一种脉动压力比对校准误差修正数据处理方法,中国科学消息.doc

一种脉动压力比对校准误差修正数据处理

方法，中国科技信息，

：阎玲

摘要：依据行业规程，为了满足某型飞机垂尾抖振科目试飞测试要求,基于脉动压力传感器测试中，针对产生的误差原因分析，提出了飞行试验中比对校准误差修正数据处理方法。

关键词：脉动压力；测试；校准；标定；数据处理

1 引言

随着航空技术的不断进步，动态压力测量技术得到迅猛发展，使得动态压力测试技术在测试脉动压力时，可以获得准确结果。在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否良好地跟随输入量变化是一个很重要的问题，有时传感器尽管其静态性能非常好，但由于不能很好地跟随输入量变化而导致误差。在脉动压力测试中，测量误差大小直接影响飞行测试结果，如果不能保证脉动压力传感器的精度，就无法满足飞机垂尾抖振科目试飞测试要求。因此，对于飞行中所使用的脉动压力传感器，必须定期对其各项技术性能指标进行校准，以此来确定其灵敏度和误差范围，最终达到整个测试系统的可靠精度，如何保证飞行试验数据准确可靠,可靠的校准方法和数据处理至关重要。

2误差原因分析

通常飞行试验中稳态压力传感器测试用标准压力源进行内场校准，由于脉动压力传感器安装在垂尾壁面无法进行内场校准，传感器未装机前由于传感器结构限制也不能进行实验室内场校准。测试精度的主要部分是压力传感器校准,传统方法是沿用

厂家出厂时标定的传感器灵敏度进行计算给出校线, 这种方法在试飞试验中发现误差较大,其误差原因是：

（1）.传感器本身漂移使出厂后传感器灵敏度有变化，使用出厂时的灵敏度已不可行。脉动压力传感器测试中，桥压的精确度直接决定了动态压力传感器的信号输出精度，由于动态压力传感器的输出信号较小，灵敏度大致为4 mv/psi，信号满量程输出也仅为100mV左右，桥压的微小波动，也会引起灵敏度的改变。

（2）.传感器制造中自身零位存在，传感器的零位一致性差，变化范围可达-12mv/psi --12mv/psi，造成了误差的存在。一直以来未能对压力传感器误差提出相应的改进方法,测试精度就无法保证。不解决误差的存在将导致测试系统测量不准确，无法获取可靠的飞行试验数据。

根据以上两点导致的误差原因分析，在无标定方法借鉴的情况下，针对误差

的存在，在实验的基础上，依据行业规范，提出了比对校准误差修正数据处理方法的研究，首次用于飞行试验中。

3.一般常用标校方法

3.1静态校准

依据测量和监控装置对比校准规程（BMI.QEMS）比对是在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准标准或工作计量器具之间的量值进行比较，校准：是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量的示值误差。静态校准主要是利用压力标准器按照传感器的测量范围，均匀地施加标准压力来测量传感器灵敏度，非线性以及重复性，迟滞等静态误差指标。

3.2 动态校准

动态校准是建立在静态校准的基础上，动态校准主要是测

出传感器的上升时间，固有频率等动态性能指标。在实际测试过程中，传感器的上升时间是指其输出从稳态值的10%上升到所需的时间，传感器动态校准是在校准激波管上进行的。

对于时域动态校准，就是输入一种时域激励信号到被校准系统，并记录被校系统对激励信号的瞬态响应。最后可以求出动态性能指标。

频域动态校准，就是输入各种频率的正弦信号到被校系统，测出被校系统输出响应信号的幅值与相位后，便可以求出系统频域特性。

随机动态校准，就是给被校系统输入随机信号，由系统对激励信号的响应求出被校系统的动态性能指标。

4. 比对校准误差修正方法

测量和监控装置对比校准规程（BMI.QEMS），是实验方法依据。实验中具体做法：

4.1比对校准框图如下：

比对校准框图

4.2标定传感器做标准：

在实验室选一个同量程范围的传感器对其进行标定，给出输入--输出关系。（Y:物理量--- X: 码值），由于最小二乘法是数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，所以选用最小二乘方法做数据量值传递。最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。通过给出标准实验数据得出实验室标定传感器标准公式（1）由实验室标定数据得出:y = 0.00795715 x - 10.50409437 ---- (1) 可已知输入与输出关系。

