基于某系統(tǒng)的雷達(dá)航跡仿真器設(shè)計(jì)技術(shù)研究

楊柯 李德峰 杜會(huì)盈

摘? 要：本文結(jié)合系統(tǒng)工程應(yīng)用，針對(duì)使用環(huán)境，由淺入深地介紹了一種雷達(dá)航跡仿真器的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)途徑。該仿真器能夠使雷達(dá)系統(tǒng)在無(wú)須真實(shí)目標(biāo)的環(huán)境下進(jìn)行目標(biāo)的搜索和跟蹤，從而檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)的整體聯(lián)動(dòng)效果和性能。本設(shè)計(jì)思路可以拓展到其他型號(hào)雷達(dá)的檢驗(yàn)過(guò)程中，為降低雷達(dá)系統(tǒng)訓(xùn)練成本提供了一種訓(xùn)練手段。

關(guān)鍵詞：雷達(dá);航跡仿真;仿真器設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.22;TN955? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0067-03

0? 引? 言

武器系統(tǒng)的日益復(fù)雜化、高科技化帶來(lái)了整個(gè)系統(tǒng)工作成本的大幅度提高，一次正常工作所需要耗費(fèi)的人力、物力資源越來(lái)越快地消耗著各個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略資源。為此，在保證武器系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的前提下努力降低非戰(zhàn)斗狀態(tài)下武器系統(tǒng)的維護(hù)、保養(yǎng)、檢測(cè)的成本，成為各個(gè)國(guó)家亟待解決的問(wèn)題。在這樣的背景下，研制、使用成本相對(duì)較低的作戰(zhàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的仿真系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，雷達(dá)航跡仿真器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)仿真器）是其中之一。它主要依據(jù)相應(yīng)型號(hào)的雷達(dá)信號(hào)和工作特性，提供相應(yīng)仿真航跡的視頻信號(hào)，能夠在無(wú)須真實(shí)目標(biāo)的環(huán)境下利用仿真器，達(dá)到檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)整體聯(lián)動(dòng)效果和性能的目的。本文針對(duì)一種雷達(dá)航跡仿真器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了由淺入深的解析。

1? 設(shè)計(jì)原理解析

本方案雷達(dá)航跡仿真器主要由控制單元、同步時(shí)基產(chǎn)生模塊、通信模塊、目標(biāo)回波產(chǎn)生模塊、人機(jī)接口模塊和外圍接口電路等部分組成，如圖1所示。

其中：

控制單元是本仿真器的核心模塊，通過(guò)主處理軟件完成本仿真器的各項(xiàng)工作。

同步時(shí)基產(chǎn)生模塊可以自己產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)和轉(zhuǎn)接外部雷達(dá)送來(lái)的時(shí)基信號(hào)，正常工作時(shí)使用和轉(zhuǎn)接外部雷達(dá)送來(lái)的時(shí)基信號(hào)，當(dāng)調(diào)試時(shí)采用自己產(chǎn)生的時(shí)基信號(hào)。

通信模塊包含多種形式的通信接口，實(shí)現(xiàn)與外部的計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能。

外圍接口電路對(duì)送出的回波信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和匹配，對(duì)外部設(shè)備送來(lái)的時(shí)基信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和分配。

人機(jī)接口模塊用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)本仿真器的命令和控制。

2? 單元及模塊設(shè)計(jì)方案

2.1? 控制單元設(shè)計(jì)方案

控制單元：通過(guò)主處理軟件配合外設(shè)接口負(fù)責(zé)仿真器數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解算、任務(wù)處理、工作流程及時(shí)序控制工作。

本設(shè)計(jì)在選型過(guò)程中，主要依據(jù)以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)量大小、實(shí)時(shí)性需求、市場(chǎng)環(huán)境及發(fā)展前景，折算需要的計(jì)算機(jī)工作頻率、隨機(jī)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器容量;

（2）處理的視頻數(shù)據(jù)類(lèi)型、制式、數(shù)據(jù)量及實(shí)時(shí)性要求決定是否添加獨(dú)立視頻處理板卡;

