動態水平儀接入雷達系統的設計

張繼國

摘要：雷達系統通過天線旋轉實現對空域的3600全方位電子波束掃描。因加工、調平工藝限制，天線轉臺與水平面間存在一定的傾斜角度誤差，且隨方位隨機分布。該誤差會引入雷達系統，降低目標定位的準確度。為消除影響，現代雷達系統均配置動態水平儀，對天線轉臺的水平傾斜角度進行實時測量，雷達系統利用該測量值對目標的定位參數進行實時校正，以保證定位的準確度。文中以某雷達系統為例，介紹了動態水平儀的數據接口，論述了利用FPGA實現數據接收處理的工程設計方法，具有很好的設計參考價值。經實際應用證明，本設計穩定可靠，滿足系統要求。

關鍵詞：雷達系統;動態水平儀;異步串口;FPGA

中圖分類號：TN952 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0139-03

0 前言

雷達的工作原理是通過天線的3600旋轉，實現對空域的3600全方位電子波束掃描，利用被照射物體對電磁波的反射特性，檢測并發現目標。為保證目標定位的準確度，對天線轉臺的水平度有較高的要求。現代雷達為保證天線轉臺的水平度，除了通過調平機構在雷達架設時高精度調整天線轉臺的水平度外，一般都在天線轉臺上配置動態水平儀，隨著天線轉動，動態水平儀會實時送出對天線轉臺傾斜角度的測量數據，雷達的數據處理系統依據此數據，對目標的定位信息（方位、距離、高度）進行實時的修正，以消除轉臺水平傾斜角度誤差的影響。

本文針對動態水平儀數據接入雷達系統的接口設計，介紹了一種工程設計方法。

1 動態水平儀的數據接口

動態水平儀是一種測量基座（平臺或轉臺）相對于水平面在正交的兩個方向上小角度傾斜程度的儀表，由一個控制箱和兩個傳感器組成，兩個傳感器以天線轉臺回轉軸為中心，對稱安裝，控制箱安裝在轉臺之上。

動態水平儀默認上電后自動開始測量，以50Hz的刷新率對外送出天線轉臺X、Y軸向的傾斜角度數據。數據接口采用RS-422異步串口通信，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無校驗位，波特率為115200bps，數據包結構如表1所示。

2 接口設計

FPGA已廣泛應用于雷達系統的設計，具有設計靈活的特點。設計考慮利用FPGA的可編程邏輯實現異步串口接收，輔以RS-422/TTL電平轉換電路，完成對動態水平儀數據的接收。接收到的數據與其他數據（電子波束參數、雷達天線方位數據等）打包后送后端處理。處理流程如圖1所示。

2.1 硬件設計

如圖1所示，硬件電路設計涉及電平轉換電路和FPGA電路。考慮到接口兩端電路的安全性，電平轉換電路采用帶隔離的設計，工程中采用AD公司的ADM2582E芯片實現RS-422電平到TTL電平的轉換，該芯片內部集成有收、發電路各1個通道，特點是RS-422端的電源、信號、地與TTL端的電源、信號、地是隔離的，采用單電源供電，內部集成隔離式DC-DC電源。綜合考慮系統需要實現的可編程邏輯功能，FPGA采用Xilinx公司的XC7VX690T-2FFG1927I產品。

鑒于雷達系統內部電磁環境復雜，存在高電壓、大電流設備，會在數據信號的傳輸過程中竄入干擾。工程設計上，要綜合常規的抗EMI設計，采取必要的電源退耦、信號濾波整形、阻抗匹配以及采用屏蔽電纜等措施，解決干擾問題。

2.2 軟件設計

異步串口通信的數據幀格式如圖2所示。

如圖2所示，一幀數據包括起始位、數據位（共8位）、校驗位和停止位。線路空閑時，傳輸線路保持高電平。開始發送數據時，傳輸線路由高電平變為低電平，稱為起始位（1bit時長），表示一幀數據的開始，然后連續8bit的有效數據位，再奇偶校驗位，最后是停止位，傳輸線路變為高電平，表示一幀數據的結束。

