测控装备机内测试设备计量校准技术研究

张 亮 郝莉娜 何 平

（航天系统部装备部装备保障队，北京100094）

1 引 言

伴随着装备集成化、数字化和智能化技术发展趋势，机内测试设备已经成为测控装备的基础配置，提高了测控装备指标测试、状态判断、故障诊断的效率，增强了测控装备的可维护性和可靠性，拓展了系统功能，例如，S 频段扩频统一系统的多项参数或测试项目都是由机内测试设备完成的，如上下行中频频率、上行射频链路发射功率和发射本振相位噪声、下行射频链路接收本振相位噪声，同时还具备对测试频谱、波形的显示、记录功能，以及向上级监控实时及事后传输测试频谱、波形的功能。相应，机内测试设备的测量准确性、稳定性也将对测控装备技术指标和测控功能造成直接影响，因此研究机内测试设备计量校准方法，获取机内测试设备技术状态的准确信息，实现机内测试设备的量值溯源［1，2］，对于确保测控装备计量单位统一、量值准确可靠［3］，提高测控任务质量具有重要意义。

2 机内测试设备运行机理分析

典型机内测试设备通常由测试计算机、测试仪器、自动测试软件、扩展板卡、测试开关等组成，结合各分系统的检测点网络和检测点切换设备等，可对测控装备的大部分指标进行测试，实现状态判断、故障诊断，进而形成完整的机内测试设备测试系统。通常，自动测试软件运行在自动测试计算机上，通过仪器接口发送命令控制测试仪器的设置并读取测试数据，实现机内测试；测试计算机通过网络接口控制测试开关网络，结合各分系统的检测点网络和检测点切换设备等，实现自动化测试连接。基本原理如图1 所示。

图1 机内测试设备运行原理图Fig.1 The operation principle of in-machine test equipment

3 机内测试设备计量校准方法

机内测试设备与测控装备系统的各部分均有紧密联系，不仅覆盖面广，而且涉及的频率范围较宽，要保证每项指标的测试都有较高的精度，必须对自动测试分系统及仪器进行严格而全面的计量校准，目的是排除系统误差和仪器误差，提高测试精度［4］。

3.1 校准原理

3.1.1 通用仪器校准

对集成在系统中可拆卸的通用仪器，可定期送至上级计量技术机构，按照现行有效的计量检定规程/校准规范进行溯源。例如:频谱分析仪可溯源至频谱分析仪检定装置；信号发生器可溯源至信号发生器检定装置；示波器可溯源至示波器检定装置。

3.1.2 系统校准

对集成在系统中的电缆、开关、耦合器和连接器等引入的误差，应将其作为一个整体，对测试链路进行系统级校准［5］。

如用信号源产生模拟的自动测试分系统激励信号，通过频谱仪或示波器采集信号，或用标准的频谱仪或示波器直接采集机内测试设备的信号，将计量校准的数据与自动测试系统测试的数据进行比较，实现对机内测试设备的计量校准，如图2 所示。

图2 机内测试设备校准方法示意图Fig.2 Schematic diagram of calibration method for in-machine test equipment

3.2 校准点的选择

校准点是校准时用的电气连接点，包括信号测量、输入测试激励和控制信号的各种连接点。校准点一般应选择在机内测试设备与各分系统的接入点，通常为耦合器的耦合口或开关矩阵的输入/输出口。

3.3 校准项目的设定

校准项目的设定应包含机内测试设备在实现功能时与各分系统的关键测试通路。按照机内测试设备与各分系统的接口关系，以及开关网络设计的测试通路，确定主要的校准项目包括:射频信号测试通路、本振信号测试通路、基带信号测试通路和自测系统激励信号测试通路等。

