一種相控陣雷達數(shù)字TR組件幅相校正裝置設(shè)計

王新紅，陳婷，楊柳

（航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司，湖北荊州，434000）

0 引言

數(shù)字T/R組件是相控陣雷達的關(guān)鍵部件之一。常規(guī)數(shù)字相控陣雷達的幅相校正需要使用專用儀表和設(shè)備，人工連接校正線路并手動設(shè)置儀表參數(shù)，由于校正設(shè)備硬件通道的差異，每次幅相校正完畢后還需人工測量誤差并對校正結(jié)果進行補償，不僅校正效率低，耗費時間長，且在長時間的校正過程中無法保證工作溫度始終一致，無法消除電子器件溫度漂移帶來的誤差，極大影響雷達陣面幅相的一致性，嚴重降低數(shù)字T/R組件工作性能。本文設(shè)計一種自動化幅相校正裝置實現(xiàn)數(shù)字T/R組件幅相校正。

1 設(shè)備組成及工作原理

相控陣雷達數(shù)字TR組件幅相校正裝置由監(jiān)控計算機、資源管理計算機、數(shù)字波束合成DBF分機、頻率源、陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字TR組件組成。數(shù)字T/R組件通過陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收頻率源輸出的同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號；頻率源通過陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)字T/R組件輸出的發(fā)射激勵耦合信號；監(jiān)控計算機通過資源管理計算機和陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)向頻率源、數(shù)字T/R組件發(fā)送幅相校正指令，頻率源和數(shù)字波束合成DBF分機接收校正數(shù)據(jù)，并將頻率源的發(fā)射校正數(shù)據(jù)、數(shù)字波束合成DBF分機的接收校正數(shù)據(jù)回傳監(jiān)控計算機進行處理顯示。相控陣雷達數(shù)字TR組件幅相校正裝置工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理框圖

監(jiān)控計算機為CPCI計算機，包含計算機硬件平臺、顯示器、鍵盤、鼠標和人機交互界面軟件，人機交互界面軟件包括：顯示控制軟件模塊、命令解析軟件模塊、校正處理軟件模塊、數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊；監(jiān)控計算機通過計算機硬件平臺的網(wǎng)絡(luò)接口與資源管理計算機通訊，通過鍵盤鼠標完成與操縱員的人機交互；監(jiān)控計算機接收操縱員通過鍵盤鼠標的操作錄入，根據(jù)操縱員人工選擇的手動/自動校正選項，使用顯示控制軟件模塊完成識別，生成操作選擇結(jié)果，使用命令解析軟件模塊完成選擇結(jié)果的解析，結(jié)合校正值生成校正指令，使用數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊打包成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報文通過網(wǎng)絡(luò)接口輸出；數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊通過網(wǎng)絡(luò)接口獲取幅相數(shù)據(jù)報文，得到校正結(jié)果。

資源管理計算機為CPCI計算機，包含計算機硬件平臺、PCIE接口卡和資源管理軟件，資源管理軟件包括：參數(shù)分解軟件模塊、資源調(diào)度軟件模塊、指令下發(fā)軟件模塊、幅相數(shù)據(jù)處理軟件模塊；資源管理計算機可根據(jù)監(jiān)控計算機的指令分解參數(shù)和任務，分別生成頻率源、數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束合成DBF分機的控制指令并下發(fā)，獲取頻率源的發(fā)射幅相校正數(shù)據(jù)和數(shù)字波束合成DBF分機的接收幅相校正數(shù)據(jù)編碼回傳監(jiān)控計算機。

