使用PXI模块化仪器和LabVIEW打造二次监视雷达ATE

作者：

Vishwanath Kalkur - Captronic Systems Pvt Ltd
Mondeep Duarah - Captronic Systems Pvt Ltd

SSR与一次雷达不同，可计算终端（如航空器）的距离和方位角，使用双向通信链路来收集信息，包括身份、高度和国家代码。军用和民用航空中的工程师都会使用SSR，在军用时还会包含一个可识别敌我的系统。

SSR可在不同的模式下工作，获得终端的信息。该系统以1,030 MHz的频率通过双向旋转天线从雷达发送询问脉冲。如果终端检测到询问，终端的应答器就会以1,090 MHz的频率回复一帧脉冲。地面站的雷达产生询问脉冲，并要求终端提供诸如身份、高度或国家代码等信息，以A/3A模式、C模式或S模式表示。根据询问的答案，航空器会用标准的回复脉冲格式进行回复。该系统根据速度与距离的关系和旋转天线相对于正北或航向的位置来计算距离和方位角。

如今的雷达在部署到军用或民用航空领域之前需要进行严格的测试。我们使用NI PXI模块化仪器开发了一个ATE，以帮助完成雷达的功能测试以及接收器(Rx)和发射机(Tx)的物理参数测试，包括Rx带宽、Rx灵敏度、Tx功率和Tx脉冲参数。功能测试的范围包括用终端仿真器以1,090 MHz的频率对雷达回复脉冲、视频信号检测，以及使用合成晶体管-晶体管逻辑(TTL)视频信号和LAN通信的雷达扫描转换器显示。终端和多终端仿真器中的回复脉冲是静止或沿轨道运动的。图1说明了连接到SSR的ATE整体架构。

系统概述

我们打造了一个由NI PXI八槽机箱和NI PXI嵌入式控制器组成的系统, 使雷达处于发射或接收模式以测试Tx和Rx功能。外部天线信号正北和方位角计数脉冲(ACP)通过FPGA板卡生成和仿真。 终端回复脉冲则通过PXI矢量信号发生器(VSG)在1,090 MHz的频率下生成。该系统通过示波器卡从接收器获取解调的视频信号，用于Rx功能测试。高功率发射的RF脉冲通过NI PXI矢量信号分析仪(VSA)采集，用以测量Tx信号功率和脉冲参数。从雷达处理单元生成的TTL级别合成视频通过FPGA数字输入采集，用于雷达扫描转换器，在极坐标图上显示终端及其距离、方位角位置、信息代码、高度和国家代码。图2显示了连接到SSR的ATE详细结构框图。

每个触发脉冲和同步脉冲都与SSR的询问RF脉冲保持同步。为了保护仪器，我们在Rx测试期间关闭了雷达的发射机，因为雷达有一个内置的TR模块。Tx和Rx端口共享同一个物理端口，它与天线相连。VSA和VSG也同样与这个物理端口相连，代替天线，分别以1,090 MHz和1,030 MHz的频率生成和获取RF信号。

测量参数

Tx参数
雷达的Tx输出可通过衰减器连接到ATE的VSA。传输为RF频率的门控正弦脉冲，脉冲宽度约为1 µs，脉冲重复时间(PRT)为5 ms。

• Tx频率稳定性(1,030 MHz + 0.03 MHz)
• 脉冲峰值功率(2.0 KW)
• 脉冲重复时长(ms)
• 输出功率模式和PRF稳定性
• 输出功率选择和扇区划分
• 脉冲间隔
• 脉冲形状
• 占空比（0.01%至66%）
• 脉冲宽度(µs)
• 脉冲上升时间(ns)
• 下降时间(ns)
•  频谱

Rx参数

雷达中的Rx是由通过VSG生成的RF脉冲接收的，与触发/同步脉冲保持同步。每个同步脉冲都与询问脉冲同步。VSG和FPGA的触发端口接收到同步脉冲后，RF脉冲输出会通过VSG生成。Rx视频输出会连接到示波器卡上，以测量以下Rx参数：

