淺談二次雷達(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 二次雷達(dá)作為大型雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成部分，在民航的空中交通管制及目標(biāo)識(shí)別方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，為了而適應(yīng)航空領(lǐng)域的發(fā)展，提升針對重點(diǎn)空域的境界功能，基于無源相控天線體制的二次雷達(dá)系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來了。采用這一天線掃描體制的二次雷達(dá)，同時(shí)具備相位控制、同步控制、數(shù)據(jù)傳送和信號(hào)自檢的功能。筆者以采用無源相控天線體制的二次雷達(dá)系統(tǒng)作為研究對象，在波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了集中式波控方案，引入了嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并采用軟件、硬件雙重同步的手段進(jìn)行波控處理流程設(shè)計(jì)，此外，選取了二級(jí)緩存同步相的方法進(jìn)行波控?cái)?shù)據(jù)的布相。實(shí)踐表明，這一基于集中波控方案的二次雷達(dá)波束控制系統(tǒng)可靠性高、靈活性強(qiáng)，值得在應(yīng)用中進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞： 二次雷達(dá)；無源相控天線；波束控制

二次雷達(dá)通常也被稱作是空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)上主要是由詢問雷達(dá)和應(yīng)答雷達(dá)構(gòu)成的，即由詢問雷達(dá)發(fā)射電磁波，應(yīng)答雷達(dá)在接收到信息后發(fā)生應(yīng)答電磁波，通過信息的交互完成目標(biāo)識(shí)別和定位。針對重點(diǎn)空域進(jìn)行監(jiān)視的相控體制的一次雷達(dá)，需要在陣面天線靜止的情況下，天線波束在方位及仰角上進(jìn)行二維掃描，采用無源相控陣體制的二次雷達(dá)即是為了滿足一次雷達(dá)的這一需求而逐步發(fā)展起來的。

傳統(tǒng)的二次雷達(dá)采用的是機(jī)械掃描的工作方式，雖然可以完成采用相控體制的一次雷達(dá)的需求，即在二次雷達(dá)天線靜止的情況下，二次雷達(dá)波束在方位角上進(jìn)行掃描，并且覆蓋一次雷達(dá)波束的方位掃描范圍。但是傳統(tǒng)二次雷達(dá)的波束在空間掃描時(shí)波束指向上的慣性，不僅導(dǎo)致了相控陣天線增益的降低以及旁瓣的升高，而且還需要明確所有陣元的輻射相位與輻射值，從而對通道的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。這樣就造成了系統(tǒng)計(jì)算資源的消耗，給雷達(dá)性能造成了限制，而基于無源相控天線體制的二次雷達(dá)系統(tǒng)不僅保持了傳統(tǒng)二次雷達(dá)的功能，而且提升了在天線波束控制上的可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 波控方案

以下四種功能是二次雷達(dá)被應(yīng)用于波束控制所應(yīng)具備的基本功能，主要涉及相位的控制、頻率同步設(shè)置、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和對數(shù)據(jù)的篩選自檢。雷達(dá)波控與相位矩陣的結(jié)合分為集中式和分布式兩種。根據(jù)二次雷達(dá)具有規(guī)模較為集中的特點(diǎn)，常采用集中式的波形控制方案。該方案中系統(tǒng)依靠嵌入計(jì)算機(jī)作為核心單元的方式實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的控制。這種嵌入式設(shè)計(jì)可以通過集成方式將普通PC機(jī)的功能集合在一塊小的單板機(jī)上，PC機(jī)兼容模式的標(biāo)準(zhǔn)化可以降低軟件開發(fā)難度。計(jì)算機(jī)根據(jù)波束的定向性和波形特點(diǎn)對陣面的各機(jī)原點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算，得出基元的相位、幅度作為輸出數(shù)據(jù)傳送至陣面上的控制接口。最后，將數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的單元進(jìn)行存儲(chǔ)。該方法的優(yōu)勢在于：不需要過多的硬件配套，控制靈敏，幅度和相位相互補(bǔ)償操作簡單。最后再根據(jù)不同地址將數(shù)據(jù)依次打入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。

