雷達模擬器與雷達的接口電路設計

摘 要:提高雷達模擬器生成回波信號的真實性和可靠性，需要實時采集一些重要的雷達工作狀態參數，如雷達工作時的天線方位角和高低角信號、主脈沖信號、錐掃基準信號和載波頻率信號等。這些信號分別為模擬回波信號的生成提供了天線增益大小、時間基準、相位基準和載波頻率大小等重要的參考信息。通過對這些信號性能參數的分析和研究，提出模擬器與雷達系統接口電路設計方案。雷達實驗可以證明該設計性能穩定、可靠、成本較低，很好地實現了接口電路的功能要求。

關鍵詞:雷達模擬器;天線角度;雷達主脈沖;錐掃基準信號

中圖分類號:TM930 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0041-03

Design of the Interface between Radar Simulator and Radar

FENG Xu-sheng， ZHANG Heng， ZHANG Hong-wei

(Optics nd Electronic Engineering Department， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract: Some necessary working state parameters of radar need to be collected real-timely，(such as the azimuth angle of antenna， the high-low angle signal， the signal of main plus， the normal signal of taper scan and the signal of carrier wave frequency and so on) in order to improve the echo of radar simulator's facticity and reliability. These signals provide an important reference of the gain of antenna， the time reference， the phase reference and the frequency of carrier wave for generating stimulant echo signal.The design scheme of interfacecircuit between radar simulator and radar is proposed through analyzing and studying the performance parameter of signals. The experiments show that the design is steady， reliable and low-cost， and achieves the functional demand of the interface circuit.

Keywords: radar simulator; angle of antenna; main plus of radar; normal signal of taper scan

0 引 言

雷達在現代戰爭中發揮著舉足輕重的作用，隨著雷達技術的快速發展，對雷達裝備試驗、性能檢測、故障診斷、保障和訓練提出了更高的要求。在計算機電子技術快速發展和普及的當下，基于PC機的雷達模擬器[1-2]以其所具有的優點成為解決這些問題的最佳選擇。

雷達模擬器是不斷通過與上位機(PC機)和雷達之間進行數據通信來生成模擬回波信號的。要使雷達模擬器生成的模擬回波信號能反映雷達接收真實目標的所有信息，就需要根據雷達信號構建模型和整體系統的設計思想，去采集雷達工作的狀態參數。雷達模擬器通過接口電路[3-4]來采集回波信號模擬所需要的雷達狀態參數，經過調理后再傳輸至模擬器的控制主板。主要的雷達狀態參數有雷達天線角度信號、雷達主脈沖、錐掃基準信號和載波頻率大小。模擬器通過采集雷達天線角度信號作為雷達接收天線的當前波束指向，用于判斷是否生成模擬回波信號和確定天線增益的大小;采集雷達主脈沖信號作為雷達信號模擬的時間基準，使模擬的信號與雷達保持同步;采集雷達錐掃基準信號為差信號的錐掃調制提供了相位基準;采集雷達載波頻率用于調整回波模擬器射頻卡的本振輸出頻率，確保生成的射頻回波信號能夠被雷達接收。下面主要介紹雷達模擬器與雷達接口電路的硬件設計[5]。

1 接口電路的硬件設計方案

對雷達裝備天線角度信號、主脈沖信號、錐掃基準信號和雷達載波頻率等工作參數進行分析，可以知道這些信號的形式、性能和參數都不一樣，因此雷達接口電路需要根據各信號的不同來設計相應的采集調理電路。

1.1 天線軸角電路設計

天線方位角和高低角轉換電路的作用是將雷達天線的模擬角度信息轉換為數字角度信息，并將數字化的角度信息傳輸至模擬器控制主板，主板根據雷達天線角度信息確定回波波束的作用范圍和目標回波的天線增益大小[6]。

雷達天線角度信息轉換采用旋轉變壓器-數字轉換器實現[7]。硬件電路以單片機為核心，包括天線軸角調理電路、基準信號形成電路和串行通信電路等，電路框圖如圖1所示。

圖1 軸角電路硬件框圖

旋轉變壓器輸出的信號一般為交流信號，以某型雷達為例，旋轉變壓器輸出幅度為±10 V左右的交流電壓信號[8]。因為電路所用單片機(C8051F020)的ADC轉換模擬電壓的范圍是0 ~VRFE(VRFE=2.45 V)，所以在進行A/D轉換之前，必須首先對該模擬信號進行降幅和去負值處理，這些任務由軸角信號調理電路來完成，如圖2所示。輸入軸角信號經過電阻分壓和二極管負向門限電壓的作用后，再經過電阻分壓輸出滿足單片機需要的信號。

