现代电子测试技术——信息化武器装备的质量卫士(第二版) 节选

br />     《现代电子信息技术丛书》(以下简称《丛书》)自1999年首次出
版，至今已8年了。《丛书》综合地反映了20世纪90年代电子信息
技术的进展，受到广大科技T作者、大专院校师生和部队官兵的欢
迎。进入新世纪以来，鉴于国内外电子信息技术的飞速发展，世界
与局部形势发生了许多新的变化，电子信息技术循着摩尔定律预计
的发展速度得到了持续的增长与进步。我国电子信息技术不论在
基础层次还是在系统层次也取得了许多世界先进的成果，例如突破
了纳米级的金属氧化物场效应器件(MOSFET)的设计与制造技术，
研制成功了数十万亿次运算速度的巨型计算机，实现了计算栅格的
研制与试验，成功地开发出世界级的第三代数字蜂窝移动通信系
统，研制出空中预警与控制机系统和区域级一体化综合电子信息系
统等。国际上，美同等发达国家在电子信息技术发展上处于领先地
位，成功地研制出45nm的微处理器并进行批量生产，正向20nm及
以下迈进。美国启动了从T业时代到信息时代的军事转型，提出从
平台十心战(PCW)向网络中心战(NCW)的转型，并以全球信息栅
格(GIG)为基础。GIG是美国所构想的、正在研发的国防信息基础
设施，预计在2015年可形成初始作战能力。它以面向服务的结构
(sOA)为体系构架，向联网的实体提供成套的、安全的信息服务与
电信服务，以加强信息共享、决策优势与异构协同。GIG包括多模态
数据的传递媒介，如陆上电路、空问单元和无线电台等，其所组成的互
联网络可动态地、透明地将信息从发源处路由至目的地。以GIG为依
托，美同军队加速向网络十心化演进，如陆军的未来战斗系统(FCS)，
海军的兵力网(Forcenet)，空军的指挥控制星座(C的平方constellation)等。
这里涉及十分巨大(Herculean)的技术挑战，必须通过从基础到系统的
多层次创新和突破，才能在未来有限的时间内实现超越前15年Web
网发明以来的发展。凡此种种，都是我们在编著《丛书》第1版时只能
预测而无法探知的。然而今日，这些高新技术的面貌已逐渐清晰并迅
速渗入人们的生活和竞争。这使《丛书》的作者们意识到进行再一次
创作的必要性；同时，热心的读者们也期盼我们能及时对第1版进行
 修改以便与时俱进。
    基于以上原因，在各级领导机关的大力支持下，《丛书》各分册的原作者与新分册的新作
者们在从事繁重业务工作的同时，废寝忘食、辛勤耕耘，对《丛书》各分册进行了精心修订、编
撰，为第2版的问世做出了卓越的贡献。我谨代表《丛书》编审委员会向他们致以衷心的敬意
与感谢。
    第2版承袭了第1版的编写宗旨、编写特色及服务对象。在维持原结构不变的基础上，
对内容进行了大幅度更新，并明显加大了军事科技的比重，增、删了7个分册，总册数由17分
册变为18分册，总字数由800万字增加到1400万字。新版《丛书》仍以先进的综合电子信息
系统为龙头，分层次、全方位地介绍各项先进信息技术，具体包括以下分册：
    系统性技术分册    基础性技术分册
    ·综合电子信息系统(第2版)    ·微电子技术(第2版)
    ·综合电子战(第2版)    ·光电子技术(第2版)
    ·侦察与监视    ·真空电子技术(第2版)
    ·军事通信(第2版)    ·传感器技术
    ·雷达与探测(第2版)    ·微声电子器件
    ·数据链    ·化学与物理电源(第2版)
    ·导航与定位(第2版)    ·现代电子测试技术(第2版)
    ·计算机技术(第2版)    ·先进电子制造技术(第2版)
    ·计算机软件技术(第2版)
    ·信息安全与保密(第2版)
    这两个系统分别从横向、纵向对众多先进的信息技术形成了有机的集成。
