基于虚拟仪器技术的无线电高度表动态测试系统

摘要：从无线电高度表工作原理的分析与研究出发，提出了基于虚拟仪器技术和I／Q调制器的无线电高度表动态测试系统的总体设计，同时对测试数据的处理理论进行了一定的分析和研究。结合高度表测试实例，采用基于数据采集卡的虚拟仪器方式完成了系统的构建。
关键词：虚拟仪器；无线电高度表；I／Q调制器；差拍信号

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：