雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量

初曉軍，王 勇，馮電春

（海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041）

1 引 言

隨著部隊(duì)裝備現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，對(duì)武器裝備自動(dòng)化檢測(cè)的要求越來(lái)越高，而天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)，諸如天線俯仰運(yùn)動(dòng)范圍、方位扇掃范圍、方位扇掃速度、圓掃速度等參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)量是組建雷達(dá)ATS的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[1]。因?yàn)榇祟?lèi)參數(shù)傳統(tǒng)的測(cè)量方法是采用量角器和秒表之類(lèi)的儀器人工完成的，操作起來(lái)不僅繁瑣而且測(cè)量數(shù)據(jù)存在較大的離散性誤差，不符合自動(dòng)測(cè)試的要求。該文利用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，簡(jiǎn)化了測(cè)量方法，提高了測(cè)量速度和精度，在實(shí)際工作中取得了很大效益。

2 測(cè)量原理

2.1 天線俯仰控制的測(cè)量

雷達(dá)天線俯仰控制通常采用電位器作控制機(jī)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕送出不同的控制電壓控制天線俯仰停在相應(yīng)的角度。俯仰角度解調(diào)電路輸出解調(diào)電壓代表對(duì)應(yīng)的角度。

天線俯仰控制的自動(dòng)測(cè)量，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)通過(guò)控制D/A送出俯仰控制電壓取代電位器送出的電壓控制天線俯仰運(yùn)動(dòng)，通過(guò)A/D采樣俯仰解調(diào)電壓獲取天線俯仰角度值代替人工讀數(shù)。根據(jù)送不同控制電壓，采樣對(duì)應(yīng)的角度值，實(shí)現(xiàn)了天線俯仰控制的自動(dòng)測(cè)量[2]。

2.2 天線方位扇掃范圍的測(cè)量

某雷達(dá)天線方位角讀輸出采用脈沖間隔表示，即用角開(kāi)脈沖、角關(guān)脈沖兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔表示天線方位角度，同時(shí)雷達(dá)輸出表示天線正掃和回掃的正回掃信號(hào)，高電平代表天線方位扇掃處于正掃狀態(tài)，低電平代表天線方位扇掃處于回掃狀態(tài)。采用計(jì)數(shù)器錄取角開(kāi)脈沖與角關(guān)脈沖的時(shí)間間隔，并用鎖存器鎖存計(jì)數(shù)器最后的計(jì)數(shù)值，得到天線方位的實(shí)時(shí)角度Φ。此角度值隨天線方位角度的變化而實(shí)時(shí)變化。正回掃信號(hào)從低電平變化到高電平時(shí)，表示天線方位處于扇掃的左邊界，錄取此刻的角度值得到天線方位左邊界的角度值ΦL。正回掃信號(hào)從高電平變化到低電平時(shí)，表示天線方位處于扇掃的右邊界，錄取此刻的角度值得到天線方位右邊界的角度值ΦR，則天線方位扇掃范圍可通過(guò)ΦR-ΦL得到。

2.3 天線方位扇掃速度的測(cè)量

正回掃信號(hào)的周期，即持續(xù)一個(gè)完整的高電平、低電平的時(shí)間，代表了天線方位扇掃一次所需的時(shí)間。采用計(jì)數(shù)器得到正回掃信號(hào)的周期T，則天線方位扇掃速度w=1/T，從而實(shí)現(xiàn)了天線扇掃速度的自動(dòng)測(cè)量。

2.4 雷達(dá)天線圓掃速度的測(cè)量

天線在圓掃狀態(tài)下，天線方位角度Φ在0°≤φ＜360°范圍內(nèi)與天線方位的刻度是一一對(duì)應(yīng)的，因此采用 Φ 與固定角度值 θ（0°≤θ<360°）比較，當(dāng)Φ=θ時(shí)輸出等值脈沖信號(hào)，該等值脈沖信號(hào)在天線圓掃一周的情況下僅出現(xiàn)一次。兩個(gè)等值脈沖信號(hào)的間隔即為天線圓掃一周所用的時(shí)間τ，則天線圓掃速度Ω=1/τ，從而實(shí)現(xiàn)了天線圓掃速度的自動(dòng)測(cè)量。

可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，須在電路中設(shè)計(jì)出能捕捉到天線運(yùn)動(dòng)到臨界位置的轉(zhuǎn)換信號(hào)并進(jìn)行鎖存，以便計(jì)算機(jī)能夠正確讀取和計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的要求。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 系統(tǒng)框圖

天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1中，D/A轉(zhuǎn)換器完成天線俯仰控制電壓的輸出，控制天線俯仰運(yùn)動(dòng)到控制電壓對(duì)應(yīng)的角度。A/D轉(zhuǎn)換器完成天線俯仰解調(diào)電壓的采樣，以得到天線俯仰角度信息。FPGA用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器對(duì)天線方位角度的錄取、正回掃信號(hào)周期的計(jì)數(shù)以及天線圓掃一周所用時(shí)間的測(cè)量。模擬接口電路采用光耦合器完成模擬電路和數(shù)字電路的隔離和電平轉(zhuǎn)換[3-5]。

3.2 電路實(shí)現(xiàn)