4.3标准传感器与实测传感器进行比对：

1)用在实验室标定的标准传感器给出的输入输出关系式（1），将综合采集测试系统实际测出参数码值带入公式（1）中计算出物理量。

2)用在实验室标定的原始传感器给出的输入输出关系式（2），将综合采集

测试系统实际测出参数码值带入公式（2）中计算出物理量。

进行实测系统测试参数与标准传感器物理量比对。通过比对计算出物理量

偏差值。

其应用方法如下：

原始数据输入(X)---输出(Y)

Y：kPa X: 码值

6.895 1050

68.950 12435

137.900 25091

206.850 37728

275.800 50381

344.750 63013

由数据得出：y = 0.00545229 x + 1.14269762 -----（2）

综合采集测试系统实际测出参数码值为：13450,将码值分别带入式（1）（2）

中，经计算得到96.519 kPa和74.48kPa。

通过公式（1）与公式（2）实际测量数据进行比对，找出标准传感器与实际测试参数传感器偏差值，进行数据处理。

4.4.数据处理：

由于传感器自身零位存在，在数据处理时必须根据各个不同

的传感器特性，通过比对方法分别计算出每个测量点修正量后进行数据处理并对零位逐一进行数据修正，最终给出校准数据校线。

修正后的数据输入(X)---输出(Y)

Y：kPa X: 码值

28.954 1050

91.009 12435

159.959 25091

228.909 37728

297.859 50381

366.809 63013

由数据得出：y = 0.00545229 x + 23.20169762 -----（3）

4.5用标准压力仪器验证：

用一个标准压力仪器，精度（0.02%）进行现场测试场压96.15kPa，对所进行的实验数据验证分析如下：

公式（Y：kPa X:码值）计算物理量误差（%）

标准传感器y = 0.00795715 x - 10.50409437 96.519 kPa 0.109

原始数据y = 0.00545229 x + 1.14269762 74.48kPa 6.37

修正后y = 0.00545229 x + 23.20169762 96.535 kPa 0.113

通过以上测试结果分析得出：如果按传统方法校准将带来6.37%的相对误差，通过比对和数据处理修正方法后相对误差为0.113%，满足测试的要求。经过最小二乘法数据计算后，斜率并未改变，只是常数改变了，通过标准压力仪器验证，进行脉动压力校准时采用比对校准误差修正数据处理方法可行.

5.结束语

实践证明，比对校准方法解决了脉动压力传感器校准精度误差的问题。比对校准方法误差小精度高，是行之有效的一种方法，目前此方法已在科研试飞中得到应用，在飞行测试数据中得到了满意的结果，满足了测试的要求，此方法可以为后续制定脉动压力传感器校准标准提供借鉴。

中国科技信息| 刘振军| 2015/10/10 9:19:07 | 56 | 学术

一种数字信道化接收机参数编码方法，电子

世界，

《电子世界》

：吴鹏

【摘要】研究了一种基于多波束比幅测角的数字信道化接收机参数编码方法。描述了数字信道化接收机的参数编码流程；详细论述编码过程中的几个关键问题，特别是通道间幅度测量同步和脉冲到达角（DOA）测量方法。运用该参数编码方法的数字信道化接收机的脉冲描述字（PDW）编码与典型接收机的一致。

该方法已成功应用于ESM系统的侦察接收机中。

【关键词】数字信道化接收机；参数编码；幅度同步；比幅测角

1.引言

在现代电子战（EW）数字化接收机的设计中，信道化处理是最重要的环节之一，目前也被认为是用现代技术实现宽带数字化的主要途径[1]。为了求出输入信号的传统的脉冲描述字（PDW）的五大参数，必须对信道化后的输出进一步处理，也就是对参数编码方法进行设计。参数编码是EW接收机中比较复杂的部分，对参数编码方法的研究也很多。但国内外很少有相关文献的报道，即使取得了一些成果也较少公开发表，这主要是由于参数编码方法缺乏一个可以广泛接受的评估标准。因此，数字信道化接收机设计的难点通常认为在于信道化后续的参数编码方法的设计。文中对参数编码方法中几个关键问题进行了论述。

2.数字信道化接收机简介

数字信道化接收机原理框图如图1所示，一共有4个接收通道：3个定向通道和1个全向通道。每个通道的模拟前端输出模拟中频信号，经过高速宽带ADC采样转换成高速数字信号。所有通道的数字信道化处理模块将ADC输出的数字信号分析成多个子信道的复信号输出。