• 接收器灵敏度
• 接收器带宽
• 接收器动态范围
• 接收器频率稳定性
• 相位差分测量
• 接收链操作灵敏度(STC)
• 接收链旁瓣抑制(RSLS)

功能测试

在功能测试中，系统生成了天线仿真信号，如正北和ACP。它在静止和轨迹运动中仿真了不同方位角和距离的多个终端，然后在雷达扫描转换应用程序中表示出了应答器的方位角和距离。

终端仿真器

我们可以通过终端仿真（使用基于同步脉冲的VSG）对Rx进行适当的功能测试。在这种情况下，ATE充当来自天线的终端信号发生器。每次询问都由连接到VSG触发器和FPGA的触发脉冲进行同步。用户可以配置距离和方位角，以便仿真终端。当终端准备好进行仿真时，VSG会在FPGA中达到方位角计数后，生成终端的回复RF脉冲，然后从雷达收到下一次同步触发。用户可以选择回复代码和模式，并在指定的距离和方位角生成脚本化的脉冲。终端会被仿真为静止的和轨迹运动。用户可在不同的轨迹上配置移动路径。该系统可以从同一个VSG仿真不同距离和方位角的多个终端。用户指定的回复脉冲会采用不同的代码模式。回复脉冲是一串间隔为1 µs的脉冲，脉冲宽度为450 ns。每个终端的回复在序列开始和结束时都有F1和F2脉冲的框架。一帧中的脉冲数由GUI中选择的询问模式推衍得出。每个同步脉冲可以根据选择的询问模式采用不同的回复模式。这样的三个回复脉冲可以单独配置，可以通过VSG参考每个同步脉冲来生成。图5说明了带有距离延迟、方位角和代码仿真的回复脉冲生成。

雷达扫描转换器

该系统通过FPGA板卡从雷达获取并处理TTL格式的视频信号。来自终端的回复脉冲在雷达的接收器中进行解调，原始视频信号在雷达处理单元中得到处理。该处理器会提供合成的TTL脉冲，代表回复帧。

该帧在FPGA中按精确的单脉冲宽度进行解码。由于接收器也会从天线上接收到噪声，在期望范围内也会生成一些不需要的噪声脉冲。我们开发了一种算法可以丢弃这些噪声脉冲并解码实际的帧。然后，FPGA可计算出终端的距离和方位角，以及终端的信息代码、高度和国家代码。

系统可以使用这种格式接收合成的TTL视频：从天线获得的实际终端、在雷达内生成的仿真终端，以及通过VSG基于询问脉冲仿真的终端。

图4显示了通过FPGA解码的扫描转换器显示。图5显示了ACP；通过FPGA的正北仿真；触发/同步脉冲的获取；基于距离和方位角选择的回复脉冲仿真；TTL视频信号的获取；以及回复帧的解码。

来自VSG的调制脉冲包含1,030 MHz RF波的载波。

天线仿真

通过FPGA输出的正北标记脉冲生成和通过FPGA数字输出的ACP生成可实现天线仿真。我们设计了一个基于LabVIEW的用户可配置GUI，可以设置脉冲宽度、PRT和每次向正北旋转的方位角计数来仿真天线参数。

软件功能

我们开发了一个模块化的可编辑测试序列来测试整体功能。用户可以选择自动或手动模式对个别参数进行测试。通过诊断面板，用户可以访问各个PXI仪器进行回环检测或自测。图6说明了ATE中的测试顺序。

利用NI平台缩短雷达测试时间

我们使用NI PXI模块化仪器和LabVIEW开发了用于SSR的ATE，凭借它，相比早期使用台式仪器进行手动连接，我们的客户将雷达测试时间缩短了90%。相比其他使用传统台式仪器开发的ATE，还省下了60%的成本。此外，新系统用一个NI PXI VSG取代了脉冲发生器和调制器，提供了终端仿真、原始视频采集和终端检测的完整功能测试，使其成为了一个闭环测试系统。

我们计划融入自动切换功能，对该系统进行升级，以测试雷达的六个冗余端口。我们将使用NI PXI-2596 SP6T多路复用器进行升级，以避免电缆过长和连接问题。

作者信息：

Vishwanath Kalkur
Captronic Systems Pvt Ltd
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