    《丛书》的编写出版得到总装备部、中国电子科技集团公司及其有关研究所的领导的大力
支持，得到国防T业出版社领导及编辑们的积极推动与努力，谨对他们表示由衷的感谢。
  童志鹏
    2007年8月26日
 前言
    “装备要发展，测试须先行”。测试技术是国家现代化建设的关
键基础技术，应用于“农轻重、陆海空、吃穿用”，无所不在，在国民经
济中具有“四两拨千斤”的作用。尽管这里所说的仪器仪表除电子
测试仪器外，还包括工业控制仪表、生物、医疗、化学分析仪表等电
量和非电量测试仪器仪表，但也足以说明仪器仪表工业的重要地
位。仪器仪表作为信息获取的物质基础，是信息化时代信息获取一
处理一传输链的源头，在武器装备现代化建设和国民经济持续协调
发展过程中占有重要地位，是武器装备现代化建设的先行官，是国
民经济高新技术产业的重要基石和倍增器，是衡量一个国家科学技
术发展水平以至国防现代化水平的重要标志。如果得不到应有的
重视和发展，在国防军工方面往往会成为制约武器装备发挥作战效
能的“瓶颈”，对武器装备健康发展带来不利影响；在国民经济建设
方面，将导致长期依赖进口仪器设备，使产品成本居高不下，市场竞
争能力下降。在国际政治、经济和军事斗争当中，高精尖仪器常常
作为政治筹码，用以对他国进行种种限制和禁运。
    电子测试技术是测试技术的重要分支，电子测试仪器是电子测
试技术的物化产品，是仪器仪表工业的重要组成部分，具有测试频
段宽、测试精度高、重复性高、动态范围大、综合性强等特点，测试精
度一般高于被测对象一到两个数量级，体现多学科、多专业的综合
应用水平和创新能力，属于国防科技和电子信息产业的重要支撑设
备和共性基础设施。电子测试仪器属于军民两用产品，面向武器装
备研制建设与维修保障的测试需求，用于各军兵种的在役武器装备
的维修保障测试，解决武器装备三级维修保障体系的有关测试问
题，提供相关技术保障装备；用于电子、航天、航空、兵器、船舶、核工
业等国防工业部门各类在研武器装备的科研、生产和试验环节的测
试，解决自主创新、集成创新和消化吸收再创新的测试问题，为装备
创新发展提供高精尖仪器设备。面向民用通信和消费电子产品的
测试需求，用于数字移动通信、数字电视、计算机网络、电子元器件
等蓬勃发展的信息产业，解决生产线与运营商的测试与维护修理问
 题，为电子信息产业发展提供测试手段和仪器设备。
    随着计算机和微电子技术的不断发展，电子测试仪器进入了新的发展时代，更新换代速
度由平均10年～15年提高到3年～5年。现代仪器将测试、计算机、通信和控制技术有机综
合，体系结构由MC的平方逐步过渡到MC的3次方结构。奔腾计算机芯片和Windows软件资源、外设和接
口直接为仪器所使用，使测试精度和速度都提高了几个数量级。仪器吞并了计算机，又使自
己成为庞大计算机网络的一个终端产品，使远距离测试、控制、数据传输和故障诊断成为可
能，实现了测试硬件、软件、技术、经验和信息共享，使仪器和计算机保持同步发展。大规模集
成电路和可编程器件改变了仪器设计思路和设计方法，不仅提高了仪器集成度，增加了仪器
功能，提高了性能指标，而且成为保护知识产权的*有效手段。DSP等集成电路的使用，简化
了仪器中频电路，促进了软件无线电技术的应用。
    为了及时反映电子测试仪器的新原理、新思想、新方法、新技术和新工艺，突出科技创新
理念，我们对本书第1版进行了修订。第2版保留了原书的特色，注重增加了新技术的有关
内容，及时反映了新技术与新仪器的综合特点。全书共分11章。第l章绪论，介绍了量值传
递与溯源的基本概念，以及电子测试仪器的重要作用、发展方向与发展趋势。第2章信号的
发生，重点介绍了函数／任意波形发生器、脉冲发生器、射频合成信号发生器、微波与毫米波合
成信号发生器、矢量信号发生器、高纯信号发生器、捷变频信号发生器和信号模拟仿真器等仪
器的基本概念、丁作原理和典型应用。第3章信号测量与分析，介绍了信号测量与分析的基
