吳　衛(wèi)，周邦華，耿樹巧，劉　劍(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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相控陣被動雷達(dá)信號處理性能的自動化測試技術(shù)

吳衛(wèi)，周邦華，耿樹巧，劉劍
(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:為了提高相控陣被動雷達(dá)信號處理性能的測試效率和精度，設(shè)計(jì)了一種新型的自動測試系統(tǒng)。描述了自動測試系統(tǒng)的工作原理及主要功能，著重介紹了軟件設(shè)計(jì)和硬件組成等關(guān)鍵技術(shù)解決方案。實(shí)際應(yīng)用證明，該測試系統(tǒng)通用性好，自動化和智能化程度高，滿足對多種技術(shù)指標(biāo)的測試要求。

關(guān)鍵詞:相控陣;被動雷達(dá);信號處理;測試系統(tǒng);自動測試; DBF

0　引言

在相控陣被動雷達(dá)研制過程期間，需要對其信號處理能力進(jìn)行多種技術(shù)指標(biāo)的測試，從而使測試過程能更全面地反映系統(tǒng)的性能指標(biāo)。由于信號處理功能模塊的前端輸入依賴于前端的T/R組件傳過來的陣元信號，同時需要調(diào)度軟件進(jìn)行DBF系數(shù)等各種參數(shù)的傳輸，因此當(dāng)T/R組件或者調(diào)度軟件條件不具備但需要單獨(dú)進(jìn)行信號處理指標(biāo)考核時，就需要研究一種方法能夠使信號處理功能模塊能夠不依賴T/R組件和調(diào)度軟件從而獨(dú)立工作。具體來說是編寫專門的界面以便輸入相應(yīng)參數(shù)，同時將各種參數(shù)和命令通過PCI采集卡發(fā)送給信號處理功能模塊;信號處理功能模塊根據(jù)輸入?yún)?shù)模擬產(chǎn)生相應(yīng)的陣元信號，再進(jìn)行后續(xù)的各種指標(biāo)測試;用PCI采集卡實(shí)時采集相應(yīng)的信號處理后的輸出數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)中分析，最后將分析結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)顯示界面中。為便于界面控制軟件的開發(fā)和升級，選擇MATLAB作為開發(fā)工具。與其他開發(fā)工具相比，MATLAB有功能強(qiáng)大的GUI界面和用戶交互，并且其Instrument Toolbox有許多調(diào)用簡單、功能完備的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對信號處理功能模塊的控制操作［1］。

1　信號處理設(shè)計(jì)

信號處理功能模塊主要完成DBF合成和脈沖參數(shù)計(jì)算等功能。硬件主要采用VPX架構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要功能由位于VPX機(jī)箱內(nèi)的6塊相同的通用FPGA信號處理板實(shí)現(xiàn)。每塊板包括兩片XILINX公司Virtex6 LX550T的FPGA芯片。通用FPGA信號處理板間通過背板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。具體數(shù)據(jù)流程介紹如下:首先通過4塊通用FPGA信號處理板對前端TR組件傳過來的的陣元信號實(shí)現(xiàn)同時8波束DBF合成或者IFF和差波束合成。由于前端傳來的陣元信號共有40路，所以每塊板對10路光纖信號進(jìn)行處理，將前4塊板得到的DBF合成結(jié)果送入第5塊通用FPGA信號處理板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果送入第6塊通用FPGA信號處理板的脈沖參數(shù)測量單元中進(jìn)行被動脈沖參數(shù)測量，得到脈沖描述字(PDW)，并將PDW送往計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理。信號處理框圖如圖1所示。

