雷达天线性能指标测试系统控制软件设计与实现

梁朝华,邓 斌,王晶晶,吕 伟

(空军预警学院,湖北 武汉 430019)

0 引 言

随着雷达装备技术的发展,装备机内自检功能也越来越完善,大多数三、四代雷达装备已经实现了对发射、接收、馈线、信号处理、录取终端等分系统的在线监测,在装备工作过程中能够实时监测发射功率、接收机噪声系数、馈线驻波比、改善因子等指标。然而,由于受环境和测试条件的限制,目前对于雷达天线波瓣这一影响雷达效能发挥的重要指标仍然无法做到在线监测[1-3]。特别是对米波雷达,环境对天线波瓣的影响更为明显,容易造成波瓣分裂现象,导致天线性能下降,更是需要及时掌握雷达天线在实际环境中的性能变化情况。

雷达天线性能指标测试系统是专门针对雷达天线波瓣宽度、副瓣电平、零深等性能指标的快速测试而设计的一套自动测试系统[4-6]。本文针对该系统控制软件的设计与实现,首先分析系统软件的功能需求,然后在此基础上提出了软件设计的基本框架,最后分别从系统软件流程、数据处理算法、系统界面设计等3个方面给出软件设计的具体方案。

1 系统软件功能需求

雷达天线性能指标测试系统由硬件、软件2个部分组成。其中,系统硬件主要由频谱分析仪、射频信号源、波瓣测试仪、数据采集板、光电转换器、交换机、测量控制计算机等部件构成,如图1所示。系统软件安装在测量控制计算机内,主要完成硬件设备的控制,以及测量数据的采集、显示、存储和分析。根据雷达天线性能指标的实际测试需求,系统软件应具备以下功能:

图1 雷达天线接收方向图测试系统的基本组成框图

(1) 测量设备“初始化”功能:能够配置测量设备的网络地址、端口号,自动识别测量设备身份,恢复测量设备出厂状态设置。

(2) 测量设备“参数设置”功能:能够设置测量设备的频率、功率等参数。

(3) “数据采集”功能模块:能够采集频谱分析仪、数据采集卡的幅度信息数据集以及波瓣测试仪的方位信息数据。

(4) “数据显示”功能模块:能够以直角坐标绘图方式显示采集得到的天线方向图测量数据。

(5) “数据存储”功能模块:能够将测量得到的天线方向图数据按指定的数据结构存储。

(6) “数据分析”功能模块:能够处理采集得到的测量数据,分析得到天线性能测量结果,自动生成“天线性能测试报告”。

2 系统软件基本架构

为提高通用性、可移植性,系统软件采用虚拟仪器软件构架,按照硬件层、驱动层、应用层3层结构进行设计。这使得测试系统驱动程序和硬件变得透明,也使得复杂底层的总线控制协议和通信协议变得更为公开,可在射频仪器提供的驱动程序基础上通过简单的二次开发来完成系统软件设计。软件系统基本架构如图2所示。图中,系统软件由硬件层、驱动程序层、应用程序层构成。

图2 系统软件架构图

(1) 硬件层。在硬件层,系统中的射频仪器(频谱分析仪、射频信号源等)、数据采集卡、波瓣测试仪等测量设备通过以太网中的TCP/IP协议与控制计算机进行远程通讯,实现系统软件对测量设备的远程控制。

(2) 驱动层。其主要包含接口驱动程序、射频仪器驱动程序、数据采集卡驱动程序,控制计算机通过驱动层相关程序,实现对相应测量设备的控制。

(3) 应用层。依据系统软件设计中的功能定义,应用层主要包含6项功能,分别是测量设备初始化、测量设备参数设置、数据采集、数据显示、数据存储、数据分析等6个功能模块[5]。各功能模块的具体定义如下:

(a) “初始化”功能模块:用于测量设备IP地址、网络端口号的初始化设置,实现控制计算机与测量设备(包括频谱分析仪、射频信号源等射频仪器,以及数据采集卡和波瓣测试仪)之间的网络通讯,完成测量设备的身份识别。在完成网络设置和身份识别后,可进行测量设备复位,使其恢复到出厂默认的工作状态。

(b) “参数设置”功能模块:用于实现测量设备频率、功率以及数据采集时间等参数的设置。其中,频谱分析仪的参数设置主要包括中心频率、频率跨度、起始频率、终止频率、幅度参考电平、扫描时间、扫描方式等,射频信号源的参数设置主要包括频率、功率以及调制开关、射频开关等。

(c) “数据采集”功能模块:用于实现雷达天线各种测试数据的采集。具体而言,主要通过控制计算机实现频谱分析仪、数据采集卡幅度信息数据的采集,以及波瓣测试仪方位信息数据的采集。

(d) “数据显示”功能模块:用于实时显示和后处理显示采集得到的测量数据。其中,实时显示是将天线测试过程中实时采集到的天线方位码、接收通道信号功率幅度值等方向图数据,以曲线的形式实时显示在计算机终端上。后处理显示是将经分析处理后得到的天线方向图数据显示在计算机终端上,用以判别天线性能(可根据指标要求在方向图上设置“波束宽度”“副瓣电平”达标检测线)。天线方向图通常在直角坐标系(以方位码为X轴,幅度值为Y轴)上进行绘制。

(e) “数据存储”功能模块:用于将天线测试得到的数据按指定的数据结构完成存储,以便于后期的数据分析、处理、调用。天线方向图数据通常以“方位码-功率值”的格式进行存储。