頻率源為嵌入式板卡，硬件包含現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、直接數(shù)字式頻率合成器DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、串行存儲器EPCS、LC濾波器、放大器、開關(guān)濾波器組、晶振、倍頻器、混頻器、光收發(fā)模塊，軟件包含頻率源嵌入式軟件，頻率源嵌入式軟件包括：通訊處理軟件模塊、DDS指令生成軟件模塊、AD采樣軟件模塊、時序生成軟件模塊。頻率源通過光收發(fā)模塊接收資源管理計算機的頻率源的控制參數(shù)報文，經(jīng)通訊處理軟件模塊解析后，生成DDS控制信號、采樣控制信號、時序控制信號。時序產(chǎn)生軟件模塊接收晶振產(chǎn)生的全機時鐘，根據(jù)時序控制信號產(chǎn)生同步信號和時序；DDS指令生成軟件模塊接收DDS控制信號和時序，生成DDS指令信號；DDS接收DDS指令信號、基準時鐘，產(chǎn)生三路中頻信號，晶振輸出的基準時鐘經(jīng)倍頻器倍頻、LC濾波器濾波后輸出固定本振信號，DDS產(chǎn)生的三路中頻信號分別與固定本振信號混頻、放大，并經(jīng)過開關(guān)濾波器濾波后，生成一路基準信號、一路測試信號、一路變本振。晶振產(chǎn)生的基準時鐘經(jīng)放大器、LC濾波器后產(chǎn)生同步時鐘輸出。兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD同時接收一路發(fā)射激勵耦合信號、一路基準信號并采樣，AD采樣軟件模塊根據(jù)時序信號對采樣結(jié)果進行處理，輸出幅相數(shù)據(jù)；通訊處理軟件模塊對幅相數(shù)據(jù)進行編碼打包后通過光收發(fā)模塊輸出，回傳資源管理計算機。

陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為信號分發(fā)器，硬件包含同步信號一分十功分器、同步時鐘一分十功分器、變本振一分十功分器、測試信號一分十功分器、光功分器及若干連接頻率源與數(shù)字T/R組件的射頻電纜。陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過射頻電纜與頻率源連接，接收頻率源的同步時鐘、同步信號、變本振、測試信號，分別通過一分十功分器完成無源功分，輸出十組同步時鐘、同步信號、變本振、測試信號到十個數(shù)字T/R組件；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過光纖接收數(shù)字T/R組件控制參數(shù)光信號，通過光功分器完成無源光功分，輸出十個數(shù)字T/R組件的控制參數(shù)光信號到十個數(shù)字T/R組件；十個數(shù)字T/R組件根據(jù)控制切換開關(guān)，通過測試信號通道回傳發(fā)射激勵耦合信號，陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收發(fā)射激勵耦合信號，經(jīng)一分十功分器回傳頻率源。

數(shù)字T/R組件為基于直接數(shù)字式頻率合成器DDS的數(shù)字T/R組件，硬件包含帶通濾波器、限幅器、電子開關(guān)、發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字模塊；其中發(fā)射模塊包括：前級功放、末級功放、耦合器、環(huán)行器；接收模塊包括：選頻濾波、放大，數(shù)控衰減控制；數(shù)字模塊的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、直接數(shù)字式頻率合成器DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、時鐘驅(qū)動芯片、串行存儲器EPCS、光收發(fā)模塊，數(shù)字模塊的軟件包含數(shù)字T/R組件嵌入式軟件，數(shù)字T/R組件嵌入式軟件包括：通訊控制軟件模塊、DDS控制軟件模塊、AD控制軟件模塊、導前解碼軟件模塊、時序產(chǎn)生軟件模塊；數(shù)字T/R組件接收控制指令，控制DDS產(chǎn)生發(fā)射激勵耦合信號，對回波端口輸入的信號進行AD采樣，依次經(jīng)過濾波、插值、抽取后得到接收幅相數(shù)據(jù)并打包回傳至數(shù)字波束合成DBF分機；數(shù)字T/R組件測試信號與發(fā)射激勵耦合信號回傳共用一個通道和線路，通過電子開關(guān)切換。