圖1　信號處理框圖

2　自測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自測系統(tǒng)是在信號處理功能模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建的。需要外接一臺安裝有自測系統(tǒng)界面軟件的計(jì)算機(jī)，使用脈沖參數(shù)測量板作為信號處理功能模塊唯一輸入輸出端口和計(jì)算機(jī)通過PCI卡上的光纖端口進(jìn)行信息交互。需要說明的是，由于自測系統(tǒng)不依賴于前端TR組件傳來的陣元信號數(shù)據(jù)和調(diào)度軟件傳來的DBF系數(shù)，因此需要在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下在第1到第4塊DBF板上模擬產(chǎn)生陣元信號數(shù)據(jù)。同樣的，也需要根據(jù)界面輸入的波束方位信息由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出相應(yīng)的DBF系數(shù)并傳輸?shù)叫盘柼幚砉δ苣K中的前4塊DBF板上。具體流程如下:

(1)在計(jì)算機(jī)界面上輸入模擬產(chǎn)生的陣元信號的脈寬、載頻、波束方位等信息，將這些信息形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包通過PCI卡上的光纖端口進(jìn)行輸出并送到信號處理功能模塊中的脈沖參數(shù)測量板上。

(2)脈沖參數(shù)測量板收到控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過VPX背板分發(fā)到前4塊DBF板上，前4塊DBF板上根據(jù)數(shù)據(jù)包中脈寬、載頻等參數(shù)生成相應(yīng)的模擬陣元信號。一方面，模擬陣元信號根據(jù)數(shù)據(jù)包中波束方位信息生成的DBF系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的DBF合成，并通過背板傳輸?shù)矫}沖參數(shù)測量板上實(shí)現(xiàn)脈沖參數(shù)測量功能，或者在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下通過PCI卡采集DBF合成之后的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)以便畫DBF方向圖;另一方面，模擬陣元信號本身也會通過背板傳輸?shù)矫}沖參數(shù)測量板上，同時在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下通過PCI卡采集模擬陣元信號數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行DBF處理損失的指標(biāo)計(jì)算;

(3)脈沖參數(shù)測量板收到DBF合成結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的脈沖參數(shù)測量得到脈沖描述字(PDW)，并在計(jì)算機(jī)界面軟件控制下將PDW通過PCI卡采集后傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行脈寬、載頻等參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)及結(jié)果顯示。

具體交互流程參見圖2。

圖2　信號交互流程圖

3　PCI采集卡及驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

信號處理功能模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的采集卡是基于XILINX公司XC5VLX30T信號處理芯片的高速信號PCI采集卡，可以接收光纖模塊傳入的實(shí)時采集數(shù)據(jù)，可以對信號進(jìn)行緩存、以及對控制參數(shù)的發(fā)送等功能。采集卡的FPGA芯片中提供的硬件資源見表1。

表1　FPGA芯片中提供的硬件資源表

根據(jù)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，PCI采集卡選用2個Finisar公司生產(chǎn)的光-電轉(zhuǎn)換模塊FTLF8524E2GNL，最高轉(zhuǎn)換速率為4.25 Gb/s，傳輸距離最大550 m，工作電壓為單一3.3V供電。

驅(qū)動程序采用Windriver8.0開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，用VC + +編譯成DLL，供應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)用。

驅(qū)動程序包括以下幾個部分［2］:

①加載采集卡的DLL驅(qū)動程序loadlibrary('CaijiDLL.dll'，'CaijiDLL_Matlab.h');

②打開采集卡，并得到狀態(tài)標(biāo)記return_status = calllib('CaijiDLL'，'MyPCICardOpen');［return_status card_flag］= calllib('CaijiDLL'，' MyPCICardRead_Flag'，0);

③控制板子開始采集數(shù)據(jù)return_status = calllib('CaijiDLL'，'MyPCICardStartDaq');

④得到采集的數(shù)據(jù)［return_status，PDW_Raw_Data］= calllib('CaijiDLL'，' MyPCICardGetData'，PDW _ Raw _ Data，DATA _ SIZE);

⑤關(guān)閉設(shè)備Calllib(' CaijiDLL'，' MyPCICard-Close');