(f) “数据分析”功能模块:用于对采集得到的数据进行分析处理,得到天线的各项性能参数的分析结果,同时自动生成“天线性能测试报告”。具体而言,就是根据所采集的数据进行天线方向图主、副瓣的识别,以及波束宽度、副瓣电平等性能参数的自动计算,并依据指标要求自动评判测量结果是否满足要求。在“天线性能测试报告”中,通常给出被测雷达天线方向图,以及波束宽度、副瓣电平等性能参数的测量结果,并根据技术指标要求给出被测雷达天线是否满足要求的测试结论。

3 系统软件设计与实现

下面分别从系统软件流程、数据处理算法和主界面设计等方面讨论系统的具体设计。

3.1 系统软件流程

系统软件主要实现对系统硬件设备的初始化、参数设置等控制,实现测量数据的采集、显示、保存和处理分析。由此,可依据“测试设备初始化→测试设备参数设置→数据采集→数据显示→数据保存→数据分析”的基本流程进行设计,如图3所示。

图3 系统软件流程图

软件启动后,第1步,进行系统“初始检查”,检查各种测量设备是否在线,如果相关设备未在线,将给出提示信息,重新设置网络IP地址和端口号;如果相关设备在线则进行设备初始化。第2步,进行测量设备“参数设置”,按测试要求完成射频仪器频率、功率等参数设置。第3步,进行“数据采集”,通过控制计算机实现频谱分析仪的测量数据、数据采集卡的测量数据和波瓣测试仪方位数据的采集。第4步,进行“数据显示”,将天线测试过程中实时采集到的天线方位码、接收通道信号功率幅度值等方向图数据,以曲线的形式实时显示在计算机终端上。第5步,进行“数据存储”,将天线测试得到的数据按“方位码-功率值”的格式进行存储。第6步,进行“数据分析”,对采集/存储的数据进行天线方向图主、副瓣的识别,以及波束宽度、副瓣电平等性能参数的自动计算,并依据指标要求自动评判测量结果是否满足要求。最后,如果测量结果满足要求,则打印测试报告,结束测量;如果测量结果不满足要求,则可选择再次进行测量。

3.2 数据处理算法

雷达天线方向图测量数据的处理是系统软件在数据处理上的核心,其处理过程如图4所示。第1步,首先利用频谱分析仪、数据采集卡、波瓣测试仪等测量设备的采集数据得到远场方向图数据。第2步,对远场方向图数据在幅度与角度两维完成遍历查询,查询方向图的最大幅度电平值及其相应的角度数据,该角度值就是被测相控阵天线的波束指向角。第3步,在波束指向角的两边查询比最大方向图幅度电平下降3 dB的幅度值以及相应的角度值,2个角度差值作为相控阵天线的波束宽度。第4步,在最大辐射电平的两边分别查询方向拐点的幅度值作为相控阵天线的副瓣电平值。最后,显示波束指向角、波束宽度、副瓣电平等性能参数的分析结果。

图4 方向图数据处理流程

3.3 主界面的设计

系统软件主界面依据系统软件的主要功能进行合理规划。其中,将测量设备初始化、参数设置2项功能统一规划为“测量设备初始化与参数设置区”,将天线方向图数据采集、显示、存储3项功能统一规划为“数据采集、显示与存储区”。另外,针对数据分析功能中自动生成测试报告的要求,在“数据分析区”的基础上增加测试报告查看和打印页面。

采用QT软件开发平台设计的系统软件主界面如图5所示。图中,软件系统框架遵循Windows程序设计标准,软件框架中保留滚动条、状态栏等。界面通过输入框实现测量设备参数的设置与更改,可实现天线波瓣测量数据的动态显示,完成预先设定的所有参数的测量与数据处理功能。

图5 系统软件主界面

4 系统软件功能验证

为检验系统功能,依托该系统对某型L波段两坐标雷达反射面天线的接收性能进行了测量。测量时首先按照图1的方式将待测天线、测试用天线、频谱仪、信号源等硬件设备通过光缆、网线和信号馈线等线缆进行连接。随后把信号源和频谱仪IP地址设置为与计算机IP地址的网段相同,如计算机IP地址为192.168.1.1,则可将信号源和频谱仪的IP地址分别设置为“192.168.1.23”和“192.168.1.24”,并点击“连接信号源”“连接频谱仪”,使其与计算机建立连接并能正常通信。再根据雷达技术说明书提供的技术指标,将信号源的频率设置为994.0 MHz,功率设置为13 dBm;将频谱仪的起始频率设置为984.0 MHz,终止频率设置为1 003.0 MHz,中心频率设置为994.0 MHz,依次点击“设置频率”“设置功率”“设置中心频率”“设置起始频率”“设置终止频率”。最后点击“开始采数”,软件即可自动生成天线波束最大值、水平副瓣电平和水平波束宽度。测试结果如图6所示(关键指标如图6右下角粗线框内所示),测得该天线水平副瓣电平-36.6 dB(技术指标要求<-33 dB),计算出天线的水平波束宽度为6°(技术指标要求为6°±1.5°),均符合雷达天线技术指标要求。

图6 天线性能指标测试结果

以上测试仅需1名工作人员在0.5 h内即可完成,相较于以往需要2名人员耗时近3 h才能测得天线接收性能的传统方法而言,该方法不仅大大提高了测试效率,同时还降低了人工判读造成的误差。

5 结束语

雷达天线性能指标测试系统,是专门针对雷达天线方向图测试而设计的一套自动测试系统,主要用于实际环境中快速测量雷达天线波瓣宽度、副瓣电平、零深等参数。本文围绕该系统控制软件的设计,分析了系统软件的功能需求,提出了软件设计的基本框架,从系统软件流程、数据处理算法、系统界面设计等方面给出具体的软件设计方案,并进行了实际运用。结果表明,该控制软件具有界面直观、操作便捷、交互性好等优点,配合系统硬件可实现雷达天线性能指标的快速、准确测量,具有较高的实用价值与良好的推广前景。