本概念，重点介绍了动态信号分析、数字存储示波器、频谱分析、矢量信号分析、调制域信号分
析和相位噪声测量的基本概念、工作原理和典型应用。第4章测试接收机，重点介绍了通用
测量接收机、场强接收机、EMI接收机、测频接收机、测向接收机和电磁信息泄漏接收机的基
本概念、工作原理和典型应用。第5章时间与频率测量，重点介绍了电子计数器、连续波微波
频率测量、脉冲调制信号载波频率测量、频率及时间标准。第6章功率测量，重点介绍了平均
功率测量、峰值功率测量、大功率测量、功率校准与量值传递。第7章网络参数测试与分析，
介绍了网络参数的表征方法、阻抗分析仪、标量网络分析、噪声系数分析的基本概念和工作原
理，重点介绍了微波、毫米波、脉冲、多端口和非线性等矢量网络分析仪的基本概念、T作原理
和典型应用，介绍了矢量网络分析仪的传统校准方法、现代电子校准方法以及误差修正的基
本概念。第8章光电测试，介绍了光源、光功率计、光时域反射计、光谱分析仪、可编程光衰减
器、光回波损耗测试仪、光纤色散测试仪、光偏振分析、大功率激光参量测量、CCD及红外焦平
面阵列测试的基本概念、工作原理和典型应用。第9章通信测试，重点介绍了数字传输、数据
通信、网络协议等测试仪器的基本概念、工作原理和典型应用。第10章数据域测试，重点介
绍了数据发生器、逻辑分析仪和数字集成电路测试仪的基本概念、工作原理和典型应用。第
ll章自动测试系统，介绍了自动测试系统的基本概念、体系结构和发展历史，重点介绍了测试
仪器与系统的标准总线、测试仪器程控标准、测试系统软件、测试系统综合集成等有关内容，
*后给出了自动测试系统的典型应用实例。
    本书的修订是在丛书总编委的直接指导下，由中国电子科技集团公司第四十一研究所、
第十一研究所，电子科技大学的科研人员共同完成的，是集体智慧的结晶。李立功和刘祖深
编写了第l章。樊晓腾负责第2章的编写与整理，郭利强、盛振旗、刘亮、何攀峰、朱健、陈向
民、刘军和王娜参加了第2章有关章节的编写。许建华负责第3章的编写与整理，王厚军、刘
祖深、李洪胜和陈向民参加了第3章有关章节的编写。许建华负责第4章的编写与整理，钱
时祥、杜以涛、牛大胜和柏海鹰为第4章的编写提供了素材，刘美娟和张华参加了第4章书稿
的整理工作。刘军和王厚军负责第5章的编写与整理。李坤党负责第6章的编写与整理。
韩晓东负责第7章的编写与整理，梁胜利、史红旗、江岩、郝绍杰和陈丽参加了第7章有关章
 节的编写。罗文建负责第8章编写与整理，朱文星、闫继送、贺永亮、钱志国、费丰、王恒飞、陆
耀东、满春阳和应承平参加第8章有关章节的编写。程根法负责第9章的编写与整理，包思
云、孙宏和胡亚平参加了第9章有关章节的编写。师奕兵负责第10章的编写与整理，黄建
国、李力参加了第10章有关章节的编写。田书林和韩敬伟负责第11章的编写与整理，赵秀
才、王亚海、周辉、钱时祥、宋斌、吴杰、冷朋参加了第11章有关章节的编写。
    《现代电子测试技术》第2版由李立功任主编，年夫顺、王厚军、刘祖深和田书林任副主
编，共同制定了编写大纲，并负责有关章节的组稿与审稿。李立功负责第1章的组稿与审稿，
年夫顺负责前言和第2章、第3章、第4章和第7章的组稿与审稿，刘祖深负责第6章、第8章
和第9章的组稿与审稿，田书林负责第5章、第10章和第11章的组稿与审稿。
    在本书编写过程中，童志鹏院士、毕克允研究员一直关心编写工作的进展，并给予指导与
帮助。中国电子科技集团公司第四十一研究所毛继宏研究员参加了本书编写大纲的制定，并
审阅了部分书稿，提出了不少修改意见和建议。国防工业出版社王晓光编审为本书的编辑出
版作了大量细致的工作，提出了不少修改意见和建议，为提高本书的出版质量付出艰辛的劳
动。中国电子科技集团公司第四十一研究所王秦为书稿的收集与整理付出了艰辛的劳动。
在此，一并表示感谢!