3.4 校准设备的选用

所选用的校准设备应满足以下要求。

1）可通过不间断的溯源链溯源到计量技术机构保存的测量标准，并应在溯源有效期内［6］；

2）能覆盖被校准的参数和测量范围；

3）应比被校对象具有更高的准确度，用于合格判定时，测试不确定度比一般不得低于4:1，某些专业的要求高于4:1 时，应按照相应的专业规定执行，对于达不到4:1 的专业或领域，应论证并提出合理的解决方案［7］；

4）在校准间隔内的稳定性满足要求；

5）重复性、线性度、分辨力、灵敏度、动态特性等其他特性满足要求；

6）安全可靠，电磁兼容性及环境适应性等其他技术性能满足要求。

4 实验验证

选取某型测控装备机内测试设备为实验验证对象，校准项目见表1。

表1 校准项目Tab.1 The items of calibration

4.1 通用仪器校准

对机内测试设备中通用仪器仪表，如信号发生器、频谱分析仪等，送计量技术机构进行检定，经检定合格。

4.2 系统校准

4.2.1 校准方法

对机内测试设备中传输通路，包括激励通路和测试通路，进行校准得出插入损耗的校准值及校准结果的不确定度，使用校准值对传输通路幅度测试数据进行修正。

插入损耗定义为发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗。［7，9］传输通路插入损耗测量模型如式（1）

式中:L——传输通路插入损耗，dB；y0——传输通路输入幅度值，即信号发生器输出后测量接收机幅度监测值，dBm；yx——传输通路输出幅度值，即频谱分析仪测得幅度值，dBm。

对于激励通路，y0为机内测试仪器激励端输入幅度值，yx为测试接入点输出幅度值；对于测试通路，y0为测试接入点输入幅度值，yx为机内测试仪器接收端输出幅度值。

4.2.2 校准结果

校准结果见表2。

表2 信号通路插入损耗Tab.2 The insertion loss of signal test path

4.3 不确定度分析

本次实验为例，测量引入的不确定度主要有以下几方面因素的影响［10］。

1）由于连接的不重复性，系统的温度漂移等原因引入的测量不确定度uA，其值可用测量结果的算术平均值的标准偏差表征为

2）功率探头校准因子引入的不确定度uB1，服从正态分布，k=2；

3）功率分离器与功率探头失配引入的不确定度uB2，功率分离器其中一个输出端的最大反射系数，功率座的输入反射系数0.12，功率测量时的失配误差极限可用估计为

4）功率分离器与测量通路输入端失配引入的不确定度uB3，功率分离器其中一个输出端的最大反射系数=0.14，测量通路的输入端加隔离器或衰减器后反射系数≤0.13，所以失配引入的误差为

取（Δp）++ |（Δp）-|/2 作为区间的半宽度，a3=3.6%，服从反正弦分布，k3= 2，则有

5）测量接收机引入的不确定度uB4，测量接收机功率测量分辨力为0.001dB，按均匀分布，k= 3，即a4=0.000 5dB，则测量接收机引入的不确定度分量为

6）功率分配器输出跟踪引入的不确定度uB5，服从均匀分布，k=，功率分配器的输出跟踪为0.05dB，转换为百分数，可得

7）频谱分析仪测量引入的不确定度uB6，均匀分布，其幅度测量误差为0.5dB，按均匀分布取k= 3为

转换为百分比为

8）频谱分析仪与测量通路输出端失配引入的不确定度uB7，服从反正弦分布，k=

9）合成标准不确定度

10）扩展不确定度为

5 结束语

本文主要针对典型测控装备的机内测试设备进行研究，分析运行机理，提出计量校准方法，并以某型测控装备为例进行实验，验证计量校准方法的通用性和可操作性，揭示了由测量标准提供的量值与机内测试设备测试示值之间的关系，确定通过校准得到数据结果可用于修正测控装备的测试数据，为测控装备的系统级精准调校提供了方法指导和实验数据参考，也可用于测控装备性能的试验鉴定，对于测控装备量值准确统一、提升测控系统效能具有重要应用价值。