旋轉變壓器的激磁電壓用來作為峰值采樣的觸發信號。由于激磁電壓幅值大于單片機內部比較器的驅動電壓，利用二極管的限幅作用，將激磁電壓信號整形成近似方波信號，然后利用電阻對信號進行分壓，確保采樣觸發信號在比較器能夠承受的外部驅動電壓范圍(-0.25~+0.25 V)內，電路如圖2所示。

圖2 軸角信號調理和基準信號產生電路圖

激磁信號在基準信號形成電路的作用下生成基準信號送單片機比較器的入口，比較器在基準信號上升沿產生中斷，在中斷中使能單片機的A/D口，將軸角信號調理電路調理過的天線方位角信號轉化為數字信號。在整個單片機程序[8]控制下電路完成了雷達天線角度信息的數字化，并經過串行通信電路[9]傳輸到模擬器控制主板。

1.2 雷達主脈沖信號采集電路

雷達系統中的定時控制系統提供雷達正常工作所需要的全部定時信號和各種控制信號，其中雷達主脈沖信號由系統的重復頻率控制電路形成，用來作為雷達總站及各分系統調試時的外同步信號[10]。

模擬器控制主板的程序設計以雷達主脈沖作為回波數據計算與發送的時間基準，以此來保證與雷達工作時序的同步。具體實現方式為將控制板主控芯片的一個雙向可編程標志位管腳配置為輸入方式，且為中斷產生模式，連接到主脈沖采集電路的輸出端，并將其設置為上升沿中斷方式。該管腳在接收到雷達主脈沖信號的上升沿后立即產生中斷，當判斷到有中斷產生，程序進行雷達回波數據的計算與發送。

由于雷達主脈沖幅度為-10 V左右的負向脈沖信號，而控制主板的I/O端口承受電壓為3.3 V左右，因此在將雷達主脈沖作為回波生成的時間基準接到主板設置引腳之前，須對其進行信號調理來實現降幅處理。針對雷達主脈沖信號設計的調理電路如圖3所示。當輸入電壓為0 V左右時，二極管D4，D5都截止，輸出電壓為電阻R9，R10對5 V電源的分壓，約為3.3 V。當輸入電壓為-10 V時，二極管D5導通，輸出電壓為二極管D5的門限分壓，約為-0.7 V。

圖3 主脈沖采集電路原理圖

1.3 雷達錐掃基準信號采集電路

磁耦合環在錐掃電機的帶動下與基準電壓發電機同步旋轉，耦合圓波導內的磁場，形成高頻調制差信號。在雷達自動跟蹤目標時，若天線電軸偏離目標方向，就會產生誤差信號。該誤差信號為交流信號，其頻率與饋線系統的低頻調制頻率相同?；鶞孰妷喊l電機輸出的錐掃基準信號同時用作相敏檢波器的電壓基準，對誤差信號進行檢波。檢出的角誤差電壓驅動電機帶動天線跟蹤目標運動[11]。

雷達在實際工作過程中，可能在任意時刻接收到目標回波。因此，若要模擬雷達復合差信號Δ，必須要確定每一個回波相對于錐掃基準信號的相位。通過設計錐掃基準信號采集電路取出耦合環的相位零時刻，依此來確定每一個回波相對于錐掃基準信號的相位。錐掃基準信號采集電路原理圖如圖4所示。電路選用電壓比較器芯片LM239D，3.3 V電源供電，采用二極管對輸入錐掃基準信號限幅整形。電路的輸出為3.3 V方波信號，周期與輸入信號相同，認為方波上升沿為錐掃基準信號的相位零點。錐掃基準信號采集電路輸出的方波信號接入到控制主板定時器0，將其設置為輸入管腳，使用其脈寬計數及捕獲模式對方波信號進行計數。

1.4 雷達發射機工作頻率的采集電路

雷達模擬器控制主板根據上位機設定的目標模型、運動規律和雷達所處復雜電磁環境進行建模，實時計算出視頻段回波信號，該回波信號經數字上變頻處理得到兩路中頻段的雷達回波信號，再經射頻組件調制到射頻頻段，經過天線輻射出去。因為雷達模擬器最終生成的模擬回波信號在射頻頻段，所以射頻組件在設計時就需要考慮雷達實際發射和接收的一系列過程，確保生成的模擬回波信號在雷達的接收機帶寬內，并且能夠隨著雷達跳頻組合頻率的改變而改變，還要使雷達在每一時刻的工作頻率能在上位機顯示系統顯示。