除定向通道2外，其他3个通道的数字信道化输出信号经过幅度测量模块得到幅度参数。“参数编码模块”（图中虚线框所示）在定向通道2的数字信道化输出信号进入后，对信号进行时域参数测量和角度测量。其中，角度测量是通过比幅测向实现的。因此，在进行角度测量之前，定向通道2向其他3个通道发送通道间幅度同步信号，随后这3个通道相继将各自的经过同步的幅

度测量值回送给定向通道2用于测角。最后，对测得的参数进行脉冲描述字（PDW）编码，形成完整的PDW输出。

3.参数编码

3.1 参数编码流程

传统的脉冲描述字（PDW）的五大参数包括：脉冲宽度（PW）、脉冲频率（RF）、脉冲幅度（PA）、脉冲到达时间（TOA）及脉冲到达角（DOA）[2]。在此的参数编码对象即为这五大参数。参数编码流程主要包括：幅频参数测量（Cordic测幅相，相位差分法测频），时域参数测量，角度测量（通道间幅度同步，4波束比幅测角），PDW编码输出[3]。

幅频参数测量是指信号幅度和频率的测量。codic算法和相位差分法的组合方法来实现瞬时测频和幅度是比较经典的方法。该方法的优点易于在可编程器件中实现，能够实时实现幅度和频率的测量，同时还能保证有较高的参数测量精度。时域参数测量包括测量脉冲宽度和脉冲到达时间（TOA）。常见的时域参数测量方法是计数法，在此就不再赘述。角度测量方法比较常见的是多波束比幅测角法和相位干涉仪测角法。多波束比幅测角法的算法简单、工程实现较容易，在测角精度要求不是特别高的情况得到广泛应用。本设计中就采用该方法。多波束比幅测角是通过比较多个波束同时收到的同一脉冲信号的幅度关系，计算得到脉冲信号到达角。该方法中两个关键技术是通道间幅度测量同步和比幅测角，它们直接影响测角精度。

3.2 通道间幅度测量同步

定向通道2需要回读其他3个通道的幅度测量值与自身测得的幅度一起才能进行比幅测角。为了保证比幅测角的精度，要求4个通道尽量是取同一个脉冲内的同一时刻点的幅度值作为

该脉冲的幅度测量值，也就是通道间幅度测量同步。

通道间幅度测量同步是以其中一个通道的检测与测量为主，其他通道作为辅助检测通道根据该通道的检测时刻去测量参数。选中间通道作为主通道，其他3个通道作为辅助通道配合主通道测量即可。

（1）获取信道号

定向通道2必须知道当前信号所处的信道号。

幅度测量是在前一级数字信道化的子信道内完成的，因此幅度同步要同步到子信道一级。定向通道2完成各个子信道的幅度测量后，随即进行过门限检测，获得有信号输出的子信道的信道号。

（2）同步传输

定向通道2将获取的信道号同步发送给其他3个通道。这3个通道在收到同步信道号后，计算同步传输信道号的延迟时间，随后按照信道号和延迟时间去取相应子信道对应时刻的幅度测量值，最终将幅度测量值同步发送回定向通道2。

（3）回读幅度后处理

经过同步回读的各通道的幅度测量值首先需要与定向通道2的幅度测量值对齐，随后必须保证对所有4个通道的幅度测量值的处理完全相同。

经过上述处理后，可实现4个通道的幅度测量值同步。

3.3 多波束比幅测角

（1）比幅测角基本原理

在本系统中采用的是比幅测向。模拟前端一共有4个天线，3个定向天线和一个全向天线，其中3个定向天线的波束方向特性相同，可进行360度电扫。三个定向天线波束在-3dB位置重

叠。全向天线波束均匀覆盖360度。它们的波束指向如图2所示：图2 天线波束指向示意图

当目标位于3个定向天线波束内时，可根据相互之间的幅度大小关系计算得到目标位于3个波束内的角度位置。当目标位于3个定向天线波束外时，则可根据全向天线波束与3个定向天线波束收到的目标信号的幅度大小关系判断出目标位于定向天线波束外，进而不对目标测角。

（2）三波束比幅测向算法

传统的两波束比幅测角算法如下：

设各天线增益相同，其3dB波束宽度均为，波束顶点位置为。假设信号入射的方位角处于第m个天线轴线附近，由于天线的方向图在偏离轴线±的角度范围内通常可以认为是高斯型，因此第m个天线接收信号幅度为：假定第M个波束为信号最大波束，我们只考虑第M个波束及其左右各一个波束M-1号及1号波束接收到的信号幅度，并将（1）式两边取对数，稍加变换得到：

