáng)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 儀器控制模塊設(shè)計(jì)

儀器控制模塊采用SCPI(可程控設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)命令)實(shí)現(xiàn)與程控儀器的底層通信與控制功能。應(yīng)用面向測(cè)試功能(信號(hào))，而不是描述儀器操作的方法，作對(duì)程控命令的數(shù)據(jù)格式、響應(yīng)消息、語法結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵詞定義的方式給出了標(biāo)準(zhǔn)化的定義。其控制語句只與測(cè)試儀器的功能及其性能、精度有關(guān)，而與儀器硬件組成、制造廠家、通信物理連接硬件環(huán)境和測(cè)試程序編寫環(huán)境等均無關(guān)，使相同功能的儀器具有相同的程控命令，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試軟件的通用性[9-10]。

SCPI控制語句命令分為通用命令和儀器特定命令兩種類型。通用命令用來管理宏、狀態(tài)寄存器、同步和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行復(fù)位、同步等整體控制，儀器特定命令負(fù)責(zé)儀器的具體操作。儀器控制模塊對(duì)SCPI控制功能進(jìn)行封裝后提供給其它功能模塊使用。

3.3 信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)產(chǎn)生模塊負(fù)責(zé)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生與控制，包括信號(hào)源初始化、信號(hào)參數(shù)設(shè)置和信號(hào)開關(guān)控制3個(gè)子模塊。信號(hào)信號(hào)參數(shù)子模塊中的設(shè)置參數(shù)包括信號(hào)樣式、信號(hào)頻率、信號(hào)功率、調(diào)制方式4種類型。

射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊編程語句符合SCPI規(guī)范，主要語句有以下幾條，其中“vi_xhy”為射頻信號(hào)源的ID號(hào)：

viPrintf(vi_xhy,"output off "); // 射頻關(guān)

viPrintf(vi_xhy,":OUTP:MOD ON ");//面板調(diào)制開

viPrintf(vi_xhy,"PULM:INT:PWIDTH %lf us ", F0);// 設(shè)置信號(hào)源脈寬為F0

viPrintf(vi_xhy,"PULM:INT:PERIOD %lf us ", F1));//設(shè)置信號(hào)源重周為F1

viPrintf(vi_xhy,"FREQ %lf MHz ", FSet)；//設(shè)置信號(hào)源頻率為FSet

viQueryf(vi_xhy,"FREQ? ","%le",&FRead)；查詢信號(hào)源頻率

while(fabs(FSet-FRead) < R0)

viPrintf(vi_xhy,"output on ")；

//如果信號(hào)源頻率設(shè)置值與查詢值之差小于某一設(shè)定值R0，則認(rèn)為信號(hào)源頻率參數(shù)設(shè)置正確，打開射頻開關(guān)。

3.4 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)干擾機(jī)測(cè)試激勵(lì)信號(hào)和反饋信號(hào)的分析處理。由于靶載干擾機(jī)測(cè)試涉及信號(hào)數(shù)量眾多、型態(tài)各異，信號(hào)處理模塊根據(jù)測(cè)試指標(biāo)的不同進(jìn)行分類處理。對(duì)于信號(hào)的脈沖寬度、重頻周期等時(shí)域信號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目，信號(hào)處理模塊調(diào)用示波器函數(shù)進(jìn)行測(cè)量并將測(cè)試結(jié)果回報(bào)測(cè)試主控模塊。對(duì)于接收靈敏度、干擾功率、雜散等頻域和功率域信號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目，信號(hào)處理模塊調(diào)用頻率分析儀、功率計(jì)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量并將測(cè)試結(jié)果回報(bào)測(cè)試主控模塊。對(duì)于干擾時(shí)序等邏輯關(guān)系的檢測(cè)，信號(hào)處理模塊將測(cè)量的邏輯信號(hào)接入硬件觸發(fā)總線，對(duì)復(fù)雜邏輯信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)判斷。

在自動(dòng)測(cè)試過程中，被測(cè)信號(hào)往往疊加各種噪聲和干擾信號(hào)，增加了信號(hào)處理模塊檢測(cè)處理的難度。尤其快速變化信號(hào)的時(shí)間測(cè)量和脈寬測(cè)量，由于毛刺、突跳等干擾波形與正常波形在一定程度上可比擬，嚴(yán)重影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性和置信度。信號(hào)處理模塊采取以下方法實(shí)現(xiàn)了程控儀器的精細(xì)調(diào)節(jié)，解決了信號(hào)處理難題。