（3）數(shù)據(jù)類(lèi)型及傳輸方式的可靠性、計(jì)算單元外設(shè)數(shù)量及種類(lèi)，以此決定需要的接口類(lèi)型或者增加相應(yīng)的獨(dú)立接口擴(kuò)展板卡;

（4）結(jié)合設(shè)備使用空間結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸速率選擇合適的總線(xiàn)架構(gòu)（CPCI、VPX、PC104等）。

2.2? 同步時(shí)基產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)方案

同步時(shí)基產(chǎn)生模塊：用于產(chǎn)生雷達(dá)主脈沖、距離掃描脈沖、方位增量脈沖、正北脈沖和扇區(qū)脈沖等所需信號(hào)，作為數(shù)據(jù)源發(fā)送給目標(biāo)雷達(dá)處理單元。

如圖2所示，是同步時(shí)基產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)原理框圖：

（1）時(shí)鐘邏輯部分：輸入接口和分頻電路，分別完成外部時(shí)鐘的接收和內(nèi)部時(shí)鐘的產(chǎn)生，通過(guò)程控開(kāi)關(guān)和時(shí)序邏輯產(chǎn)生電路完成外部/內(nèi)部時(shí)鐘的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，生成各種時(shí)基信號(hào)（包括雷達(dá)主脈沖、距離掃描脈沖、方位增量脈沖、正北脈沖和扇區(qū)脈沖等）;

（2）天線(xiàn)方位產(chǎn)生電路：依據(jù)控制單元的解算結(jié)果產(chǎn)生雷達(dá)天線(xiàn)的目標(biāo)方位信號(hào)，分路后一路通過(guò)總線(xiàn)傳送到控制單元，另一路通過(guò)驅(qū)動(dòng)、接口電路連同時(shí)序邏輯一起輸送至目標(biāo)回波產(chǎn)生模塊，用于生成目標(biāo)的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù);

（3）總線(xiàn)控制邏輯、中斷控制邏輯：通過(guò)總線(xiàn)控制邏輯和中斷控制邏輯電路，完成同步時(shí)基產(chǎn)生模塊與控制單元之間的總線(xiàn)時(shí)序匹配及數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.3? 目標(biāo)回波產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)方案

目標(biāo)回波產(chǎn)生模塊：根據(jù)所模擬雷達(dá)的發(fā)射參數(shù)、回波類(lèi)型將目標(biāo)以回波形式實(shí)時(shí)產(chǎn)生出來(lái)，視頻回波發(fā)生器的硬件邏輯如圖3所示，在輸出形式上可以進(jìn)行視頻信號(hào)輸出和點(diǎn)跡輸出兩種方式。

雷達(dá)方位碼、距離碼同時(shí)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送的值進(jìn)行比較，兩者相等（即當(dāng)前距離和方位與給定的目標(biāo)點(diǎn)相吻合）時(shí)，送出一個(gè)回波脈沖信號(hào)。產(chǎn)生的天線(xiàn)包絡(luò)及回波脈沖個(gè)數(shù)，由預(yù)存在存儲(chǔ)器中的題目需求數(shù)據(jù)庫(kù)中的回波數(shù)參數(shù)確定。

2.4? 通信模塊設(shè)計(jì)方案

通信模塊：完成仿真器內(nèi)部及與上位機(jī)的通信指令和數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送功能。

基于本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，通信系統(tǒng)采用兩種傳輸模式：第一，一個(gè)RS232串口;第二，兩個(gè)雙冗余100M以太網(wǎng)接口。根據(jù)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)系統(tǒng)和使用環(huán)境的不同，可以更改通信接口類(lèi)型和數(shù)量。如圖4所示。

2.5? 人機(jī)、外圍接口設(shè)計(jì)思路

根據(jù)仿真器使用需求，確定人機(jī)接口的選擇和設(shè)計(jì)：

（1）為了實(shí)現(xiàn)預(yù)裝程序、數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了符合2.0標(biāo)準(zhǔn)的USB接口及相關(guān)驅(qū)動(dòng)組件;

