基于虛擬儀器技術的無線電高度表動態測試系統

摘要：從無線電高度表工作原理的分析與研究出發，提出了基于虛擬儀器技術和I／Q調制器的無線電高度表動態測試系統的總體設計，同時對測試數據的處理理論進行了一定的分析和研究。結合高度表測試實例，采用基于數據采集卡的虛擬儀器方式完成了系統的構建。
關鍵詞：虛擬儀器；無線電高度表；I／Q調制器；差拍信號

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：