基于雷達原理對雷達教學實驗平臺搭建問題研究

■ 馬啟晟

引言

本文旨在根據雷達原理，搭建一種雷達教學實驗平臺系統（以下簡稱為“實驗平臺”）。該實驗設備可以演示雷達的基本構成、信號產生方式、信號逐級傳輸處理過程，實現硬件級故障模擬，配合原理講解課件，達到基礎原理教學目的。貫徹執行通用化、模塊化設計思想，結合軟件仿真技術，實現教學系統的真實、全面及實用性。

1 雷達教學實驗平臺系統總體設計

1.1 雷達教學實驗平臺系統功能

雷達教學實驗平臺系統：通過硬件電路展示雷達工作原理，設置測試點，允許對雷達部分工作狀態（例如：STC 開啟/關閉、中頻放大增益等）進行調整，可設置典型故障，實現硬件級故障模擬，并對故障排查過程進行考核；通過文字、圖片、動畫等方式，講解雷達基本工作原理，與硬件結合，引導學員動手測量，觀察信號逐級變化過程。

1.2 雷達教學實驗平臺系統組成

實驗平臺采用全相參，脈沖多普勒，捷變頻的工作體制，原理如圖1。

共分為顯控分機、發射分機、接收分機、天線與微波分機、電源模塊五部分，如圖1 所示。

圖1 實驗教學系統雷達工作原理

（1）顯控分機主要功能：實現雷達回波數據、角度、速度距離等雷達狀態的顯示，對實驗平臺實現操作控制功能。

（2）發射分機主要功能：產生信號并放大到足夠大的功率，滿足信號發射的功率要求。

圖2 實驗平臺組成

（3）接收分機主要功能：對接收的信號進行下變頻，濾波，放大；完成對中頻信號的放大，濾波等功能；對各路通道信號進行檢波處理，獲取目標參數。

（4）天線與微波分機主要功能：控制天線轉動，真實呈現雷達工作過程中，天線與伺服系統的工作模式。

（5）電源模塊主要功能：提供各分機工作所需要的電源，通TTL 電平控制開關實現電源故障的模擬。

實驗平臺軟件組成及各臺之間數據傳輸，如圖3、圖4所示。

圖3 實驗平臺軟件組成

圖4 分機數據傳輸圖

圖5 導控軟件流程圖

本論文的主要工作是設計并實現導控軟件、接收分機控制軟件、發射分機控制軟件的編寫，以下統稱為控制軟件。

2 控制軟件的設計與實現

2.1 導控軟件流程

（1）對網口進行初始化，開啟網口數據監聽線程、顯示控制監聽線程；

（2）操作人員通過人機交互界面進行操作，顯示控制監聽線程會監聽到界面有人機交互操作，識別相應操作，進入數據解析及指令生成模塊。

（3）顯控分機、發射分機、接收分機通過網口向導控軟件發送狀態上報報文、故障提交報文，網絡數據接收監聽線程會監聽到網口有數據傳入，接收數據，進入數據解析及指令生產模塊。

（4）數據解析及指令生成，判斷數據來源并根據相關協議進行相應處理

2.2 發射分機、接收分機控制軟件流程

（1）對串口、網口、TTL 進行初始化，開啟串口數據接收監聽線程、網口數據監聽線程、顯示控制監聽線程；

（2）顯控分機通過網口向發射/接收分機發送網絡報文，網絡數據接收監聽線程會監聽到網口有數據包傳入，接收網口數據，進入數據解析及指令生成模塊。

（3）實驗臺內各模塊通過串口發送串口數據，串口數據接收監聽線程會監聽到串口有數據傳入，接收串口數據，進入數據解析及指令生成模塊。

（4）操作人員通過人機交互界面進行操作，顯控監聽線程會監聽到界面有人機交互操作，識別相應操作，進入數據解析及指令生成模塊。

（5）數據解析及指令生成，判斷數據來源并進行相應處理。

2.3 控制軟件相關配置

2.3.1 網口配置

采用UDP 協議，模擬系統網絡各節點采用C 類IP 地址，其子網地址是192.168.2.0，子網掩碼是255.255.255.0，各節點IP 地址、端口號如表1：

