基于虛擬儀器技術(shù)的無線電高度表動態(tài)測試系統(tǒng)

摘要：從無線電高度表工作原理的分析與研究出發(fā)，提出了基于虛擬儀器技術(shù)和I／Q調(diào)制器的無線電高度表動態(tài)測試系統(tǒng)的總體設計，同時對測試數(shù)據(jù)的處理理論進行了一定的分析和研究。結(jié)合高度表測試實例，采用基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器方式完成了系統(tǒng)的構(gòu)建。
關鍵詞：虛擬儀器；無線電高度表；I／Q調(diào)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(zhì)。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(jié)構(gòu)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(jié)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(diào)制分量。信號雜波的交叉調(diào)制會使差拍信號的頻譜純度及波形發(fā)生畸變，導致計數(shù)器計數(shù)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(fā)，完成了基于虛擬儀器的無線電高度表動態(tài)測試系統(tǒng)總體設計，該方案可以全面模擬無線電高度表動態(tài)工作過程，提早發(fā)現(xiàn)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(diào)頻連續(xù)波2種。目前國外基本采用脈沖方式，國內(nèi)基本采用調(diào)頻連續(xù)波方式。調(diào)頻連續(xù)波的調(diào)制方式有3種：正弦波調(diào)制、三角波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制，目前國內(nèi)反艦導彈上使用的無線電高度表，采用的調(diào)制方式都是鋸齒波調(diào)制。
圖1說明了以鋸齒波調(diào)制方式工作的雷達高度表獲取差拍信號的基本原理，設發(fā)射信號為鋸齒調(diào)頻連續(xù)波。Tm為調(diào)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(diào)頻帶寬，fo為中心頻率，k=B／T為調(diào)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(fā)射信號，虛線代表回波信號，波形與發(fā)射信號相似，只是在時間上，相對于發(fā)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(fā)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(nèi)差拍信號頻率為：

即有效時段內(nèi)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(nèi)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(fā)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(shù)σ和天線方向圖加權(quán)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(jīng)低通濾波)為：

經(jīng)分析可得，在面目標情況下，鋸齒波調(diào)制時，第i個散射單元回波譜為：