O 引言
無線電高度表是飛航式反艦導彈的重要測量元件，其性能決定了導彈縱向彈道的控制品質。對于超低空掠海飛行的導彈，無線電高度表反射回波的頻譜結構比較復雜，導彈運動時，各點之間有相對運動，使得各反射點的多卜勒頻率不同，有可能在接收機形成差拍(稱二次多卜勒效應)，結果是合成回波信號的頻譜展寬；由于回波信號振幅的起伏也能形成頻譜的調制分量。信號雜波的交叉調制會使差拍信號的頻譜純度及波形發生畸變，導致計數器計數錯誤，從而使高度表輸出高度錯誤，嚴重時使導彈提前入水。
本文從無線電高度表工作原理的分析與研究出發，完成了基于虛擬儀器的無線電高度表動態測試系統總體設計，該方案可以全面模擬無線電高度表動態工作過程，提早發現高度表故障。
1 無線電高度表原理
無線電高度表的工作方式有脈沖和調頻連續波2種。目前國外基本采用脈沖方式，國內基本采用調頻連續波方式。調頻連續波的調制方式有3種：正弦波調制、三角波調制、鋸齒波調制，目前國內反艦導彈上使用的無線電高度表，采用的調制方式都是鋸齒波調制。
圖1說明了以鋸齒波調制方式工作的雷達高度表獲取差拍信號的基本原理，設發射信號為鋸齒調頻連續波。Tm為調頻周期，其值遠大于最大作用距離處目標回波時延Tr。B為調頻帶寬，fo為中心頻率，k=B／T為調頻斜率，不考慮目標的運動，即目標的徑向速度v=0。圖1(a)表示信號的頻率-時間關系，實線代表發射信號，虛線代表回波信號，波形與發射信號相似，只是在時間上，相對于發射信號有Td=2H／c的時延，該時延與導彈相對于地面／海面的實際高度成正比，通過對時延測量，即可達到測量高度的目的。
將發射信號與回波信號進行混頻得到差拍信號。圖1(b)示出了差拍信號fb的頻率-時間關系，由圖可看出，差拍信號存在2個恒定頻率段AB和BC，BC段頻率為B-fb，時寬為Td，AB段為有效段，時寬為Tm-Td，在差拍信號中占主要成分。由圖1(b)可得，有效段內差拍信號頻率為：
即有效時段內的差拍信號頻率與回波時延(或與目標的距離)成正比，因此只要求得有效段內的差拍信號頻率，即可得到目標的距離。
在雷達高度表中，回波信號來自天線波束照射的整個海表面。通常設這個表面包含大量獨立的隨機散射體，而每個散射體的散射中心相對于雷達高度表發射天線的距離是不同的。這樣總回波信號就相當于不同延遲、在幅度上被散射系數σ和天線方向圖加權了的大量回波的合成。
第i個散射體回波形成的差拍信號輸出(經低通濾波)為：
經分析可得，在面目標情況下，鋸齒波調制時，第i個散射單元回波譜為：
2 總體方案設計
高度表動態測試系統可以完成高度表測高過程的動態檢測和靈敏度的靜態檢測。它由適配器、計算機、數據采集卡、I／Q調制器、固定衰減器、可變衰減器、～115 V／400 Hz電源、27 V直流電源和相關測試軟件組成，系統構成如圖2所示。
適配器用于完成與高度表的對接，實現被測高度表的信號激勵、調理和匹配，接收來自高度表的電源電壓、差拍信號和高度信號，提供～115 V／400 Hz或者直流電源。
高度模擬器用來模擬導彈高度上的連續變化。參考無線電高度表調頻連續波的中心工作頻率選擇合適工作范圍的I／Q調制器，根據鋸齒波調制規律，依照需要模擬的高度彈道，通過軟件合理控制輸入到I／Q調制器上的正弦激勵函數的頻率，對來自高度表發射機的微波信號進行調制，產生差拍頻率，以實現模擬恒定高度和變化高度彈道，并擾動發射機頻率擴展其頻譜，模擬雜波信號對高度表進行動態測試。
微波衰減器用來控制能量上的變化。其中兩級衰減器串聯在發射一接收通道，以匹配高度表發射機、I／Q調制器和接收機。可變衰減器與固定衰減器配合使用，通過數據采集系統測量高度表狀態信號來檢測系統靈敏度。
計算機及軟件負責協調系統的工作、控制數據采集系統和發生函數的工作狀態，數據采集系統實時采集差拍信號的波形和高度電壓值，送往計算機進行波形分析和頻譜處理。計算機控制函數發生產生y=AIsinωt和y==AQsinωt的正交函數，作為I／Q調制器的輸入。
3 基于PCI-6229數據采集卡的動態測試系統
3．1 PCI-6229數據采集模塊簡述
