雷達(dá)模擬器與雷達(dá)的接口電路設(shè)計(jì)

0 引言

雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著舉足輕重的作用，隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)雷達(dá)裝備試驗(yàn)、性能檢測、故障診斷、保障和訓(xùn)練提出了更高的要求。在計(jì)算機(jī)電子技術(shù)快速發(fā)展和普及的當(dāng)下，基于PC機(jī)的雷達(dá)模擬器以其所具有的優(yōu)點(diǎn)成為解決這些問題的最佳選擇。

雷達(dá)模擬器是不斷通過與上位機(jī)(PC機(jī))和雷達(dá)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信來生成模擬回波信號(hào)的。要使雷達(dá)模擬器生成的模擬回波信號(hào)能反映雷達(dá)接收真實(shí)目標(biāo)的所有信息，就需要根據(jù)雷達(dá)信號(hào)構(gòu)建模型和整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，去采集雷達(dá)工作的狀態(tài)參數(shù)。雷達(dá)模擬器通過接口電路來采集回波信號(hào)模擬所需要的雷達(dá)狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過調(diào)理后再傳輸至模擬器的控制主板。主要的雷達(dá)狀態(tài)參數(shù)有雷達(dá)天線角度信號(hào)、雷達(dá)主脈沖、錐掃基準(zhǔn)信號(hào)和載波頻率大小。模擬器通過采集雷達(dá)天線角度信號(hào)作為雷達(dá)接收天線的當(dāng)前波束指向，用于判斷是否生成模擬回波信號(hào)和確定天線增益的大小;采集雷達(dá)主脈沖信號(hào)作為雷達(dá)信號(hào)模擬的時(shí)間基準(zhǔn)，使模擬的信號(hào)與雷達(dá)保持同步;采集雷達(dá)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)為差信號(hào)的錐掃調(diào)制提供了相位基準(zhǔn);采集雷達(dá)載波頻率用于調(diào)整回波模擬器射頻卡的本振輸出頻率，確保生成的射頻回波信號(hào)能夠被雷達(dá)接收。下面主要介紹雷達(dá)模擬器與雷達(dá)接口電路的硬件設(shè)計(jì)。

1 接口電路的硬件設(shè)計(jì)方案

對(duì)雷達(dá)裝備天線角度信號(hào)、主脈沖信號(hào)、錐掃基準(zhǔn)信號(hào)和雷達(dá)載波頻率等工作參數(shù)進(jìn)行分析，可以知道這些信號(hào)的形式、性能和參數(shù)都不一樣，因此雷達(dá)接口電路需要根據(jù)各信號(hào)的不同來設(shè)計(jì)相應(yīng)的采集調(diào)理電路。

1.1 天線軸角電路設(shè)計(jì)

天線方位角和高低角轉(zhuǎn)換電路的作用是將雷達(dá)天線的模擬角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度信息，并將數(shù)字化的角度信息傳輸至模擬器控制主板，主板根據(jù)雷達(dá)天線角度信息確定回波波束的作用范圍和目標(biāo)回波的天線增益大小。

雷達(dá)天線角度信息轉(zhuǎn)換采用旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。硬件電路以單片機(jī)為核心，包括天線軸角調(diào)理電路、基準(zhǔn)信號(hào)形成電路和串行通信電路等，電路框圖如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)一般為交流信號(hào)，以某型雷達(dá)為例，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出幅度為±10 V左右的交流電壓信號(hào)。因?yàn)殡娐匪脝纹瑱C(jī)(C8051F020)的ADC轉(zhuǎn)換模擬電壓的范圍是0～VRFE(VRFE=2.45 V)，所以在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，必須首先對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行降幅和去負(fù)值處理，這些任務(wù)由軸角信號(hào)調(diào)理電路來完成，如圖2所示。輸入軸角信號(hào)經(jīng)過電阻分壓和二極管負(fù)向門限電壓的作用后，再經(jīng)過電阻分壓輸出滿足單片機(jī)需要的信號(hào)。

旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電壓用來作為峰值采樣的觸發(fā)信號(hào)。由于激磁電壓幅值大于單片機(jī)內(nèi)部比較器的驅(qū)動(dòng)電壓，利用二極管的限幅作用，將激磁電壓信號(hào)整形成近似方波信號(hào)，然后利用電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓，確保采樣觸發(fā)信號(hào)在比較器能夠承受的外部驅(qū)動(dòng)電壓范圍(-0.25～+0.25 V)內(nèi)，電路如圖2所示。激磁信號(hào)在基準(zhǔn)信號(hào)形成電路的作用下生成基準(zhǔn)信號(hào)送單片機(jī)比較器的入口，比較器在基準(zhǔn)信號(hào)上升沿產(chǎn)生中斷，在中斷中使能單片機(jī)的 A/D口，將軸角信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理過的天線方位角信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在整個(gè)單片機(jī)程序控制下電路完成了雷達(dá)天線角度信息的數(shù)字化，并經(jīng)過串行通信電路傳輸?shù)侥M器控制主板。

