精密测距模拟器距离参数校准方法
摘 要
本文介绍了精密测距模拟器的距离参数的精密测量方法.首先采用Hilbert变换取出距离信号的包络，再利用数字示波器测量包络信号的延时。实验结果表明该方法具有较高准确度。
【关键词】精密测距模拟器 Hilbert 变换 上升沿 数字存储示波器
1 引言
精密测距模拟器是检验测距器的重要测量设备，在机载导航设备的调试、检验和现场维护中必须以模拟器为标准对距离参数进行校准，以验证导航设备的性能指标。距离参数的准确与否，决定了导航设备的准确度。因此，必须对模拟器的距离-时间参数进行准确测量，以满足工程需求。
2 测量仪器连接及测量原理
精密测距模拟器采用的是询问-应答式脉冲信号测距原理（有源测距）。即由脉冲源设备发射询问（搜索、跟踪）脉冲信号，模拟器接收到询问脉冲信号后，发射应答脉冲信号。精密测距模拟器的距离-时间参数的测量仪器连接如图1所示：
如图1所示，高功率脉冲源发射询问信号至模拟器的RF I/O端口，此询问信号为双脉冲调制的射频信号，脉冲波形应满足GJB 6277-2008中5.2要求，询问信号和应答信号频率设置应满足GJB 6277-2008中附录A要求。
模拟器接收到此询问信号会根据在模拟器中设置的海里数在一定延时后发射应答信号，利用定向耦合器将询问信号和应答信号耦合出来，再使用数字示波器测量应答信号相对于询问信号的延时T。延迟时间T减去精密测距模拟器内部路径的固有延时T0，得出的时间按照电磁波传输速度（30万公里/秒）便可以换算为距离。由于延迟时间是一个往返的量，因此换算为距离时要除以2。
距离S=电磁波传输速度V*（测量得出的延迟T-固有延迟T0）/2
3 采用经典Hilbert 变换及其解析信号的包络分析
由于精密测距模拟器距离精度要求较高，通常方法难以对其调制信号的上升沿做出准确分析，须将其信号包络提取出来方能进行测量，一般方法是通过包络检波器对脉冲调制信号进行检波后，再使用示波器测量。但这种方法对包络检波器要求较高，包络检波器的门限电平限制，要求在大电平下测量，但测距模拟器应答信号功率较小，因此该方法不适合测距模拟器的校准要求。本方法利用高采样速率的数字示波器直接采集射频信号，再通过软件实现包络检波，并采用多次平滑，多次平均等技术完成时延-距离的测量。
我们采用Hilbert包络算法实现软件检波。利用Hilbert变换得出信号包络的原理是让原被测信号产生90°相移，与原信号构成一个解析信号，变换所得的解析信号的实部是实信号本身，虚部是实信号的Hilbert变换，而解析信号的幅值便是实信号的包络。Hilbert包络分离出信号的低频信息进行解调，因此，由Hilbert包络分析得到的结果比较清晰直观，进而可以对包络信号进行分析。
4 测量步骤
利用泰克公司和安捷伦公司的高采样速率数字存储示波器的Math函数调用功能均可以得出测距信号的Hilbert 包络。
若采用泰克公司的DPO70000系列示波器，调整设置采集完信号后，调用示波器内部已有的滤波器HilbertTransform90PhaseShift为ArbFlt1。在Math1中设置Hilbert包络Math1=SQRT（Ch1*Ch1+ArbFlt（Ch1）* ArbFlt（Ch1））
此方法可得出询问信号的Hilbert包络，但得到的包络信号并不光滑，仍然难以进行准确分析，因此需要调用示波器内部的平滑滤波器，经过200次平滑滤波以后的包络信号如图2所示：
由图2看出该包络已较为平滑，为进一步提高测量精度取多次平均以减小噪声影响。再用同样的方法得出应答信号的包络Math4，如图3中右边的包络线所示：图3中右边两个脉冲信号为应答信号，应答信号前存在两个幅度很大的脉冲，该脉冲是询问信号的反射信号，因为询问信号的功率远远大于应答信号，其反射信号的功率也大于应答信号。由于Math4中应答信号的功率小于反射信号的功率，直接用示波器内部的延迟时间测量功能测量Math2和Math4之间的延迟时间，示波器会采集到反射信号的上升沿而不是应答信号的上升沿，因此需要拉宽示波器的时间横轴，单独采集询问信号和应答信号，选取示波器内部的参考点Ref1，分别测量Math2和Math4相对于Ref1的延迟时间，再进行相减即可得询问和应答信号的时间间隔。
5 结束语
该测量方法能够测量精密测距模拟器的距离参数。在实验室测量过程中，还需要消除连接电缆等因素的影响，同时测量结果会受到环境温度、湿度、移动等因素的影响，且同一部精密测距模拟器在不同时间段测量不同次数所得的结果都会有或多或少的差异，在工程实践中这也是需要注意的地方。
参考文献
[1]刘立盛，刘.塔康导航系统地面专用检测设备校准方法研究；中国人民解放军第四七二四工厂[J].国外电子测量技术，2012（07）.
作者单位
西安导航技术研究所 陕西省西安市 710068