1.2 布相方法

將二次雷達(dá)應(yīng)用在波形和幅度控制的系統(tǒng)中時(shí)，考慮布相方法的設(shè)計(jì)中的特殊性，采取了二級(jí)緩存的方法進(jìn)行同步布相，此方法由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制單元的相位運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果借由I/O端口通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)包括衰減代碼和移向代碼，以鎖存的方式存儲(chǔ)于一級(jí)緩存，通過信號(hào)切換的途徑將信號(hào)輸入二級(jí)緩存。

1.3 處理流程

由相控陣原理布置的雷達(dá)系統(tǒng)主要有波束調(diào)度、波束控制、二次雷達(dá)主控器等單元組成，并且這些單元必須是采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行連接架構(gòu)的，采用最先進(jìn)的以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和指令的下達(dá)，這樣整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)就能夠在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接上形成一個(gè)良好的整體。在雷達(dá)系統(tǒng)中的任務(wù)管理單元接收到相應(yīng)的指令以后，按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行指令的下達(dá)傳輸，在波束調(diào)度單元接收到指令以后就可以根據(jù)工作的需求進(jìn)行重新編碼，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將需要傳達(dá)的指令按照相應(yīng)的工作需求進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直到傳遞到最后的雷達(dá)約束控制單元中。

由于在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)受到一些其他因素的干擾而導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中出現(xiàn)一定程度的延遲現(xiàn)象。而各個(gè)數(shù)據(jù)接口有時(shí)候也存在一定的不匹配的問題，那么就需要系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)試，并且相應(yīng)的硬件系統(tǒng)也需要時(shí)間來進(jìn)行配合，所以導(dǎo)致最終在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程當(dāng)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)的部分延遲或者丟失的現(xiàn)象。

在波束調(diào)度單元接收到相應(yīng)指令并做出調(diào)整后向波束控制單元發(fā)出相應(yīng)的指令，后續(xù)單元就會(huì)根據(jù)得到的指令進(jìn)行相位布置的修改，完成指令要求的相位布置工作，最后硬件的接口向整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的主控單元發(fā)射相應(yīng)的波束和指令代碼，主控制單元在接收到信號(hào)以后會(huì)將相應(yīng)的信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的代碼內(nèi)容進(jìn)行對比分析，當(dāng)對比分析后發(fā)現(xiàn)沒有出入，就會(huì)按照相應(yīng)的指令對波束進(jìn)行切換和調(diào)整，形成新的波陣單元。

2軟件操作系統(tǒng)

VxWorks 操作系統(tǒng)是一種較為先進(jìn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這種操作系統(tǒng)十分的穩(wěn)定，各項(xiàng)功能較為完備，而且能夠支持多進(jìn)程任務(wù)工作，最重要的是這種操作系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求對系統(tǒng)的功能組成進(jìn)行裁剪。所以在雷達(dá)的內(nèi)部軟件系統(tǒng)的選擇上面就采用VxWorks 操作系統(tǒng)。如圖 6 所示，由該操作軟件組成的波控系統(tǒng)可以采用臨時(shí)阻截的方式獲得外部數(shù)據(jù)，一旦外部數(shù)據(jù)進(jìn)入到本系統(tǒng)后，軟件就會(huì)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理并做出分析，軟件可以在不同的時(shí)間對數(shù)據(jù)波的頻率進(jìn)行切換攔截，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和多任務(wù)處理的功能。

3結(jié)論

經(jīng)過大量的實(shí)踐證明基于嵌入式操作系統(tǒng)和雷達(dá)的的二次約束控制系統(tǒng)組成的雷達(dá)系統(tǒng)具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，尤其是對波束的調(diào)度調(diào)控方面靈活可靠，操作簡單實(shí)用。采用這樣一種控制系統(tǒng)極大的突破了傳統(tǒng)的雷達(dá)工作模式和應(yīng)用范圍，并且隨著現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，在對相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用和探索也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下去。

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作者簡介：楊詩雨，男，1992.9.27，江西南昌，本科，助理工程師，研究方向：電子信息工程。