雷達(dá)天線性能指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁朝華,鄧 斌,王晶晶,呂 偉

(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

0 引 言

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

雷達(dá)天線性能指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)是專門針對(duì)雷達(dá)天線波瓣寬度、副瓣電平、零深等性能指標(biāo)的快速測(cè)試而設(shè)計(jì)的一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[4-6]。本文針對(duì)該系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)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(jì)等3個(gè)方面給出軟件設(shè)計(jì)的具體方案。

1 系統(tǒng)軟件功能需求

雷達(dá)天線性能指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)由硬件、軟件2個(gè)部分組成。其中,系統(tǒng)硬件主要由頻譜分析儀、射頻信號(hào)源、波瓣測(cè)試儀、數(shù)據(jù)采集板、光電轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、測(cè)量控制計(jì)算機(jī)等部件構(gòu)成,如圖1所示。系統(tǒng)軟件安裝在測(cè)量控制計(jì)算機(jī)內(nèi),主要完成硬件設(shè)備的控制,以及測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)和分析。根據(jù)雷達(dá)天線性能指標(biāo)的實(shí)際測(cè)試需求,系統(tǒng)軟件應(yīng)具備以下功能:

圖1 雷達(dá)天線接收方向圖測(cè)試系統(tǒng)的基本組成框圖

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

(2) 測(cè)量設(shè)備“參數(shù)設(shè)置”功能:能夠設(shè)置測(cè)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(cè)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(biāo)繪圖方式顯示采集得到的天線方向圖測(cè)量數(shù)據(jù)。

(5) “數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”功能模塊:能夠?qū)y(cè)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(chǔ)。

(6) “數(shù)據(jù)分析”功能模塊:能夠處理采集得到的測(cè)量數(shù)據(jù),分析得到天線性能測(cè)量結(jié)果,自動(dòng)生成“天線性能測(cè)試報(bào)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(dòng)層、應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這使得測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序基礎(chǔ)上通過簡(jiǎn)單的二次開發(fā)來完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。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(dòng)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(hào)源等)、數(shù)據(jù)采集卡、波瓣測(cè)試儀等測(cè)量設(shè)備通過以太網(wǎng)中的TCP/IP協(xié)議與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件對(duì)測(cè)量設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

(2) 驅(qū)動(dòng)層。其主要包含接口驅(qū)動(dòng)程序、射頻儀器驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序,控制計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動(dòng)層相關(guān)程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)測(cè)量設(shè)備的控制。

(3) 應(yīng)用層。依據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的功能定義,應(yīng)用層主要包含6項(xiàng)功能,分別是測(cè)量設(shè)備初始化、測(cè)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(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等6個(gè)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(cè)量設(shè)備IP地址、網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)的初始化設(shè)置,實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算機(jī)與測(cè)量設(shè)備(包括頻譜分析儀、射頻信號(hào)源等射頻儀器,以及數(shù)據(jù)采集卡和波瓣測(cè)試儀)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊,完成測(cè)量設(shè)備的身份識(shí)別。在完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和身份識(shí)別后,可進(jìn)行測(cè)量設(shè)備復(fù)位,使其恢復(fù)到出廠默認(rèn)的工作狀態(tài)。

(b) “參數(shù)設(shè)置”功能模塊:用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備頻率、功率以及數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shí)間、掃描方式等,射頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線各種測(cè)試數(shù)據(jù)的采集。具體而言,主要通過控制計(jì)算機(jī)實(shí)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(cè)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(shí)時(shí)顯示和后處理顯示采集得到的測(cè)量數(shù)據(jù)。其中,實(shí)時(shí)顯示是將天線測(cè)試過程中實(shí)時(shí)采集到的天線方位碼、接收通道信號(hào)功率幅度值等方向圖數(shù)據(jù),以曲線的形式實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)終端上,用以判別天線性能(可根據(jù)指標(biāo)要求在方向圖上設(shè)置“波束寬度”“副瓣電平”達(dá)標(biāo)檢測(cè)線)。天線方向圖通常在直角坐標(biāo)系(以方位碼為X軸,幅度值為Y軸)上進(jìn)行繪制。

(e) “數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”功能模塊:用于將天線測(cè)試得到的數(shù)據(jù)按指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成存儲(chǔ),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(jìn)行存儲(chǔ)。

(f) “數(shù)據(jù)分析”功能模塊:用于對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到天線的各項(xiàng)性能參數(shù)的分析結(jié)果,同時(shí)自動(dòng)生成“天線性能測(cè)試報(bào)告”。具體而言,就是根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行天線方向圖主、副瓣的識(shí)別,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算,并依據(jù)指標(biāo)要求自動(dòng)評(píng)判測(cè)量結(jié)果是否滿足要求。在“天線性能測(cè)試報(bào)告”中,通常給出被測(cè)雷達(dá)天線方向圖,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的測(cè)量結(jié)果,并根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求給出被測(cè)雷達(dá)天線是否滿足要求的測(cè)試結(jié)論。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)等方面討論系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的初始化、參數(shù)設(shè)置等控制,實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存和處理分析。由此,可依據(jù)“測(cè)試設(shè)備初始化→測(cè)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(jìn)行設(shè)計(jì),如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