⑥關(guān)閉動態(tài)庫unloadlibrary CaijiDLL。

4　軟件控制流程

4.1 DBF板軟件控制流程

DBF板的指標(biāo)測試主要包括DBF合成之后的方向圖以及DBF處理損失計(jì)算兩個方面，因此分兩個部分進(jìn)行介紹。

被動8波束或者IFF和差波束的軟件控制流程介紹如下:

(1)在自測系統(tǒng)界面軟件上輸入生成陣元信號脈寬、載頻以及8個波束方位指向等參數(shù)，再在被動8波束框中點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕，根據(jù)輸入的波束方位計(jì)算出相應(yīng)的DBF系數(shù)，并連同脈寬、載頻等信息送入PCI卡形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過光纖輸出到信號處理分系統(tǒng)中，DBF板接收到控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)生成陣元信號;

(2)點(diǎn)擊“噪聲控制”按鈕，發(fā)送噪聲控制命令包到信號處理分系統(tǒng)中，將DBF板上生成的陣元信號疊加上“高斯”噪聲;

(3)點(diǎn)擊“開始測試”按鈕，模擬目標(biāo)沿陣面從－50°～50°進(jìn)行切向運(yùn)動，角度精度設(shè)置為0.2°，由此可以計(jì)算出501個相位碼和方位碼并將生成的相位碼和方位碼形成數(shù)據(jù)包發(fā)送到信號處理分系統(tǒng)中，DBF板接收到傳入的相位碼和方位碼后就能夠向計(jì)算機(jī)發(fā)送當(dāng)前相位碼和方位碼所對應(yīng)的DBF結(jié)果，計(jì)算機(jī)通過PCI卡采集到DBF結(jié)果后進(jìn)行分析并畫出最終方向圖。

IFF和差波束合成的軟件控制流程和被動8波束合成一樣，參見被動8波束介紹。

DBF處理損失計(jì)算的軟件控制流程介紹如下:

(1)和被動8波束合成操作一樣在界面輸入相應(yīng)的參數(shù)，再在DBF處理損失框中點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕，將輸入的參數(shù)送入PCI卡形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過光纖輸出到信號處理分系統(tǒng)中;

(2)點(diǎn)擊“噪聲控制”按鈕，發(fā)送噪聲控制命令包到信號處理分系統(tǒng)中，將DBF板中生成的陣元信號疊加上“高斯”噪聲;

(3)點(diǎn)擊“陣元采樣”按鈕，此時計(jì)算機(jī)將依次發(fā)送陣元采集指示數(shù)據(jù)包到信號處理分系統(tǒng)中，該包包含有1～40路通道號以及IQ索引號，此時DBF板接收到該數(shù)據(jù)包后就將相應(yīng)通道相應(yīng)IQ陣元信號數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，直到采集完整的40個通道的I路數(shù)據(jù)以及40個通道的Q路數(shù)據(jù)總計(jì)80路陣元信號數(shù)據(jù);

(4)點(diǎn)擊“DBF采樣”按鈕，這個步驟和前面被動8波束采集一樣在此不展開敘述。計(jì)算機(jī)在收集到完整的陣元數(shù)據(jù)以及DBF合成之后的數(shù)據(jù)后就可以進(jìn)行DBF處理損失的分析，并得出相應(yīng)的結(jié)果顯示在界面軟件上。

4.2脈沖參數(shù)測量板軟件控制流程

脈沖參數(shù)測量板的軟件控制流程介紹如下:

(1)在自測系統(tǒng)界面軟件上輸入生成陣元信號脈寬、載頻等參數(shù)，再在脈沖參數(shù)單元測試框中點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕將輸入的參數(shù)送入PCI卡形成控制參數(shù)數(shù)據(jù)包后通過光纖輸出到信號處理功能模塊中;

(2)點(diǎn)擊“噪聲控制”按鈕，發(fā)送噪聲控制命令包到到信號處理功能模塊中，將DBF板中生成的陣元信號疊加上“偽隨機(jī)”噪聲;

(3)點(diǎn)擊“方位歸零”按鈕，保證DBF合成波束都指向法線，此時DBF后的IQ信號幅值最大利于脈沖參數(shù)測量;

