一種虛擬化矩形雷達波束控制方法?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

波束控制系統作為相控陣雷達的重要組成之一,實時計算雷達陣面所有組件相位和控制驅動,產生組件工作控制時序,從而完成天線波束的快速掃描,實現目標搜索和跟蹤[1]。另一方面,現代雷達波控系統的功能已不局限于波束掃描的完成,波束控制已從單純的波束指向控制變為相控陣天線系統的綜合控制網絡,可實現對雷達陣面健康狀態實時監控。波束控制系統的關鍵器件為波束控制主處理芯片,它是實現相控陣雷達單元控制和波束計算的核心部分。

主處理芯片接收到包含通信方向的控制信號后,根據控制軟件提供的算法計算出各個移相器的相移量,然后通過天線控制器來控制饋電網絡完成移相過程[2]。由于移相器能夠補償同一信號到達各個不同陣元而產生的時間差,所以此時天線陣的輸出同相疊加達到最大。一旦信號方向發生變化,只要通過調整移相器的相移量就可使天線陣波束的最大指向作相應的變化,從而實現波束掃描和跟蹤[3]。

FPGA作為雷達波束控制核心器件,利用其豐富的邏輯單元和I/O管腳、可重復編程和配置功能、高速CMOS工藝、功耗低、與CMOS和TTL電平兼容等特點,將波控碼值運算、控制、多接口配置、系統檢測等集成在一片芯片中處理完成,簡化了波控電路設計,降低了系統成本,提高了系統可靠性。同時,FPGA也是設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一[4]。

1 相控陣天線波束掃描原理

相控陣雷達天線需要對不同指向的波瓣進行測量,即根據波束指向角計算出陣列中每個移相器的饋相值,在間距N×M個組件的二維相控陣天線中,如果對組件進行逐一布相需要N×M次布相方式,無法兼顧系統對布相速度的要求,為此,對于N×M個單元的相控陣天線,采用二維分離N+M次布相方式,布相的次數僅為k×(N+M),與逐一布相的k×N×M次相比,布相時間將有較大的降低,是實現快速二維相控陣布相的有效途徑。

如圖1所示,在一個N行M列的相控陣天線中,若取陣面左下角為坐標原點,當要求波束指向為θB,φB(分別對應俯仰角和方位角)時,第n行、第m列的饋相值:

圖1 二維相控陣天線的單元排列示意圖

雷達波束調度或數據處理系統根據θB,φB(方位角、俯仰角)計算出指向系數α,β。指向角θB,φB轉換成α,β碼的計算公式[5]:

式中,d x,d y為相鄰天線單元的間距在水平和垂直方向的距離,λ為波長。通過簡化得出波控碼值的運算公式:

式中,乘法為浮點運算,m,n為移相單元的坐標,?f為移相器修正值。

雷達上位機計算轉換后的指向系數α,β,量化后通過異步串口傳輸到波控系統,FPGA首先計算出坐標系原點的實時碼值,因為組件橫坐標和縱坐標都是等間距的,通過加法逐一計算出其余組件的實時碼值,然后將存儲器中校正參數疊加到對應的組件,計算出陣列中每個移相器單元所需的控制碼值[6],產生波束控制時序信號驅動移相器,實現波束指向指定的空域,具體波束形成基本算法如圖2所示。

圖2 波束形成基本算法框圖

2 非矩形式天線陣面布局方式

非矩形天線陣面排列形式如圖3所示,前一列的節點位于后一列兩節點中間位置,因此,在節點的中間位置插入一個虛擬節點,可以形成一個規則矩形,然后按照上述加法迭代方式完成雷達的快速布相。

圖3 二維相控陣圓形天線的單元排列示意圖

矩形化虛擬節點插值方式如圖4所示,插入虛擬節點后的陣面形成了規則的矩形結構,白色圓圈代表虛擬節點,黑色圓圈代表實際節點。通過示意圖可以看出,變換后的節點水平距離不變,垂直距離為實際距離的一半。

3 工程實現

圖4 虛擬插值示意圖

波束控制系統主要包括波控主處理芯片(FPGA)、接口芯片、校正碼值存儲器、驅動控制芯片及相應控制軟件,如圖5所示。波控主處理芯片是整個單元的核心芯片,完成碼值計算、時序產生及控制等任務,存儲芯片保存組件的校正參數。布相時,波控芯片讀取存儲芯片中的校正參數,疊加到對應單元的碼值,根據雷達工作模式產生相應控制時序,并通過驅動器驅動移相器,完成陣面快速布相。

根據圖3所示的改進后相鄰天線單元的虛擬插值得出:d x=d1,d y=d2/2,將此參數代入式(2)中,α′=2π(d2/2)cosθBsinφB/λ=α/2;β′=β,得出改進后的波控碼依然為線性關系,因此,仍然可以采用加法迭代方式完成波控碼值的計算。波束調度計算機將計算好的指向系數α,β經過量化后與工作模式一并通過異步串口送入到波控單元,根據式(3)中mα′和nβ′都是乘法運算,FPGA不支持浮點運算,并行的加法運算具有優勢,因此,將mα′和nβ′的計算按照矩形架構的方式采用加法完成,較大地節省了系統布相時間。

圖5 波束控制系統組成

完成所有節點的累加后,將插入的虛擬節點剔除掉,通過加法得出實際節點的波控碼值,具體程序構架如圖6所示。同時,讀出存儲器中雷達組件的校正參數,然后疊加到對應組件的實時碼值,計算出陣列中每個移相器單元所需的控制碼值。仿真結果如圖7所示。

圖6 加法迭代構架

4 結束語

本文簡述了基于FPGA的相控陣雷達波束控制原理,首先介紹了矩形相控陣雷達天線波控設計模型及計算方式,并結合實際的工程設計,分析了非矩形相控陣天線的結構形式及對應參數的分布規律,提出了采用虛擬插值方式,在合適的位置進行虛擬節點補充,將非規則矩形結構形式轉換成規則的矩形形式;然后,按照矩形相控陣碼值計算方式得出所有的節點控制碼值,同時將虛擬節點的控制碼值剔除掉,按照波控時序驅動移相器,實現相控陣雷達天線波束快速掃描。FPGA作為波束控制系統的核心部件,相比CPU處理器實現的波束控制系統,具有低功耗和高可靠等優點,已應用于多型相控陣雷達天線波束控制設計,該設計方法對相控陣雷達波束控制技術的發展具有一定的推動作用[7]。

圖7 仿真結果

[1]張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業出版社,2006:172-181.

[2]萬東成.相控陣天線陣面測試平臺的設計與實現[D].南京:東南大學,2016:12-14.

[3]車明陽,于林韜,朱建東.淺談基于FPGA的相控陣雷達波束控制系統設計[J].信息通信,2013(8):56-58.

[4]殷衛真.基于FPGA的電子系統設計[M].西安:西安交通大學出版社,2016:21-23.

[5]趙婧.小型機載高集成波控系統設計[J].兵器裝備工程學報,2017,38(1):116-118.

[6]許大進,李琳,宣浩.一種機載相控陣雷達波控系統設計[J].雷達科學與技術,2015,13(6):572-576.

[7]田可,周繼.基于FPGA的波控系統設計與實現[J].應用科技,2008,35(3):1-3.