軟件啟動(dòng)后,第1步,進(jìn)行系統(tǒng)“初始檢查”,檢查各種測(cè)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(hào);如果相關(guān)設(shè)備在線則進(jìn)行設(shè)備初始化。第2步,進(jìn)行測(cè)量設(shè)備“參數(shù)設(shè)置”,按測(cè)試要求完成射頻儀器頻率、功率等參數(shù)設(shè)置。第3步,進(jìn)行“數(shù)據(jù)采集”,通過控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量數(shù)據(jù)和波瓣測(cè)試儀方位數(shù)據(jù)的采集。第4步,進(jìn)行“數(shù)據(jù)顯示”,將天線測(cè)試過程中實(shí)時(shí)采集到的天線方位碼、接收通道信號(hào)功率幅度值等方向圖數(shù)據(jù),以曲線的形式實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)終端上。第5步,進(jìn)行“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”,將天線測(cè)試得到的數(shù)據(jù)按“方位碼-功率值”的格式進(jìn)行存儲(chǔ)。第6步,進(jìn)行“數(shù)據(jù)分析”,對(duì)采集/存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行天線方向圖主、副瓣的識(shí)別,以及波束寬度、副瓣電平等性能參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算,并依據(jù)指標(biāo)要求自動(dòng)評(píng)判測(cè)量結(jié)果是否滿足要求。最后,如果測(cè)量結(jié)果滿足要求,則打印測(cè)試報(bào)告,結(jié)束測(cè)量;如果測(cè)量結(jié)果不滿足要求,則可選擇再次進(jìn)行測(cè)量。

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

雷達(dá)天線方向圖測(cè)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(cè)試儀等測(cè)量設(shè)備的采集數(shù)據(jù)得到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)。第2步,對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)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(gè)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(diǎn)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(jì)

系統(tǒng)軟件主界面依據(jù)系統(tǒng)軟件的主要功能進(jìn)行合理規(guī)劃。其中,將測(cè)量設(shè)備初始化、參數(shù)設(shè)置2項(xiàng)功能統(tǒng)一規(guī)劃為“測(cè)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(chǔ)3項(xiàng)功能統(tǒng)一規(guī)劃為“數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ)區(qū)”。另外,針對(duì)數(shù)據(jù)分析功能中自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告的要求,在“數(shù)據(jù)分析區(qū)”的基礎(chǔ)上增加測(cè)試報(bào)告查看和打印頁(yè)面。

采用QT軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn),軟件框架中保留滾動(dòng)條、狀態(tài)欄等。界面通過輸入框?qū)崿F(xiàn)測(cè)量設(shè)備參數(shù)的設(shè)置與更改,可實(shí)現(xiàn)天線波瓣測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示,完成預(yù)先設(shè)定的所有參數(shù)的測(cè)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(yàn)證

為檢驗(yàn)系統(tǒng)功能,依托該系統(tǒng)對(duì)某型L波段兩坐標(biāo)雷達(dá)反射面天線的接收性能進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量時(shí)首先按照?qǐng)D1的方式將待測(cè)天線、測(cè)試用天線、頻譜儀、信號(hào)源等硬件設(shè)備通過光纜、網(wǎng)線和信號(hào)饋線等線纜進(jìn)行連接。隨后把信號(hào)源和頻譜儀IP地址設(shè)置為與計(jì)算機(jī)IP地址的網(wǎng)段相同,如計(jì)算機(jī)IP地址為192.168.1.1,則可將信號(hào)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(diǎn)擊“連接信號(hào)源”“連接頻譜儀”,使其與計(jì)算機(jī)建立連接并能正常通信。再根據(jù)雷達(dá)技術(shù)說明書提供的技術(shù)指標(biāo),將信號(hào)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(diǎn)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(diǎn)擊“開始采數(shù)”,軟件即可自動(dòng)生成天線波束最大值、水平副瓣電平和水平波束寬度。測(cè)試結(jié)果如圖6所示(關(guān)鍵指標(biāo)如圖6右下角粗線框內(nèi)所示),測(cè)得該天線水平副瓣電平-36.6 dB(技術(shù)指標(biāo)要求<-33 dB),計(jì)算出天線的水平波束寬度為6°(技術(shù)指標(biāo)要求為6°±1.5°),均符合雷達(dá)天線技術(shù)指標(biāo)要求。

圖6 天線性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

以上測(cè)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(shí)近3 h才能測(cè)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(cè)試效率,同時(shí)還降低了人工判讀造成的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)天線性能指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng),是專門針對(duì)雷達(dá)天線方向圖測(cè)試而設(shè)計(jì)的一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),主要用于實(shí)際環(huán)境中快速測(cè)量雷達(dá)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(jì),分析了系統(tǒng)軟件的功能需求,提出了軟件設(shè)計(jì)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(jì)等方面給出具體的軟件設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)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(diǎn),配合系統(tǒng)硬件可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線性能指標(biāo)的快速、準(zhǔn)確測(cè)量,具有較高的實(shí)用價(jià)值與良好的推廣前景。