1.2 雷達(dá)主脈沖信號(hào)采集電路

雷達(dá)系統(tǒng)中的定時(shí)控制系統(tǒng)提供雷達(dá)正常工作所需要的全部定時(shí)信號(hào)和各種控制信號(hào)，其中雷達(dá)主脈沖信號(hào)由系統(tǒng)的重復(fù)頻率控制電路形成，用來作為雷達(dá)總站及各分系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的外同步信號(hào)。

模擬器控制主板的程序設(shè)計(jì)以雷達(dá)主脈沖作為回波數(shù)據(jù)計(jì)算與發(fā)送的時(shí)間基準(zhǔn)，以此來保證與雷達(dá)工作時(shí)序的同步。具體實(shí)現(xiàn)方式為將控制板主控芯片的一個(gè)雙向可編程標(biāo)志位管腳配置為輸入方式，且為中斷產(chǎn)生模式，連接到主脈沖采集電路的輸出端，并將其設(shè)置為上升沿中斷方式。該管腳在接收到雷達(dá)主脈沖信號(hào)的上升沿后立即產(chǎn)生中斷，當(dāng)判斷到有中斷產(chǎn)生，程序進(jìn)行雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的計(jì)算與發(fā)送。

由于雷達(dá)主脈沖幅度為-10 V左右的負(fù)向脈沖信號(hào)，而控制主板的I/O端口承受電壓為3.3 V左右，因此在將雷達(dá)主脈沖作為回波生成的時(shí)間基準(zhǔn)接到主板設(shè)置引腳之前，須對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理來實(shí)現(xiàn)降幅處理。針對(duì)雷達(dá)主脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)的調(diào)理電路如圖3所示。當(dāng)輸入電壓為O V左右時(shí)，二極管D4，D5都截止，輸出電壓為電阻R9，R10對(duì)5 V電源的分壓，約為3.3 V。當(dāng)輸入電壓為-10 V時(shí)，二極管D5導(dǎo)通，輸出電壓為二極管D5的門限分壓，約為-0.7 V。

1.3 雷達(dá)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路

磁耦合環(huán)在錐掃電機(jī)的帶動(dòng)下與基準(zhǔn)電壓發(fā)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，耦合圓波導(dǎo)內(nèi)的磁場，形成高頻調(diào)制差信號(hào)。在雷達(dá)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)時(shí)，若天線電軸偏離目標(biāo)方向，就會(huì)產(chǎn)生誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)為交流信號(hào)，其頻率與饋線系統(tǒng)的低頻調(diào)制頻率相同?；鶞?zhǔn)電壓發(fā)電機(jī)輸出的錐掃基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)用作相敏檢波器的電壓基準(zhǔn)，對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行檢波。檢出的角誤差電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)天線跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

雷達(dá)在實(shí)際工作過程中，可能在任意時(shí)刻接收到目標(biāo)回波。因此，若要模擬雷達(dá)復(fù)合差信號(hào)△，必須要確定每一個(gè)回波相對(duì)于錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位。通過設(shè)計(jì)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路取出耦合環(huán)的相位零時(shí)刻，依此來確定每一個(gè)回波相對(duì)于錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位。錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路原理圖如圖4所示。電路選用電壓比較器芯片LM239D，3.3 V電源供電，采用二極管對(duì)輸入錐掃基準(zhǔn)信號(hào)限幅整形。電路的輸出為3.3 V方波信號(hào)，周期與輸入信號(hào)相同，認(rèn)為方波上升沿為錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位零點(diǎn)。錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路輸出的方波信號(hào)接入到控制主板定時(shí)器0，將其設(shè)置為輸入管腳，使用其脈寬計(jì)數(shù)及捕獲模式對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。[!--empirenews.page--]

1.4 雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作頻率的采集電路

雷達(dá)模擬器控制主板根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的目標(biāo)模型、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和雷達(dá)所處復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行建模，實(shí)時(shí)計(jì)算出視頻段回波信號(hào)，該回波信號(hào)經(jīng)數(shù)字上變頻處理得到兩路中頻段的雷達(dá)回波信號(hào)，再經(jīng)射頻組件調(diào)制到射頻頻段，經(jīng)過天線輻射出去。因?yàn)槔走_(dá)模擬器最終生成的模擬回波信號(hào)在射頻頻段，所以射頻組件在設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮雷達(dá)實(shí)際發(fā)射和接收的一系列過程，確保生成的模擬回波信號(hào)在雷達(dá)的接收機(jī)帶寬內(nèi)，并且能夠隨著雷達(dá)跳頻組合頻率的改變而改變，還要使雷達(dá)在每一時(shí)刻的工作頻率能在上位機(jī)顯示系統(tǒng)顯示。