數(shù)字T/R組件為基于直接數(shù)字式頻率合成器DDS的數(shù)字T/R組件，硬件包含帶通濾波器、限幅器、電子開關(guān)、發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字模塊。其中發(fā)射模塊包括：前級功放、末級功放、耦合器、環(huán)行器；接收模塊包括：選頻濾波、放大，數(shù)控衰減控制；數(shù)字模塊的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、直接數(shù)字式頻率合成器DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、時鐘驅(qū)動芯片、串行存儲器EPCS、光收發(fā)模塊，數(shù)字模塊的軟件包含數(shù)字T/R組件嵌入式軟件模塊，數(shù)字T/R組件嵌入式軟件模塊包括：通訊控制軟件模塊、DDS控制軟件模塊、AD控制軟件模塊、導前解碼軟件模塊、時序產(chǎn)生軟件模塊。數(shù)字T/R組件通過數(shù)字模塊的光收發(fā)模塊接收陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的數(shù)字T/R組件的控制參數(shù)光信號，完成光電轉(zhuǎn)換后輸出到現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的通訊控制軟件模塊，通訊控制軟件模塊完成對數(shù)字T/R組件的控制參數(shù)的分解，輸出采樣控制信號、時序控制信號、DDS控制信號。數(shù)字模塊的時鐘驅(qū)動芯片接收陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的同步時鐘信號，完成信號的有源功分，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、時序產(chǎn)生軟件模塊、導前解碼軟件模塊提供同步時鐘；導前解碼軟件模塊接收同步時鐘、同步信號，解碼輸出導前；時序產(chǎn)生軟件模塊接收導前、時序控制信號，產(chǎn)生各模塊所需時序信號；DDS控制軟件模塊接收時序、DDS控制信號，產(chǎn)生DDS指令，DDS根據(jù)DDS指令產(chǎn)生中頻信號，與變本振在混頻器中完成混頻，依次經(jīng)過放大器放大、開關(guān)濾波器組濾波，進入前級功放進行第一次信號放大，將其中一路耦合信號輸出到電子開關(guān)，按照時序控制的切換通過電子開關(guān)輸出，將另一路信號送末級功放，進行第二次放大，再經(jīng)過耦合器、環(huán)形器后輸出發(fā)射信號，經(jīng)帶通濾波器濾波后輸出。帶通濾波器接收回波信號，依次經(jīng)限幅器輸出到電子開關(guān)。電子開關(guān)接收時序控制、測試信號、回波信號，按照時序控制切換開關(guān)，在不同時刻將測試信號或回波信號輸出到選頻濾波，再依次經(jīng)過放大、數(shù)控數(shù)衰減控制輸出到AD進行采樣，采樣結(jié)果經(jīng)AD控制軟件模塊處理后輸出幅相數(shù)據(jù)到通訊控制軟件模塊，通訊處理軟件模塊對幅相數(shù)據(jù)進行打包編碼，經(jīng)光收發(fā)模塊完成電光轉(zhuǎn)換后輸出。

數(shù)字波束合成DBF分機包括底板、光纖數(shù)傳插件、處理插件、電源插件；其中，光纖數(shù)傳插件的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、串行存儲器EPCS、光收發(fā)模塊、晶振，光纖數(shù)傳插件的軟件包括：數(shù)據(jù)接收軟件模塊、數(shù)據(jù)對齊軟件模塊、數(shù)據(jù)打包軟件模塊；處理插件的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、串行存儲器EPCS、光收發(fā)模塊、晶振，處理插件的軟件包括：數(shù)據(jù)合成軟件模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送軟件模塊；數(shù)字波束合成DBF分機負責接收經(jīng)數(shù)字T/R組件處理后的幅相數(shù)據(jù)，并將幅相數(shù)據(jù)提取并打包回傳至資源管理計算機。

