一種用于某型跟蹤雷達(dá)的中頻模擬器設(shè)計(jì)

賈海龍 婁 勇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

武器裝備的日常維護(hù)和訓(xùn)練是部隊(duì)訓(xùn)練的基本需求。實(shí)裝訓(xùn)練除了存在訓(xùn)練費(fèi)用昂貴、保障困難和組織實(shí)施難度大等問(wèn)題外，還存在保密安全隱患，例如，雷達(dá)的開(kāi)機(jī)訓(xùn)練必然會(huì)向空間輻射電磁波，這很可能會(huì)泄露雷達(dá)工作頻段等重要參數(shù)，影響雷達(dá)的戰(zhàn)時(shí)應(yīng)用。基于此，模擬器以其經(jīng)濟(jì)性和零風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)，在世界各軍事強(qiáng)國(guó)的武器裝備研究中一直處于十分重要的地位，各國(guó)都投入了大量的人力、財(cái)力和物力。使得各類(lèi)模擬器廣泛地應(yīng)用于部隊(duì)訓(xùn)練之中。

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)中頻模擬器就是為滿(mǎn)足某型跟蹤雷達(dá)的測(cè)試以及作戰(zhàn)系統(tǒng)的維護(hù)和作戰(zhàn)訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)工作原理

中頻模擬器主要由三個(gè)部分組成：一是接口模塊；二是中頻信號(hào)模塊；三是電源模塊。

在正常工作過(guò)程中，電源模塊將220V交流市電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各模塊工作所需的直流電；接口模塊接收來(lái)自外部火炮火控設(shè)備發(fā)來(lái)的模擬訓(xùn)練要求指令(包括模擬目標(biāo)飛行的速度、角度、距離等)，以及來(lái)自雷達(dá)的觸發(fā)脈沖，并據(jù)此從電子盤(pán)上調(diào)出相應(yīng)的航路參數(shù)，根據(jù)當(dāng)前讀到的雷達(dá)重頻，脈寬，以及雷達(dá)天線(xiàn)的坐標(biāo)位置和俯仰角等信息計(jì)算出模擬目標(biāo)的速度，距離，角度等信息，并控制中頻信號(hào)模塊產(chǎn)生相應(yīng)的和、方位差、俯仰差信號(hào)。中頻信號(hào)模塊向接口模塊提供工作所需的同源時(shí)鐘，并接收接口模塊的指令，由FPGA配置多通道DDS芯片產(chǎn)生三路中頻信號(hào)，分別代表和信號(hào)、方位差信號(hào)和俯仰差信號(hào)；三路信號(hào)的幅度和相位均可獨(dú)立數(shù)控，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)角度信息和速度信息的精確模擬；對(duì)目標(biāo)距離信息的模擬，則通過(guò)高精度延時(shí)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，中頻模擬器具備故障自檢功能，當(dāng)出現(xiàn)電源故障及信號(hào)產(chǎn)生故障時(shí)，將故障信息通過(guò)點(diǎn)亮故障指示燈以及向雷達(dá)發(fā)送BIT信號(hào)的方式進(jìn)行報(bào)故。

2 系統(tǒng)硬件組成

中頻模擬器硬件采用模塊化、系列化、通用化設(shè)計(jì)，盡量選用成熟技術(shù)；采用高集成度、高可靠性的專(zhuān)用集成電路FPGA、DDS，提高處理的靈活性和可靠性[1]。軟件采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，保證處理時(shí)間滿(mǎn)足要求。

中頻模擬器的硬件組成如圖1所示。

圖1 中頻模擬器硬件原理框圖

2.1 接口模塊

接口模塊主要由計(jì)算機(jī)板和接口板兩個(gè)部分組成。

1)計(jì)算機(jī)板

計(jì)算機(jī)板完成模擬器與雷達(dá)和火控臺(tái)之間的通訊和數(shù)據(jù)處理，以及對(duì)中頻信號(hào)模塊的控制。主要包括實(shí)時(shí)讀取來(lái)自火控臺(tái)的訓(xùn)練要求指令；實(shí)時(shí)解算當(dāng)前目標(biāo)的速度、加速度、俯仰角、相對(duì)位置；并將這些信息通過(guò)發(fā)送到接口板，以此控制中頻信號(hào)模塊。其主要硬件參數(shù)包括：

主板：集成CPU，顯卡，內(nèi)存和網(wǎng)卡；

CPU：X86兼容型低功耗CPU，主頻600MHz；

內(nèi)存：1GB；

電子盤(pán)：4G容量的CF卡；

顯示：支持普通的CRT及液晶顯示器；

網(wǎng)絡(luò)：1路10/100/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口；

2)接口板

接口板和計(jì)算機(jī)板協(xié)調(diào)工作，其負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)板需要接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)板所要求的信號(hào)格式，以便計(jì)算機(jī)板能正確地接收與發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，它還向計(jì)算機(jī)板提供中斷信號(hào)，并向中頻信號(hào)模塊提供距離觸發(fā)脈沖，控制中頻信號(hào)模塊產(chǎn)生所需的中頻信號(hào)。