雷達(dá)為實(shí)現(xiàn)抗干擾通常有多個(gè)工作頻率點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)的工作頻率和變化方式的控制是由跳頻控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。跳頻控制系統(tǒng)在跳頻控制脈沖和系統(tǒng)面板操控按鈕的綜合控制下進(jìn)行工作，輸出當(dāng)前指定頻率的代碼到接收機(jī)，相應(yīng)調(diào)整壓控振蕩器(VCO)組件的工作電壓，以此來改變VCO的輸出頻率，這樣也就改變了雷達(dá)的工作頻率。

雷達(dá)的工作頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值是固定的，只要能知道當(dāng)前跳頻控制系統(tǒng)輸出的頻率代碼就能知道雷達(dá)的當(dāng)前工作頻率?？梢栽O(shè)計(jì)電路通過直接采集頻率點(diǎn)的代碼來確定雷達(dá)當(dāng)前的工作頻率。采集電路共用天線方位角信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中使用的單片機(jī)來進(jìn)行控制，因?yàn)轭l率點(diǎn)特征碼是數(shù)字信號(hào)，所以可以直接與單片機(jī)的數(shù)字I/O引腳相連。頻率點(diǎn)特征碼經(jīng)單片機(jī)傳遞輸出到模擬器的射頻組件用來控制其振蕩器輸出頻率的大小。電路框圖如圖5所示。

1.5 接口串行通信電路

接口電路采集到的天線數(shù)據(jù)信息和載波頻率等信息是通過串行通信電路傳送到模擬器控制主板的?？紤]雷達(dá)模擬器實(shí)際工作時(shí)的情況可能距離雷達(dá)較遠(yuǎn)，本電路選用了RS 485接口總線。該總線采用了差分信號(hào)傳輸，能有效地抑制遠(yuǎn)距離傳輸中的噪聲干擾，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1.2 km，傳輸速度也較快，可高達(dá)10 Mb/s。

2 接口電路性能分析

將以上4種信號(hào)的采集電路整合在同一塊接口電路板上。對(duì)某型火控雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，經(jīng)過分析采集到的雷達(dá)信號(hào)，可以得出數(shù)字轉(zhuǎn)換器能完成天線角度信息的數(shù)字化，對(duì)誤差作統(tǒng)計(jì)可以得出角度轉(zhuǎn)換誤差不大于1 mil。雷達(dá)主脈沖信號(hào)經(jīng)過采集調(diào)理很好地實(shí)現(xiàn)了限幅降壓，為模擬器回波信號(hào)的計(jì)算和發(fā)送提供了觸發(fā)脈沖，也為回波延時(shí)時(shí)間控制和目標(biāo)信號(hào)模擬提供了時(shí)間基準(zhǔn)。由于主脈信號(hào)幅度較大，會(huì)對(duì)整個(gè)接口電路帶進(jìn)一些干擾。雷達(dá)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過示波器檢測可知為正弦波，經(jīng)過零比較電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的方波信號(hào)，用方波信號(hào)的上升沿作為錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位零時(shí)刻，可準(zhǔn)確求出回波信號(hào)相對(duì)于錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位差。對(duì)于雷達(dá)載波頻率，因?yàn)槔走_(dá)的工作頻點(diǎn)數(shù)目和頻率值是固定的，所以只要采到頻率代碼就能準(zhǔn)確定位到工作頻率，又因?yàn)閷?duì)不同雷達(dá)而言，相同的頻率點(diǎn)代碼對(duì)應(yīng)的實(shí)際頻率值可能不相同，所以在模擬器使用前需要對(duì)雷達(dá)的各頻率點(diǎn)的代碼對(duì)應(yīng)的具體頻率值進(jìn)行測試并輸入到主控板中。

3 結(jié)語

在對(duì)以上雷達(dá)信號(hào)性能分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模擬器與雷達(dá)的接口電路。該接口電路結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得接口電路信號(hào)轉(zhuǎn)換正確，隔離效果良好，既實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)狀態(tài)信息的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集，又不影響雷達(dá)的正常工作。通過對(duì)不同雷達(dá)工作系統(tǒng)特性和信號(hào)特性的比較研究，可以在該接口電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的通用雷達(dá)接口電路設(shè)計(jì)。