(4)點(diǎn)擊“開始測試”按鈕，將脈沖參數(shù)測量板對前端送入的DBF合成信號處理之后生成的PDW送入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換和分析計(jì)算，得到脈沖和載頻的測量結(jié)果及均方根誤差顯示在界面軟件上。

5　分析結(jié)果及顯示

顯示界面如圖3所示。

圖3　自測系統(tǒng)顯示界面

同時8波束合成方向圖如圖4所示(界面輸入的8波束分別指向－30°，－20°，－10°，0°，10°，20°，30°，40°)。

圖4　同時8波束合成方向圖

由被動8波束合成圖可以清晰看出波束的個數(shù)和指向都和界面輸入能夠一一對應(yīng)。

IFF和差波束合成方向圖如圖5所示(界面輸入的波束方位指向10°)。

由IFF波束合成圖可以清晰看出和差波束的指向都和界面輸入能夠一一對應(yīng)。

對陣元信號分析后得到的頻譜如圖6所示。

圖5　IFF和差波束合成方向圖

圖6　陣元信號的頻譜圖

對DBF后信號分析后得到的頻譜如圖7所示。

圖7　DBF后信號的頻譜圖

由圖6、圖7可知，考慮了FFT所帶來的增益，陣元信號SNR =－13.95，DBF后信號SNR2 = 4.63 dB，故DBF所帶來的信噪比提高為SNRo =4.63－(－13.95)= 18.58 dB，理論增益為10* log10(80)= 19.03 dB。因此，DBF處理損失為: 19.03 dB－18.58dB = 0.45 dB。將DBF處理損失顯示到界面上，最后對采集的PDW進(jìn)行分析并得到的脈寬和頻率的均值并顯示在界面上，同時統(tǒng)計(jì)脈寬和頻率的均方誤差并顯示在界面上，參見圖3。

6　結(jié)束語

本文以相控陣被動雷達(dá)信號處理功能模塊為例，介紹了一種基于MATLAB的自動化測試軟件設(shè)計(jì)方法。通過圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)，由程序控制來自動產(chǎn)生覆蓋測試要求的不同參數(shù)組合信號，并能自動計(jì)算出方向圖、DBF合成損失等測試結(jié)果。根據(jù)實(shí)際使用情況表明，自動化測試系統(tǒng)構(gòu)建簡便，易于實(shí)現(xiàn)，大部分操作均采用計(jì)算機(jī)軟件自動控制，而人工操作部分相對簡單;測試過程時間短，易于后期作數(shù)據(jù)分析比較;還能根據(jù)需要擴(kuò)展功能，對提高設(shè)計(jì)效率和定位排查故障點(diǎn)等方面有著十分現(xiàn)實(shí)的意義［3］。

參考文獻(xiàn):

［1］劉映杰.用WinDriver開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動程序［J］.信息技術(shù)，2004(2).

［3］薛年喜.MATLAB在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，2007:53-73.

［2］熊毅.有源相控陣天線自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2012(5).

Automatic test technology of signal processing performance for passive phased-array radar

WU Wei，ZHOU Bang-hua，GENG Shu-qiao，LIU Jian
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A new automatic test system(ATS)is designed to improve the test efficiency and precision of the signal processing performance of the passive phased-array radar.The working principle and main functions of the ATS are described with an emphasis on the solutions to the key technologies such as the software design and the hardware constitution.It is verified through actual applications that the ATS meets the test demands of multiple technical indexes，featuring good universality and high automation and intelligence.

Keywords:phased array; passive radar; signal processing; test system; automatic test; DBF

作者簡介:吳衛(wèi)(1977-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號處理技術(shù);周邦華(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號處理技術(shù);耿樹巧(1987-)，女，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號處理技術(shù);劉劍(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號處理。

收稿日期:2015-03-11;修回日期:2015-03-20

文章編號:1009－0401(2015)02－0033－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN958.92