圖4 錐掃基準信號采集電路圖

雷達為實現抗干擾通常有多個工作頻率點，對雷達的工作頻率和變化方式的控制是由跳頻控制系統來實現的。跳頻控制系統[12]在跳頻控制脈沖和系統面板操控按鈕的綜合控制下進行工作，輸出當前指定頻率的代碼到接收機，相應調整壓控振蕩器(VCO)組件的工作電壓，以此來改變VCO的輸出頻率，這樣也就改變了雷達的工作頻率。

雷達的工作頻率點對應的頻率值是固定的，只要能知道當前跳頻控制系統輸出的頻率代碼就能知道雷達的當前工作頻率?？梢栽O計電路通過直接采集頻率點的代碼來確定雷達當前的工作頻率。采集電路共用天線方位角信號轉換電路中使用的單片機來進行控制，因為頻率點特征碼是數字信號，所以可以直接與單片機的數字I/O引腳相連。頻率點特征碼經單片機傳遞輸出到模擬器的射頻組件用來控制其振蕩器輸出頻率的大小。電路框圖如圖5所示。

圖5 雷達載波頻率采集的原理框圖

1.5 接口串行通信電路

接口電路采集到的天線數據信息和載波頻率等信息是通過串行通信電路傳送到模擬器控制主板的?？紤]雷達模擬器實際工作時的情況可能距離雷達較遠，本電路選用了RS 485接口總線。該總線采用了差分信號傳輸，能有效地抑制遠距離傳輸中的噪聲干擾，傳輸距離最遠可達1.2 km，傳輸速度也較快，可高達10 Mb/s。

2 接口電路性能分析

將以上4種信號的采集電路整合在同一塊接口電路板上。對某型火控雷達進行實驗測試，經過分析采集到的雷達信號，可以得出數字轉換器能完成天線角度信息的數字化，對誤差作統計可以得出角度轉換誤差不大于1 mil。雷達主脈沖信號經過采集調理很好地實現了限幅降壓，為模擬器回波信號的計算和發送提供了觸發脈沖，也為回波延時時間控制和目標信號模擬提供了時間基準。由于主脈信號幅度較大，會對整個接口電路帶進一些干擾。雷達錐掃基準信號經過示波器檢測可知為正弦波，經過零比較電路轉變為頻率相同的方波信號，用方波信號的上升沿作為錐掃基準信號的相位零時刻，可準確求出回波信號相對于錐掃基準信號的相位差。對于雷達載波頻率，因為雷達的工作頻點數目和頻率值是固定的，所以只要采到頻率代碼就能準確定位到工作頻率，又因為對不同雷達而言，相同的頻率點代碼對應的實際頻率值可能不相同，所以在模擬器使用前需要對雷達的各頻率點的代碼對應的具體頻率值進行測試并輸入到主控板中。

3 結 語

在對以上雷達信號性能分析的基礎上，設計了模擬器與雷達的接口電路。該接口電路結構簡單，操作方便，經過實驗測得接口電路信號轉換正確，隔離效果良好，既實現了雷達狀態信息的準確、實時采集，又不影響雷達的正常工作。通過對不同雷達工作系統特性和信號特性的比較研究，可以在該接口電路設計基礎上實現統一的通用雷達接口電路設計。

參考文獻

[1]盛威，施朝健.基于USB的航海模擬器雷達接口設計[J].上海海事大學學報，2006，27(2):1-4.

[2]肖驍.一種高速雷達信號采集模塊的硬件實現[J].科技創業，2008(7):142-143.

[3]李志剛，徐偉.基于FPGA的導航雷達接口板的開發與應用[J].電子測量技術，2009，35(2):46-48.

[4]張緯忠.通用雷達接口電路[J].中國航海，1994，35(2):63-68.

[5]衛強.雷達目標模擬器的硬件電路設計與實現[D].西安:西安電子科技大學，2008.

[6]陳斐.雷達中頻信號處理與采集系統的研制[D].成都:電子科技大學，2006.

[7]麻遠楊，胡永紅.軸角編碼器的設計與應用[J].計算機測量與控制，2007，15(8):1084-1086.

[8]張恒.火控雷達天線角度信息數字化研究[J].儀表技術，2009(8):29-31.

[9]周新偉，房立清.基于單片機的軸角信號處理和傳輸[J].單片機開發與應用，2009，28(2):99-101.

[10]尹會明.測量雷達系統的接口設計和發展[J].現代雷達，2000，22(2):15-17，26.

[11]鄭富強，付建國.錐掃雷達角跟蹤系統干擾效果分析[J].雷達科學與技術，2008，25(3):338-341.

[12]趙明忠.基于87C51FB單片機的跳頻控制器設計[J].電子工程師，2002，12(28):21-22.