接口板由控制電路(一片F(xiàn)PGA)和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其硬件框圖如圖2所示。控制電路(FPGA)采用中頻信號(hào)模塊送來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)，完成計(jì)算機(jī)與雷達(dá)和中頻信號(hào)模塊的通訊，并且產(chǎn)生距離調(diào)制脈沖。驅(qū)動(dòng)電路完成接口板數(shù)據(jù)線(xiàn)上的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，此外它還起到隔離外部數(shù)據(jù)線(xiàn)上的干擾的功能。

圖2 接口板硬件原理框圖

2.2 中頻信號(hào)模塊

中頻信號(hào)模塊的主要功能是按照計(jì)算機(jī)板的指令，產(chǎn)生包含模擬目標(biāo)的速度，距離和角度等信息的和，方位及俯仰三路信號(hào)[2]。

1)第一個(gè)部分是波形產(chǎn)生電路。按照計(jì)算機(jī)板的指令產(chǎn)生相應(yīng)頻率和帶寬的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)或者單一頻率信號(hào)，通過(guò)FPGA控制多通道DDS芯片可保證三路信號(hào)具備高同步性，同時(shí)FPGA可對(duì)第二部分電路產(chǎn)生的和、差路信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的相位幅度控制，解決使用模擬移相器需要打開(kāi)設(shè)備調(diào)節(jié)的問(wèn)題[4]。

2)第二個(gè)部分是和、差路信號(hào)產(chǎn)生電路。它通過(guò)對(duì)前一部分所生成的信號(hào)進(jìn)行放大、衰減和相位控制，實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的差異化設(shè)置，以此模擬雷達(dá)接收機(jī)和差比較器的輸出，實(shí)現(xiàn)不同角誤差下雷達(dá)回波的模擬，最終輸出雷達(dá)AD采樣所需的和、差路信號(hào)。放大和衰減等關(guān)鍵電路均采用國(guó)產(chǎn)成熟器件。其實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 中頻信號(hào)模塊硬件框圖

2.3 電源模塊

中頻模擬器的輸入電源為220V交流電源，由內(nèi)部的電源模塊將其變換為+5V， +15V，+24V直流輸出。其輸出電流應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)模塊的工作需求并有一定的冗余保護(hù)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件組成

3.1 接口模塊軟件

接口板接收雷達(dá)中心機(jī)送來(lái)的重頻和外部火炮火控設(shè)備送來(lái)的模擬訓(xùn)練要求指令(包括模擬目標(biāo)飛行的速度、角度、距離等)，通過(guò)ISA總線(xiàn)送給計(jì)算機(jī)板。計(jì)算機(jī)板根據(jù)模擬目標(biāo)的參數(shù)解算出中頻信號(hào)模塊需要的和、方位、俯仰衰減量及信號(hào)形式選擇等，通過(guò)ISA總線(xiàn)寫(xiě)入接口板，接口板轉(zhuǎn)換成并口數(shù)據(jù)發(fā)送給中頻信號(hào)模塊；計(jì)算機(jī)板將目標(biāo)的距離信息轉(zhuǎn)換為重頻的延時(shí)量，通過(guò)ISA總線(xiàn)寫(xiě)給接口板后，接口板根據(jù)延時(shí)量對(duì)重頻信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，送中頻信號(hào)模塊。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 接口板軟件流程框圖

3.2 中頻信號(hào)模塊軟件

中頻信號(hào)模塊軟件的功能為根據(jù)接口模塊發(fā)送的模擬目標(biāo)的距離，徑向速度和幅度衰減量以及距離調(diào)制脈沖，產(chǎn)生相應(yīng)頻率和幅度的和，方位及俯仰三路脈沖調(diào)制信號(hào)[5]。軟件流程框圖如圖5所示。

圖5 中頻信號(hào)模塊軟件流程框圖

4 測(cè)試結(jié)果

中頻模擬器可產(chǎn)生包括連續(xù)波、線(xiàn)性調(diào)頻、MFSK、相位編碼、單脈沖、步進(jìn)調(diào)頻等信號(hào)形式，其參數(shù)在如圖6所示專(zhuān)用交互式界面進(jìn)行設(shè)置產(chǎn)生。

圖6 波形選擇交互界面

幾種常用信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖7到圖10所示。

圖7 簡(jiǎn)單脈沖

圖8 重頻參差

圖9 重頻抖動(dòng)

圖10 V型調(diào)頻

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的中頻模擬器可以在中頻頻段上產(chǎn)生模擬目標(biāo)回波的和差三通道信號(hào)，支持雷達(dá)自檢以及作戰(zhàn)系統(tǒng)的維護(hù)和訓(xùn)練，可在雷達(dá)無(wú)須加高壓、無(wú)真實(shí)目標(biāo)配合情況下，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試、精度檢查[6]。目前所服務(wù)的某型雷達(dá)已進(jìn)入小規(guī)模量產(chǎn)階段，中頻模擬器在項(xiàng)目的研制及驗(yàn)證階段工作穩(wěn)定可靠，順利完成了相應(yīng)的測(cè)試機(jī)訓(xùn)練任務(wù)。對(duì)于部隊(duì)日常訓(xùn)練，中頻模擬器也可用于測(cè)量雷達(dá)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)、分系統(tǒng)對(duì)接實(shí)驗(yàn)及培養(yǎng)操作人員。因此，該中頻模擬器具有較高的經(jīng)濟(jì)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。