脈沖式無線電高度表原位測試設備設計與應用

崔 晨 李 舟

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710000）

無線高度表是測量飛機高度的設備，屬于航空領域中重要的安全保障設備，它通過測量飛機距離地面高度，為航空領域的安全作貢獻。根據無線高度表在進行飛機高度測量時所采用的作業原理進行劃分，可以將無限高度表分為無線測距、激光測距、超聲波測距等類型。無線電高度表主要用于測量、記錄、呈現飛機飛行過程中與地面實際距離及其變化與波動情況[1]。無線電高度表測距的精確度對于航空航天設備等的安全影響較大，在航空領域占有重要的地位。

1 脈沖式無線高度表工作原理

無線高度表是依托飛機在飛行過程中向地面發射電磁波而形成的，其工作原理是高度表在地面反射的基礎上接收高度表信息并進行處理，無線高度表判別飛機距地面的飛行距離是通過電磁波在空中傳播的時間。高度表可以根據工作方式的不同劃分為兩類：①脈沖式無線高度表；②發射信號式無線電高度表。以我國北京中科飛鴻科技有限公司所生產的FHWG系列脈沖式無線高度表為例，該系列脈沖式無線高度表采用線性調頻連續波閉環伺服控制、恒中頻接收工作體制，寬功率頻譜，進行發射的脈沖信號參數自校準。因此，根據不同的信號調制方式和硬件配給，FHWG系列脈沖式無線高度表按照精度、成本、應用方向等進行了劃分。脈沖式無線高度表天線采用低副瓣微帶天線技術和耦合信號吸收技術，確保收發天線在實現近距離安裝；電磁兼容性滿足GJB151A 空軍飛機機載設備電磁兼容標準要求；飛機供電特性滿足GJB181A要求；振動、沖擊環境、自然環境滿足機載、彈載設備使用要求。目前已經被廣泛用于航天、航空、兵器等領域。

2 脈沖無線電高度表原位測試原理及總體方案

2.1 測試原理

脈沖無線高度表原位測試原理如圖1所示。該測試原理是在高度表工作的基礎上來完成原位檢測功能的[2]。

圖1 測試原理圖

2.2 總體設計方案

脈沖式無線高度表原位測試設備主要是起到檢測的作用，檢查高度表的精度、靈敏度，同時還可以檢測飛機的運行高度和工作狀態等。其中，測試設備主要有手持終端、高度表測試設備、無線電高度表、發射天線、天線耦合器等。工作人員在進行高度測量時，能夠實現手持終端控制，通過手持終端給高度測量設備發布指令執行相關操作，具體流程如下。

（1）耦合器接收脈沖信號后，將部分信號傳送給主機進行處理，同時耦合器自身會對脈沖信號進行吸收、隔離等安全防護。

（2）測試設備接收到耦合器發出的信號之后，會對脈沖信號進行檢波、限幅、功率調整等一系列處理，在根據實際情況調整設備設定，然后進行模擬回波信號操作。

3 脈沖式無線電高度表測試設備系統

3.1 信號耦合器

該設備硬件系統的信號耦合器主要由3部分組成：①安裝支架，主要作用是促使天線耦合器與機上高度表的接觸；②天線耦合器，主要作用是接收或發射信號、測試生產設備等，保障收發信號的安全性；③射頻電纜，該設備部分屬于連接部分，主要用于天線耦合器與測試主機的連接（TNC連接器），同時還可以起到故障隔離的作用[3]。

3.2 設備主機

脈沖式無線電高度表測試設備系統的主機構成如圖2所示，該設備主要由6個模塊構成。

圖2 系統設備主機組成框圖

3.2.1 信號接收模塊

該模塊的作用主要是接收和檢驗信號。當高度表的信號發射裝置向外界發射信號指令以后，系統的限幅器會對高度表所發射的信號進行限幅，主要作用是通過限幅使信號的轉換更加高效；后通過測頻預處理模塊對轉換之后的脈沖信號進行混合處理。高度表發射的信號進行檢波處理后，將會使脈沖調制信號轉化為更加容易測量發射功率的脈沖信號，在后續進行處理以后進行轉化，可以將高度表所發射信號進行數字處理。

3.2.2 信號發射模塊

在數字處理單元的作用下，信號發射模塊的主要作用是實現測試設備信號的產生和調整，頻綜可產生功率為-4 dBm的4 300 MHz左右的載頻信號。然而，根據本文設計的系統最大可承受發射功率進行分析，系統信號需要經過放大器進行放大補償。本文設計的系統放大器在完成11 dB增益的信號放大以后，會將信號分為發射載波信號和可變本振信號兩種進行傳輸。系統中的數據處理模塊會分別針對兩種不同類型信號進行脈沖調制，將發射信號調整為脈沖信號。通過數字處理單元形成的脈沖信號會被衰減器進行衰減（控制功率），最后再進行高度表測試。通過數字處理單元的兩級數控衰減器后的信號將會在60 dB信號輸出功率動態范圍內完成本振輸入[4]。

3.2.3 數字處理單元

數字處理單元屬于該設備系統的核心單元之一，其主要作用是進行脈沖精密延時、參數測量、發射功率控制等，而控制數字處理單元的核心為現場可編程門陣列（FPGA）。為實現脈沖式無線高度表發射功率測量，本系統的數字處理單元利用高速ADC技術，對測試信號進行檢測、獲取、處理等，使系統能夠精確獲取脈沖式無線高度表發射中心頻率，通過高速時鐘進行精密計數和數據處理，實現延時操作。其中，高速時鐘計數又分為：①固定延時，其作用是模擬固定高度；②動態延時，其作用是控制動態高度變化。

3.2.4 測頻模塊

測頻模塊的主要作用是處理其他模塊形成的信息（耦合輸出信號、可變本振信號），處理形式為放大、混頻、整形、濾波等，然后再經頻率信息進行重新輸出。

3.2.5 無線收發模塊

無線收發模塊起到一個連接的作用，是手持終端和數字處理單元的溝通橋梁，該模塊采用板載天線的方式進行工作。通過無線收發集成電路進行工作，完成無線信號協議和本地總線協議轉換。

3.3 手持終端

該系統中設計的手持終端采用了智能化手段，其中內置Wifi和藍牙無線通信模塊，主屏幕為3.2寸TFT觸液晶顯示屏；外部接線口采用USB2.0、RS232等，并且提供Windows家族中最新的成員WINCE系統和JAVA開發平臺，同時還要多款語言開發應用軟件（C++，C#，VB，VC等）。手持終端的出現，實現了在機艙內的設備控制，這樣更有利于觀察和記錄飛機飛行高度的數值。

3.4 脈沖式無線電高度表原位測試設備的應用

采用編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ的飛機進行測試，測試結果如表1所示。

表1 原位測試結果

由表1可知，該脈沖式無線高度表系統可以保障測試參數的準確性和穩定性，滿足飛機對脈沖體制無線電高度表原位測試的要求。

4 結語

在航空領域中，飛機的飛行高度與飛機的安全有著非常密切的聯系。由于無法準確測量飛機飛行高度與地面的距離而時常發生飛機安全事故。因此，研發出一種可以及時準確地測量飛機與地面的位置的無線電高度表，在航空領域是非常需要和重要的。脈沖式無線電高度表原位測試設備的出現，對航空領域來講是一個重大的發現，將會為飛機的安全運行提供保障[5]。