表1 網口配置

表1 網口配置

2.3.2 串口配置

本系統中，各模塊與上位機的接口采用RS422 串口實現，各模塊端口號如表2 所示。

表2 串口配置

表2 串口配置

2.3.3 TTL 配置

本系統采用PCI-1730U 實現TTL 控制，線性電源每路輸出通過TTL 均可單獨控制，實現每路電源故障模擬。發射實驗臺可模擬電源故障6 路，接收實驗臺可模擬電源故障3 路。

PCI-1730 能夠提供隔離數字量輸入通道和隔離數字量輸出通道,隔離保護電壓可達到2500VDC,所有輸出通道都提供高電壓保護。

3 實驗平臺測試

3.1 導控軟件測試

導控系統是為教員配備的高級教學引導系統，可實現對雷達實驗平臺的控制，可實時監測各分機工作狀態，可下發目標指示，可設置故障。本系統在考核過程中可實時監測學員的操作過程，為教員對學員的考核提供參考。導控軟件啟動后，界面如下圖8 所示：

界面功能簡介：

左側實時狀態欄：分別顯示顯控分機、發射分機、接收分機狀態，綠色在線，灰色離線。

左側目標信息裝訂：包含預定義雷達目標8 種，首先需要引導的指向器（顯控分機）在線且處于“導控”狀態，然后點擊對應目標按鈕，按鈕背景變為綠色，再點擊【開始引導】按鈕，即可進入引導模式，退出引導模式則點擊【結束引導】。

中間設置故障欄：1、選擇故障點，在右側會出現相應原理圖；2、故障最多可同時設置三個，每次只下發一個故障，當收到排故正確上報信息后，間隔5 秒再下發下一條故障，直至全部排故結束；3、點擊【取消故障】按鈕，可取消所有故障，各分機恢復正常工作狀態。

右側故障考核欄：左側表格記錄老師下發的故障名稱、學員排故操作后上報的故障名稱及上報用時，此次排故上報錯誤則該條上報記錄標紅，正確則標為綠色。當學員排故正確時，排除的故障會在右側表格記錄故障名稱、排故時間以及錯誤次數。當學員故障無法排除，可在對應工作臺選擇結束上報，此時故障錯誤次數顯示【未排】，方便老師對學員的操作進行考核。點擊【清除列表】按鈕可清除表格中記錄內容；點擊【記錄存儲】按鈕會將考核記錄保存成為數據文件存儲至桌面考核記錄文件夾。

3.2 發射分機/接收分機測試

分機上電開機后，啟動分機控制軟件，界面如下圖8 所示，以發射分機控制軟件為例：

圖7 導控軟件主界面

圖8 發射臺控制軟件主界面

界面功能簡介：

左側顯控分機狀態欄：顯控分機狀態，綠色在線，灰色離線。

左側各模塊狀態欄：各組件狀態，綠色工作正常，紅色有故障。

中間選擇故障點欄：1、故障點說明：對所選中的故障點進行具體說明；2、各模塊故障點選擇按鈕；3、【故障上報】按鈕將選擇的故障點上報至顯控分機；4、學生認為故障已完全排除時點擊【排故結束】按鈕。

右側故障上報記錄：記錄顯示故障上報時間、上報故障點名稱。

4 總結

本文從硬件設計、軟件的設計與控制軟件的驗證等方面對系統設計與軟件開發進行了詳細的介紹，并給出了軟件設計接口、開發的流程以及現場測試結果，在經過大量的調試，系統各模塊間協作配合，達到了軟件預期的效果，進而說明本次系統設計和軟件開發的正確性。