在天線俯仰控制的自動(dòng)測(cè)量中D/A轉(zhuǎn)換器選用PXI-6704實(shí)現(xiàn)，主控機(jī)通過(guò)控制PXI-6704模擬旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕送出不同的控制電壓控制天線俯仰運(yùn)動(dòng)以停在相應(yīng)的角度。天線俯仰運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的俯仰解調(diào)電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器AD390處理后變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)總線接口送至通信控制模塊，經(jīng)過(guò)CPU 80C186的運(yùn)算處理得到對(duì)應(yīng)的角度信息以串行數(shù)據(jù)的形式送到接口總線上，主控機(jī)通過(guò)控制PXI-8420可直接讀出該角度信息，從而實(shí)現(xiàn)天線俯仰運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化測(cè)量[6-7]。

圖1 天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖

天線方位扇掃范圍、扇掃速度、旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量主要由FPGA XC3090A設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果經(jīng)CPU讀取并處理后通過(guò)PXI-8420回傳到主控機(jī)。圖2為FPGA電路的實(shí)現(xiàn)框圖。圖中波門(mén)產(chǎn)生電路產(chǎn)生計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)波門(mén)，角開(kāi)脈沖上升沿?cái)?shù)波打開(kāi)計(jì)數(shù)波門(mén)，角關(guān)脈沖上升沿關(guān)閉計(jì)門(mén)。鎖存器1存儲(chǔ)的是角開(kāi)脈沖與角關(guān)脈沖的時(shí)間間隔（DA）。鎖存清零信號(hào)產(chǎn)生電路輸出相應(yīng)的計(jì)數(shù)器1的清零信號(hào)和鎖存器1的鎖存信號(hào)。從時(shí)間關(guān)系上，鎖存信號(hào)在清零信號(hào)之前。

鎖存信號(hào)產(chǎn)生2電路在正回掃信號(hào)的前沿產(chǎn)生鎖存器11的鎖存信號(hào)，鎖存天線方位扇掃左邊界的方位角度值；在正回掃信號(hào)的后沿產(chǎn)生鎖存器12的鎖存信號(hào)，鎖存天線方位扇掃右邊界的方位角度值。

角開(kāi)脈沖與角關(guān)脈沖的時(shí)間間隔（DA）與固定的角度值D通過(guò)比較器比較產(chǎn)生等值脈沖，等值脈沖二分頻后形成天線方位圓掃時(shí)間的計(jì)數(shù)波門(mén)。該計(jì)數(shù)波門(mén)與正回掃信號(hào)二分頻形成天線方位掃描時(shí)間的計(jì)數(shù)波門(mén)通過(guò)選擇器選擇其一作為計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)波門(mén)。選擇器的選擇信號(hào)由CPU的地址信號(hào)控制。鎖存器2存儲(chǔ)的為天線方位扇掃時(shí)間或天線方位圓掃時(shí)間。對(duì)應(yīng)的鎖存清零信號(hào)產(chǎn)生電路輸出對(duì)應(yīng)的鎖存信號(hào)和清零信號(hào)。

鎖存器11、鎖存器12、鎖存器2輸出的數(shù)據(jù)分別通過(guò)三態(tài)門(mén)1、三態(tài)門(mén)2、三態(tài)門(mén)3接至CPU的數(shù)據(jù)總線（DB），三態(tài)門(mén)的選通信號(hào)由地址譯碼產(chǎn)生。CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀入鎖存器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理以求取各參數(shù)值。

圖2 FPGA電路框圖

3.3 軟件算法與誤差分析

CPU讀回?cái)?shù)據(jù)后，通過(guò)運(yùn)算可計(jì)算出天線方位扇掃范圍、扇掃速度、圓掃速度等參數(shù)。由于時(shí)間間隔與角度成線性關(guān)系（設(shè)比例系數(shù)為k），如果計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為f MHz，則鎖存器數(shù)值為D時(shí)對(duì)應(yīng)的角度關(guān)系為：θ=kD/f（°），這樣就可以根據(jù)計(jì)數(shù)器1的時(shí)鐘頻率、鎖存器11、鎖存器12的數(shù)值計(jì)算出天線的扇掃范圍。

同理，根據(jù)計(jì)數(shù)器2時(shí)鐘頻率f2MHz、鎖存器2的數(shù)值D2，計(jì)算出天線的扇掃速度和圓掃速度，其表達(dá)式為w1=60×106·f2/D2（次/min）。

由于采用計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)存在±1誤差，同時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率決定了測(cè)量誤差的大小。如果雷達(dá)工作時(shí)天線旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間為240μs，即K值取1.5，在計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為20MHz的情況下，測(cè)量天線扇掃范圍的誤差只有0.15°；在計(jì)數(shù)器2時(shí)鐘頻率為1250Hz，鎖存器2的數(shù)值D最大值為5000時(shí)，測(cè)量天線的扇掃速度和圓掃速度的誤差只有0.003次/min，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于技術(shù)說(shuō)明書(shū)的誤差要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

天線運(yùn)動(dòng)參數(shù)自動(dòng)化測(cè)量的設(shè)計(jì)方案已在某型雷達(dá)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組建中得到具體應(yīng)用，同傳統(tǒng)的手工測(cè)量方法相比，該方法簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，降低了人為因素的影響，提高了測(cè)量速度和精度，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，這不僅為雷達(dá)設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試提供了通用的設(shè)計(jì)方法，而且可為其他電子設(shè)備ATS的組建提供有益的借鑒。

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