2 幅相校正方法

2.1 發(fā)射幅相校正

發(fā)射幅相校正流程圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射幅相校正流程圖

監(jiān)控計算機根據(jù)人機界面人工/自動選項的選擇結(jié)果，轉(zhuǎn)換為以字節(jié)為單位的控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給資源管理計算機；資源管理計算機接收監(jiān)控計算機的控制指令，完成控制指令分解后，分別發(fā)送針對頻率源、數(shù)字T/R組件的控制指令；頻率源接收資源管理計算機的控制指令，產(chǎn)生同步信號、同步時鐘、變本振和基準信號；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收資源管理計算機的控制指令、頻率源的同步信號、同步時鐘、變本振信號，完成信號的功分與轉(zhuǎn)發(fā)；數(shù)字T/R組件接收控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振信號，數(shù)字T/R組件被測試通道根據(jù)指令要求產(chǎn)生發(fā)射激勵耦合信號；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將被測試數(shù)字T/R組件的發(fā)射激勵耦合信號通過測試信號通道回傳至頻率源；頻率源接收發(fā)射激勵耦合信號，通過頻率源內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對自身基準信號與發(fā)射激勵耦合信號同時進行采樣，依次經(jīng)過濾波、插值、抽取后得到幅相數(shù)據(jù)并打包回傳至資源管理計算機；資源管理計算機接收幅相數(shù)據(jù)，并回傳給監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機接收被測試通道和基準信號的幅相數(shù)據(jù)，將被測試通道幅相與基準幅相做比值計算得到誤差值，判斷被測試發(fā)射通道幅相與基準通道幅相誤差是否超出門限范圍，并根據(jù)判別情況更新發(fā)射幅相誤差數(shù)據(jù)表，在后續(xù)周期向數(shù)字T/R組件發(fā)送新的發(fā)射通道相位補償值；監(jiān)控計算機依次切換被測試通道，通過巡檢的方式完成所有通道所有頻點的發(fā)射幅相校正，人機交互界面負責對監(jiān)測結(jié)果進行綜合處理后顯示。

2.2 接收幅相校正

接收幅相校正流程圖如圖3所示。

圖3 接收幅相校正流程圖

監(jiān)控計算機根據(jù)人機界面人工/自動選項的選擇結(jié)果，轉(zhuǎn)換為以字節(jié)為單位的控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給資源管理計算機；資源管理計算機接收監(jiān)控計算機控制指令，完成分解，分別發(fā)送針對頻率源、數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束合成DBF分機的控制指令；頻率源接收資源管理計算機的控制指令，產(chǎn)生模擬同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收資源管理計算機的控制指令、頻率源的同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號，完成信號的功分與轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)字T/R組件接收控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號，被測試數(shù)字T/R組件根據(jù)指令要求切換開關(guān)，使測試信號經(jīng)過接收通道，并使用數(shù)字T/R組件的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對接收區(qū)信號進行采樣，依次經(jīng)過濾波、插值、抽取后得到幅相數(shù)據(jù)并打包回傳；數(shù)字波束合成DBF分機接收當前頻點參數(shù)下所有數(shù)字T/R組件的幅相數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令處理并打包回傳；資源管理計算機接收數(shù)字波束合成DBF分機回傳的幅相數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機設(shè)定校正的幅度、相位基準值，將通道幅相數(shù)據(jù)做比值運算得到幅相校正比值，并將幅相校正比值和校正參數(shù)生成控制指令，依次通過資源管理計算機、陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)字T/R組件，數(shù)字T/R組件根據(jù)控制指令完成接收幅相數(shù)據(jù)的校正； 監(jiān)控計算機依次切換測試頻點參數(shù)，通過巡檢的方式完成所有頻點的發(fā)送接收幅相校正，人機交互界面負責對監(jiān)測結(jié)果進行綜合處理后顯示。

3 結(jié)論

該相控陣雷達數(shù)字T/R組件幅相校正裝置，通過監(jiān)控計算機人機交互界面自動發(fā)送校正指令，完成頻點和通道的切換；幅相校正使用的陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與正常工作所需的網(wǎng)絡(luò)為合二為一，正常工作所需的控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號，與幅相校正所需的控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振、測試信號、發(fā)射激勵耦合信號使用的是同一套網(wǎng)絡(luò)，減少校正誤差環(huán)節(jié)，從而極大減小幅相校正誤差；資源管理計算機獲取校正數(shù)據(jù)后，通過監(jiān)控計算機自動計算補償值并生成校正指令，使得完成幅相校正總耗時控制在秒級，徹底避免長時間校正所產(chǎn)生溫度漂移帶來的不良影響。幅相校正一致性好，極大提高校正效率，切實保證數(shù)字T/R組件高效運行。解決了現(xiàn)有幅相校正必須配置專用儀表和設(shè)備，因設(shè)備硬件通道差異，每次校正完畢還需人工測量誤差并對校正結(jié)果進行補償，不僅校正效率低，耗費時間長，且無法校正因長時間校正溫度變化引起的差異，極大影響幅相校正的一致性，嚴重降低數(shù)字T/R組件工作性能的問題。