    由于作者水平有限，加上时间比较仓促，书中难免有疏漏和错误，殷切希望领导、专家和

广大读者批评指正。
    作  者

第81章光电测试
    光电技术作为军事电子综合信息系统支撑技术之一，已成为武
器装备的“有效力量倍增器”，也是军事大国大力发展的核心技术。
光电技术已广泛应用于大型相控阵雷达、舰艇机载车载雷达、
光纤通信系统、导弹制导、核试验、军用传感器等方面。与光电技术
发展相适应，光电测量仪器已成为电子测量仪器发展*快的门类，
包括光源、光功率计(光多用表)、光时域反射计、光谱分析仪、程控
光衰减器、光回波损耗测试仪等；用于开发研究的有激光参数测试、
光纤色散测试、光偏振分析测试、CCD及红外焦平面阵列测试系
统等。
8．1  光源
    光源是光电测试*基本的仪器。在各种高稳定光源中，采用半
导体激光器(LD)作为发光源，具有其他光源所不具备的许多优点，
如体积小、重量轻、输出功率大、可以直接调制、便于与光纤耦合等。
半导体激光光源主要用于光纤通信、光计算机、精密测距以及光信
息处理系统中，此外还用于光盘技术、激光印刷、传感技术等各个
领域。
    光源按发射中心波长可分为850nm稳定光源、980nm稳定光
源、1310nm稳定光源、1480nm稳定光源和1550nm稳定光源等；按
功能和应用可分为连续光稳定光源、带内调制的稳定光源、带外调
制的稳定光源、波长可变稳定光源和多路稳定光源。其中850nm
稳定光源、1310nm稳定光源、1550nm稳定光源主要用做光纤通信
的光源；980nm稳定光源、1480nm稳定光源用于光纤放大器的泵
浦源；带内调制的稳定光源可用于移去杂散光或用于同相检测；带
外调制的稳定光源可用做电／光变换器进行基带特性测量；波长可
变稳定光源主要用于光波分复用系统和相干光通信系统；而多路
稳定光源能同时输出多路光信号(如12路)，是多芯光缆损耗测
量的理想光源。
 除普通半导体激光器(LD)光源外，目前被广泛使用的还有发光二极管(LED)光源和分
布反馈(DFB)激光器光源。LED光源的主要特点是可靠性高、对温度不敏感、使用方便、成本
低，但其输出功率小、调制速率低，主要用于中低速短距离光纤通信系统。DFB光源把具有很
强的波长选择性的光栅做在半导体激光器的有源区，形成分布反馈结构，从而改善其频谱，保
证单纵模工作，主要用于超高速光纤干线通信、相干光通信和光密集波分复用系统。
8．1．1  基本原理
    稳定光源一般由电源、主控制电路(包括光功率控制和温度控制)、激光器组件、调制电
路、显示电路、衰减电路和保护电路组成，如图8．1所示。
    激光器组件内部包括热敏电阻、半导体致冷器和监视激光器后向光的光电探测器，并带
有尾纤输出。半导体激光器是温度敏感器件，温度的变化和器件的老化给半导体激光器带来
的不稳定性主要表现为：激光器阈值电流随温度呈指数变化，并随器件的老化而增加，从而使
输出光功率发生较大变化；随着温度的升高和器件的老化，激光器的外微分量子效率降低，从
而使输出光功率变化；随着温度的升高，半导体激光器的发射波长的峰值位置向长波长方向
移动。为了稳定输出功率，必须消除温度变化和器件老化的影响，因此常采用自动温度控制
和自动功率控制，以保证其性能稳定。
8．1．1．1  自动温度控制
    对光源的温度控制，既是光源输出功率和输出波长稳定的措施，又是对光源进行保护的
措施。光源的温度控制常采用以下几种方式。
  1)强迫风冷
  它是将驱动电路、激光器、本地PIN光电二极管等封装在一起进行强迫风冷，尽可能降低
封装内的温度。但是风冷占体积较大，在要求体积小的光源中，风冷方式显然不合适。
    2)恒温槽控制
    恒温槽可以控制槽内温度为一恒定值，光源和驱动电路在恒温槽内就可以在固定的温度