式中：，，因子为斜率因子，等效为幅度相差1dB所对应的角度偏离。

常规的两波束比幅测向算法通常是，当确定第M个波束信号为最大时，在M-1号和1号波束中找出次最大波束号。

常规的比幅测向方法因为受到斜率因子的影响，而斜率因子又正比于波束宽度，而波束宽度因频率和信号极化方式不同而有较大不同，这势必降低测向精度。另一方面，当到达角通过时，由于左右两边波束特性不同，方位数据可能会发生跳变，这不利于后续的信号分选和方位跟踪。

采用取三波束同时参与计算的方法来改善测向精度。我们

只关心最大波束序号，不关心左右两边哪个波束为次最大值，将幅度最大的波束序号和它左右两边相邻的两个波束幅度共同参与计算。为了说明这一原理，我们将（3）和（2）相加除以2得到两边的平均值：

但（4）式中仍然含有K，为此再将（3）和（2）式相减，在理想状态下左右两边的计算结果应该相同，故令两式相减的结果为零。即：

实际上，（5）式就是将最大波束号分别和左右相邻的一个波束接收的幅度进行计算结果的平均值，而且从式中可以看出计算结果并不包含波束宽度。

采用上述方法的好处在于无需事先进行波束宽度校正。而且，在当到达角在通过波束顶点附近时，方位数据基本上不会发生跳变。

（3）副瓣信号压制

当目标只落在三个主波束照射角度范围内时才采用上述三波束比幅测向算法计算目标的角度，但当目标来自于三个主波束照射角度范围外时，也就是来自于主天线波束的副瓣方向，三个主波束接收信号的幅度可能依然满足三波束比幅测向条件。此时如果不对这一现象进行预先判断，进行副瓣信号压制，则会造成同一目标出现在多个方位的错误。

此时就要用得全向通道了。全向通道和定向通道的天线波束图如下图所示。一般全向天线的增益设计成比定向天线的主瓣增益要小，但要比定向天线的副瓣增益要大。于是，当目标位于定向天线的副瓣方向时，全向天线收到的目标信号的幅度会大于从三个定向天线的副瓣进入的目标信号的幅度，据此判断出目标不在3个主波束照射角度范围内而将其剔除，不进行测角。

图3 主辅天线波束图

3.4 PDW编码输出

上述参数编码过程采取全流水线设计。脉冲的五大参数是在不同的流水处理阶段测得的，而最终要对同一脉冲的五大参数进行统一对齐编码形成传统PDW输出，这就需要对先测得的参数进行存储，等待最后的DOA参数测量准备好。在此使用流水缓存设计，即：在进行流水参数测量的同时，对各阶段已测得的参数进行逐级流水缓存。这样设计的好处在于简易自然的实现了同一脉冲的五大参数对齐，避免了PDW编码输出时使用复杂的参数匹配对齐方法，脉冲间的参数不易错乱。

数字信道化接收机较传统接收机的一大优势就是能处理多个同时到达信号。对于同时到达信号，数字信道化接收机采取并行流水参数编码。经过参数编码后的PDW编码值是多路并行的。但接收机后续的信号分选往往只接收串行PDW流。为此，需要将数字信道化接收机的并行多路PDW转换为串行PDW流。在此采用“缓存+轮询”方式来实现，即：先将并行多路PDW同时存储在具有一定深度的缓存区中，输出时先查询各缓存区状态，判断缓存区内是否有PDW，有则输出其中一个缓存区的一个PDW，然后自动查询下一缓存区的状态；无则直接查询下一缓存区的状态，如此轮流查询并输出。如此设计既能保证流水编码PDW不丢失，同时又能与后续的信号分选实现无缝连接。

整个数字信道化接收机参数编码过程中均采用流水线作业方式，使数字信道化接收机的PDW编码与典型接收机的一致。

4.结论

文中介绍了一种基于多波束比幅测角的数字信道化接收机参数编码方法，这种方法简单易行，易于在可编程器件上实现，

已成功应用于某ESM系统的侦察接收机中。实践证明该方法可以满足复杂电磁环境下雷达信号处理实时性的要求。然而，对于一些像相位编码信号的宽谱信号的雷达信号实时处理，还需进行进一步地研究。