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，模擬輸入通道達到單端32路，差分16路，分辨率為16位，最大采樣速率為250 KS／s，輸入FIFO緩沖區為4 095次采樣，數據傳輸方式支持DMA、中斷、可編程3種方式；模擬輸出通道有4路；I／O通道有48路，其中32路具有波型輸出能力，軟件上能一次讀取32位長的端口狀態；有2個定時／計數器，分辨率為32位，內部時鐘頻率為80 MHz。
3．2 系統硬件構成
測試系統硬件由發射和接收2部分構成。計算機通過數據采集系統的AO通道發射控制信號給可變衰減器、發射正交函數給I／Q調制器，然后計算機通過AI通道將無線電高度表的高度電壓、差拍信號、發射信號、接收信號、工作狀態采集進來作分析處理，結構框圖如3所示，其中I／Q調制器選用ADI公司的ADL5375，工作頻率400MHz～6 GHz，其周邊電路圖見圖4。
4 測試系統軟件設計
4．1 采集卡設置及測量任務的配置
首先將數據采集卡安裝到計算機上，在MAX中的Data Neighborhood圖標上右擊并選擇Create New…，在目錄中選擇Taditional NI-DAQ virtual并按下Next鍵，然后就可以配置一個讀取輸入信號的通道了。按下Next按鈕后，將會出現一個數據采集卡屬性設置窗口，在此窗口中根據板卡的使用情況可以對模擬輸入、模擬輸出、數字I／O等進行設置，隨后為任務命名。
4．2 I／Q調制器信號的產生
對高度表高度響應測試時，需要發送一定頻率范圍的正弦信號給I／Q調制器，在LabWindows／CVI中使用SinePattern函數輸出正弦信號。
4．3 測試信號的采樣、讀取
信號首先通過前置放大器后經由數據采集卡的AI通道輸入計算機，存儲然后顯示。為保持采樣速度與顯示的不沖突，使用中斷方式讀取采樣數據，要實現中斷處理方式工作，需要作2項主要工作：一是編寫中斷處理程序，二是向系統注冊這個程序。
在中斷服務程序中，使用DAQmxReadAnalogF64()函數來讀取采集卡上緩沖區的數據，用戶必須在啟動采集任務前事先申請足夠大小的緩沖區，用一個全局指針來指向這個緩沖區，將數據連接選擇為通道連接方式，不同通道數據選擇通過memcpy[]函數控制，然后對數據進行處理，在結束任務后釋放此緩沖區。
4．4 波形存儲與讀取
在采集之后可以實時的將數據保存成2進制文件(與導彈遙測數據兼容)，通過fopen函數來實現對文本數據文件的調用，使用fwrite函數實現對數據的寫入，使用fread函數實現對數據的讀取，使用fclose函數對其關閉。選用Graph控件，通過plotwaveform函數對讀取到緩沖區中的數據進行回調。
4．5 測試信號頻域分析
在LabWindows／CVI中通過傅里葉函數對波形數組進行傅里葉變換，并通過ToPolarlD將傅里葉變換得到的輸出實部、虛部數組轉換成極坐標形式。通過InvFFT實現對波形數組的傅里葉反變換。
4．6 軟件組成
4．6．1 高度響應測試
高度響應測試用來完成高度彈道參數的設置(不同彈道階段持續時間)、彈型的選擇和高度響應曲線的顯示，見圖5、圖6所示。
4．6．2 信號分析
信號分析完成發射信號、接收信號、差拍信號波形的回放與比對，并對差拍信號進行傅里葉變換，對其頻譜進行分析，以判別高度表是否產生“高置”故障。界面見圖7。
4．6．3 靈敏度測試
高度表靈敏度測試需要設置設定高度，衰減控制規律的設定，以完成高度表在不同高度下搜索／跟蹤靈敏度測試，見圖9。
5 結束語
虛擬儀器技術以其性價比高、開放性強等優勢迅速占領市場，成為測試儀器新的經濟點。虛擬儀器的核心是軟件，這使虛擬儀器具有了與傳統測試儀器大不相同的技術特征，實現了測試儀器生產者與使用者夢寐以求的儀器開放性。本文針對無線電高度表測試實例，研究設計了基于虛擬儀器技術的第3代自動測試設備。但該系統只是實現了基本參數的自動測量，而一個完整的自動測試系統還需要增加更多自動化水平，如具備遠程控制、更新升級、故障診斷等功能。在此方面還有待做深入研究以使得該測試系統更加完備。