基于虚拟仪器技术的无线电高度表动态测试系统

O 引言
无线电高度表是飞航式反舰导弹的重要测量元件，其性能决定了导弹纵向弹道的控制品质。对于超低空掠海飞行的导弹，无线电高度表反射回波的频谱结构比较复杂，导弹运动时，各点之间有相对运动，使得各反射点的多卜勒频率不同，有可能在接收机形成差拍(称二次多卜勒效应)，结果是合成回波信号的频谱展宽；由于回波信号振幅的起伏也能形成频谱的调制分量。信号杂波的交叉调制会使差拍信号的频谱纯度及波形发生畸变，导致计数器计数错误，从而使高度表输出高度错误，严重时使导弹提前入水。
本文从无线电高度表工作原理的分析与研究出发，完成了基于虚拟仪器的无线电高度表动态测试系统总体设计，该方案可以全面模拟无线电高度表动态工作过程，提早发现高度表故障。

1 无线电高度表原理
无线电高度表的工作方式有脉冲和调频连续波2种。目前国外基本采用脉冲方式，国内基本采用调频连续波方式。调频连续波的调制方式有3种：正弦波调制、三角波调制、锯齿波调制，目前国内反舰导弹上使用的无线电高度表，采用的调制方式都是锯齿波调制。
图1说明了以锯齿波调制方式工作的雷达高度表获取差拍信号的基本原理，设发射信号为锯齿调频连续波。Tm为调频周期，其值远大于最大作用距离处目标回波时延Tr。B为调频带宽，fo为中心频率，k=B／T为调频斜率，不考虑目标的运动，即目标的径向速度v=0。图1(a)表示信号的频率-时间关系，实线代表发射信号，虚线代表回波信号，波形与发射信号相似，只是在时间上，相对于发射信号有Td=2H／c的时延，该时延与导弹相对于地面／海面的实际高度成正比，通过对时延测量，即可达到测量高度的目的。

将发射信号与回波信号进行混频得到差拍信号。图1(b)示出了差拍信号fb的频率-时间关系，由图可看出，差拍信号存在2个恒定频率段AB和BC，BC段频率为B-fb，时宽为Td，AB段为有效段，时宽为Tm-Td，在差拍信号中占主要成分。由图1(b)可得，有效段内差拍信号频率为：

即有效时段内的差拍信号频率与回波时延(或与目标的距离)成正比，因此只要求得有效段内的差拍信号频率，即可得到目标的距离。
在雷达高度表中，回波信号来自天线波束照射的整个海表面。通常设这个表面包含大量独立的随机散射体，而每个散射体的散射中心相对于雷达高度表发射天线的距离是不同的。这样总回波信号就相当于不同延迟、在幅度上被散射系数σ和天线方向图加权了的大量回波的合成。
第i个散射体回波形成的差拍信号输出(经低通滤波)为：

经分析可得，在面目标情况下，锯齿波调制时，第i个散射单元回波谱为：

2 总体方案设计
高度表动态测试系统可以完成高度表测高过程的动态检测和灵敏度的静态检测。它由适配器、计算机、数据采集卡、I／Q调制器、固定衰减器、可变衰减器、～115 V／400 Hz电源、27 V直流电源和相关测试软件组成，系统构成如图2所示。

适配器用于完成与高度表的对接，实现被测高度表的信号激励、调理和匹配，接收来自高度表的电源电压、差拍信号和高度信号，提供～115 V／400 Hz或者直流电源。
高度模拟器用来模拟导弹高度上的连续变化。参考无线电高度表调频连续波的中心工作频率选择合适工作范围的I／Q调制器，根据锯齿波调制规律，依照需要模拟的高度弹道，通过软件合理控制输入到I／Q调制器上的正弦激励函数的频率，对来自高度表发射机的微波信号进行调制，产生差拍频率，以实现模拟恒定高度和变化高度弹道，并扰动发射机频率扩展其频谱，模拟杂波信号对高度表进行动态测试。
微波衰减器用来控制能量上的变化。其中两级衰减器串联在发射一接收通道，以匹配高度表发射机、I／Q调制器和接收机。可变衰减器与固定衰减器配合使用，通过数据采集系统测量高度表状态信号来检测系统灵敏度。
计算机及软件负责协调系统的工作、控制数据采集系统和发生函数的工作状态，数据采集系统实时采集差拍信号的波形和高度电压值，送往计算机进行波形分析和频谱处理。计算机控制函数发生产生y=AIsinωt和y==AQsinωt的正交函数，作为I／Q调制器的输入。

3 基于PCI-6229数据采集卡的动态测试系统
3．1 PCI-6229数据采集模块简述
PCI-6229是NI公司新推出的M系列DAQ卡，具有A／D、D／A、I／O、Count／Timers功能，模拟输入通道达到单端32路，差分16路，分辨率为16位，最大采样速率为250 KS／s，输入FIFO缓冲区为4 095次采样，数据传输方式支持DMA、中断、可编程3种方式；模拟输出通道有4路；I／O通道有48路，其中32路具有波型输出能力，软件上能一次读取32位长的端口状态；有2个定时／计数器，分辨率为32位，内部时钟频率为80 MHz。