条件下工作，效果较好。但恒温槽也有体积大、控制复杂、成本高等缺点，在工程应用中也不
是理想的方式。
    3)半导体致冷器
    它是由微型致冷器、热敏元件以及控制电路组成，热敏元件检测激光器的结温，与设定的
基准温度比较、放大后，驱动致冷器的控制电路，改变致冷量，从而保持激光器在恒定的温度
下工作。
    目前微型致冷器多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的Pehier效应制成的。所谓
Pehier效应，是指当直流电流通过两种半导体(P型和N型)组成的电偶时，可以使一端吸热
而另一端放热。如果将致冷器中通过的电流反向，则其冷端和热端也相互交换。为提高致冷
器效率和控制精度，激光器的温度控制常采用内致冷方式。热敏电阻直接探测激光器芯片结
 区温度，致冷器直接与激光器的热层接触。温度控制电路的控制精度不仅取决于外围电路的
设计，而且受激光器封装技术的影响。激光器封装应使热敏电阻能准确反映结区温度，同时
致冷器和激光器的PN结应有良好的热传导。以这种方式设计的精密自动温度控制电路可以
控制激光器的结温在0．20(2的变化范围内。
AT为环境温度的变化量；A1为热敏电阻的传输系数；A2为温度控制器的传输系数；A3
为Pehier致冷器的转换效率。
    稳定光源的自动温度控制除大大地提高输出功率的稳定性外，还可以使得激光器芯片工
作在较低的温度下，这样延长了激光器的寿命，减小了长期的不稳定性。
8．1．1．2  自动功率控制
    温度控制电路能使激光器在恒定的温度下工作，但是，它不能控制由于激光器老化而产
生的输出功率的变化。因此，为了提高光源输出光功率的长期稳定度，减少由于激光器芯片
老化等因素的影响，进行光功率控制是必要的。自动功率控制电路的控制精度，不仅取决于
电路的设计和调整，而且依赖于反馈光对主输出光的跟踪精度。首先，反馈光对主输出光功
率不产生明显的影响；其次，在温度变化、激光器或光纤中的模式变化等各种不同情况下，反
馈光和主输出光都能保持恒定的比例。目前大多是采用的后向光监测平均功率控制法。在
这种光功率控制电路中，激光器输出的部分后向光由激光器组件内的PIN光探测器检测，转
换成光电流，再经电流一电压变换器转换成电压，并与直流参考电压比较后，加在驱动电路
上，改变驱动电流，使激光器的输出光功率趋于稳定。改变直流参考信号电平，可以改变光输
出功率值。
    根据自动控制原理，在有负反馈时，光功率的变化量AP1和无反馈时的光功率的变化AP
之间存在如下关系：
A4为PIN光探测器的光／电转换效率；A5为功率控制电路的传输系数；A6为激光器的
电／光转换效率。
    激光器的功率一电流曲线非常陡峭，所以要严格限制驱动电流的纹波。精密的压控恒流
源被用来驱动激光器，可以消除电源波动等的影响，保证激光器在恒定电流下工作。
8．1．1．3  保护技术
    激光器组件是光源的主要器件，它的正常工作是光源正常工作的首要保证。然而激光器
组件却又是易损器件，因此在使用时必须有保护措施，以防止意外的损坏。
    激光器组件的保护一般分两种：一是对激光器组件进行过流保护，可采取开关机延时电
路、限流和防止反向驱动激光器的措施，使激光器组件不会因通过大驱动电流而损坏；二是对
激光器组件进行温度控制，使激光器组件在设定的温度范围内工作，不会因温度过高而损坏。
8．1．1．4  波分复用器
    对于1．31 p。m／1．55Dm双波长光源，为了实现1．31 Dm和1．55Dm两个波段的光信号从同
一个端口输出，必须使用波分复用器。波分复用器主要有三种结构，即光栅型、多层介质膜型
和光纤熔融型。多层介质膜型和光栅型都是分立元件组合型，装配调试较为困难，而光纤熔
融型与分立元件组合型复用器比较，便于大量生产、技术性能优良、造价低廉。目前光源多采
用光纤熔融型波分复用器。