1)精確定義時(shí)間測(cè)量點(diǎn)閾值:為提高時(shí)間測(cè)量精度，系統(tǒng)對(duì)時(shí)間測(cè)量點(diǎn)設(shè)置低、中和高3種閾值，如圖4所示。低閾值和高閾值之間的時(shí)差表征信號(hào)的上升或下降時(shí)間；信號(hào)前后沿兩個(gè)中閾值點(diǎn)之間的時(shí)差表征信號(hào)的脈寬。系統(tǒng)默認(rèn)這3個(gè)閾值分別為信號(hào)最高值與最低值之間的10%、50% 和 90%。當(dāng)被測(cè)波形由于受到干擾產(chǎn)生畸變時(shí)，默認(rèn)的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)閾值難以滿足測(cè)量精度要求，系統(tǒng)可根據(jù)波形形態(tài)進(jìn)行更精確的設(shè)定。按百分比定義時(shí)間測(cè)量點(diǎn)的程控命令語句基本格式為":MEASure:DEFine THResholds,PERCent,N1,N2,N3"，其中N1、N2、N3分別為重新定義的低、中、高時(shí)間測(cè)量點(diǎn)閾值。

2)實(shí)時(shí)調(diào)整屏幕顯示范圍:為提高脈寬測(cè)量精度，系統(tǒng)采用了多次測(cè)量和屏幕顯示范圍實(shí)時(shí)調(diào)整相結(jié)合的方法。在測(cè)量前，系統(tǒng)先對(duì)被測(cè)波形寬度進(jìn)行預(yù)估和試測(cè)，不斷比較試測(cè)脈沖寬度和屏幕顯示范圍，實(shí)時(shí)調(diào)整屏幕時(shí)基以適應(yīng)信號(hào)寬度的變化。當(dāng)信號(hào)形態(tài)在屏幕上顯示完整清晰后，再進(jìn)行正式測(cè)量，可取得較為精確的測(cè)量結(jié)果，測(cè)試界面如圖5所示。調(diào)整時(shí)基的程控命令語句基本格式為":TIMebase:RANGe N4"，其中N4為時(shí)基設(shè)置值。

精確脈寬測(cè)量的主要語句如下，其中“vi_sbq”為示波器的ID號(hào)：

viPrintf(vi_sbq,"*RST ");//重啟示波器

viPrintf(vi_sbq, ":AUTOSCALE ");//設(shè)置示波器為自動(dòng)模式

viPrintf(vi_sbq, ":MEASure:SOURce CHAN1 ");//選擇通道1為測(cè)量源

viPrintf(vi_sbq, ":MEASure:DEFine THResholds,PERCent,8,55,92 ")

//按百分比重新設(shè)置時(shí)間測(cè)量點(diǎn)閾值

viQueryf(vi_sbq,":TIMebase:NWidth? ", "%lf",&N5);//試測(cè)通道1的脈沖寬度

viQueryf(vi_sbq,":TIMebase:RANGe? ", "%lf",&N6); //讀取當(dāng)前全屏的測(cè)量基準(zhǔn)

while(fabs(N5*2) < fabs(N6))

viPrintf(vi_sbq, ":TIMebase:RANGe %lf ",N6); //調(diào)整屏幕測(cè)量基準(zhǔn)以適應(yīng)信號(hào)脈寬變化

viQueryf(vi_sbq,":TIMebase:NWidth? ", "%lf",&N5);//進(jìn)行脈沖寬度的正式測(cè)量

圖4 時(shí)間測(cè)量點(diǎn)示意圖

圖5 脈沖寬度測(cè)試界面

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊將每次設(shè)備開機(jī)及測(cè)試的各種分散數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的格式保存管理起來，形成一個(gè)有機(jī)的整體。數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型不但包括數(shù)值、文本等常規(guī)類型，還包括各種波形數(shù)據(jù)。各測(cè)試項(xiàng)測(cè)試條件(如起始頻率、終止頻率、脈寬、重頻周期、樣本個(gè)數(shù)等)、判別依據(jù)也存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，主控模塊通過調(diào)用該模塊，與上下限值比較，判斷參數(shù)是否合格，然后將結(jié)果返回用戶界面。為增加測(cè)試精確性，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊保存了天線增益表和電纜損耗表，按每100 MHz校準(zhǔn)了測(cè)試高所需各高頻電纜的損耗值，按500 Mz校準(zhǔn)了寬頻段天線的增益值，供測(cè)試與標(biāo)校時(shí)調(diào)用。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

在聯(lián)調(diào)測(cè)試和試運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)在操作人員減少一半的情況下，使靶載干擾機(jī)測(cè)試維護(hù)時(shí)間縮短45%，人工參與環(huán)節(jié)減少80%，測(cè)試精度高，可靠性好。

4 結(jié)束語

本文采用LXI總線測(cè)試技術(shù)和通用化儀器，構(gòu)建了一套性能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)靈活的靶載干擾機(jī)綜合保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了靶載干擾機(jī)的自動(dòng)測(cè)試與維護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用LXI總線技術(shù)構(gòu)建綜合保障系統(tǒng)，符合靶載干擾機(jī)測(cè)試維護(hù)的客觀要求，有利于提升干擾機(jī)的綜合保障水平，實(shí)際應(yīng)用意義較大。