依據圖2所示數據幀格式，設計如圖3所示的FPGA軟件處理流程。

幀檢測處理邏輯模塊始終監視串行輸入信號，當檢測到輸入信號由高電平轉為低電平以后，延遲7個時鐘節拍再次采樣輸入信號，如仍為低電平，代表當前的采樣時刻為起始位的中央時刻，后面每經過16個時鐘節拍就對輸入數據采樣一次，將8位串行數據逐位采樣并緩存起來。再經過16個時鐘節拍，檢查是否為停止位，若是則表示接收成功，否則出現幀錯誤，并重新檢測，等待下一個新字符接收處理。字符接收成功，則通過移位寄存器合成一個字節，暫存在接收FIFO中。

當接收FIFO內數據達到其觸發深度時（默認為5），會產生觸發信號，讓數據提取邏輯模塊從FIFO中依次讀數，并查找數據包包頭0x24、0xAA、0x55，繼而找出X、Y軸向的傾斜角度值（均是16位）。參照表一對完整一包的數據進行奇偶校驗運算，如果校驗和正確，則將提取的X、Y軸向傾斜角度值送后級處理，否則丟掉，等待下一包數據。

圖3中的波特率產生邏輯模塊，其核心是在波特率選擇控制下，產生1200～115200bps波特率范圍內的相對基準時鐘（10MHz）的計數值。工程設計中一般采用波特率的16倍值。

軟件處理的核心是幀檢測處理邏輯，詳細處理流程見圖4。圖4中的處理均是同步處理，時鐘采用10MHz的基準時鐘。

軟件源代碼采用Verilog HDL語言編寫，通過Vivado 2017編譯環境進行編譯、綜合和布線。

3 應用驗證

本設計已成功應用于某雷達系統中，通過異步串口將動態水平儀測量的X、Y軸向傾斜角度數據接入雷達系統，數據波特率是115200bps，在外場試驗過程中，設備工作穩定，滿足雷達系統要求。

圖5所示是外場試驗中現場采集到的經檢測、提取處理后的動態水平儀數據，數據包頭是0x24、0xAA、0x55，X軸向的傾斜角度值是0xfc16，Y軸向的傾斜角度值是0x000c，動態水平儀處于工作狀態，BIT檢測顯示工作正常，符合表1對串口數據包的描述。

4 結語

本設計采用FPGA實現了異步串口數據接收，適用1200～115200bps波特率范圍，對于非標稱波特率也能正常工作，可廣泛應用于工業自動化領域以及武器裝備系統，具有節省硬件資源、接口適應性強、功能易擴展等特點，較好地解決了嵌入式系統中計算機串口數量有限與需要接入串口外設數量眾多的矛盾，具備很好地推廣應用價值。

參考文獻

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Design of Integrating Dynamic Horizon-meter into Radar System

ZHANG Ji-guo

（1.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei? Anhui? 230088;

2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application， Hefei? Anhui? 230088）

Abstract：The radar system realizes electronic beam scanning in all 3600 space by antenna rotation. Due to the precision limitation of manufacturing and horizontal degree adjustment， there are certain tilting angle errors between the antenna rotation platform and the horizontal plane， and they are distributed randomly with the azimuth. The error will be led into radar system and reduces the targets location accuracy. In order to eliminate the influence， modern radar system is equipped with dynamic horizon-meter to measure the horizontal tilt angle of the antenna rotation platform in real-time. The radar system uses the measured data comes from dynamic horizon-meter to correct the targets location parameters in real-time， so as to ensure the accuracy of targets location. As an example， a design is declared in this paper. This paper introduces the data interface of dynamic horizon-meter， and describes the engineering design method of data receiving and processing based on FPGA， which provides good reference value to other design. The practical application proves that the design is stable and reliable and meets the system requirements.

Key words：radar system;dynamic horizon-meter;UART;FPGA