（2）設(shè)計(jì)獨(dú)立電源開(kāi)關(guān)，保障仿真器具備獨(dú)立調(diào)試的條件;預(yù)留鍵盤(pán)、顯示器接口用于保證仿真器自身調(diào)試的顯示、控制功能;

（3）設(shè)計(jì)工作狀態(tài)、時(shí)鐘狀態(tài)、架位信息三個(gè)指示燈，用于向用戶(hù)實(shí)時(shí)反應(yīng)仿真器的工作狀態(tài)、時(shí)鐘斷續(xù)、架位采集狀態(tài)。

外圍電路設(shè)計(jì)主要取決于對(duì)應(yīng)的雷達(dá)制式，本仿真器除了數(shù)據(jù)通信接口外還具備以下外圍信號(hào)接口：

（1）電源接口：為仿真器提供接入電源的通道;

（2）時(shí)鐘輸入接口：因?yàn)榫嚯x原因，時(shí)鐘信號(hào)設(shè)計(jì)為差分形式傳輸;

（3）數(shù)據(jù)接口：用于接收雷達(dá)設(shè)備的主脈沖、正北脈沖、增量脈沖等信號(hào)的特征數(shù)據(jù)，考慮到信號(hào)傳輸?shù)木嚯x特性，本設(shè)計(jì)依然采用差分形式傳輸，如果有必要，也可以采用光傳輸?shù)男问健?/p>

2.6? 軟件流程

仿真器軟件功能是根據(jù)上位機(jī)的控制命令進(jìn)行目標(biāo)回波的仿真，其主功能模塊包含：人機(jī)接口控制管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、實(shí)時(shí)目標(biāo)發(fā)生與控制、故障實(shí)時(shí)檢測(cè)等主要部件。它可根據(jù)接收的上位機(jī)的命令完成對(duì)應(yīng)題目和“自擬體”目標(biāo)的仿真，以模擬視頻形式向雷達(dá)輸出回波，同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（或其他通信接口）向外部計(jì)算機(jī)發(fā)送點(diǎn)跡數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)和本仿真器的故障檢測(cè)數(shù)據(jù)。其主程序流程框圖如圖5所示。

3? 仿真器設(shè)計(jì)總結(jié)

在本仿真器實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，綜合考慮了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、用戶(hù)需求、市場(chǎng)發(fā)展方向和使用環(huán)境的綜合需求。

總體設(shè)計(jì)：各個(gè)獨(dú)立單元均采用了高集成化設(shè)計(jì)，除阻容器件、專(zhuān)用轉(zhuǎn)換及橋接器件，所有邏輯均通過(guò)CPLD編程實(shí)現(xiàn)，高度集成化的設(shè)計(jì)保證了仿真器工作穩(wěn)定可靠并且具有對(duì)環(huán)境很強(qiáng)的適應(yīng)性，結(jié)合其他的電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，如模塊化設(shè)計(jì)、保護(hù)電路設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等方法，保障了產(chǎn)品具有較好的維修性和測(cè)試性。

軟件設(shè)計(jì)：嚴(yán)格遵循軟件工程化的設(shè)計(jì)規(guī)定，從規(guī)劃階段開(kāi)始，最終達(dá)到科學(xué)劃分，需求明確、構(gòu)件功能單一、模塊降低耦合的標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)完成高質(zhì)量軟件的目的。

4? 結(jié)? 論

本文結(jié)合作者多年的工程經(jīng)驗(yàn)以及不同使用環(huán)境，集中講解了一種實(shí)用、有效的雷達(dá)航跡仿真器設(shè)計(jì)方法，并對(duì)方案的組成和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了相應(yīng)的說(shuō)明。此項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)計(jì)定型并成功應(yīng)用，截至目前，該仿真器工作穩(wěn)定，性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，充分驗(yàn)證了其在航跡仿真工作中的有效性、實(shí)用性和可靠性。

隨著更加先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)的逐漸應(yīng)用和推廣，本設(shè)計(jì)方法將會(huì)面臨設(shè)計(jì)帶寬過(guò)于局限的嚴(yán)峻考驗(yàn)，下一步需解決的問(wèn)題是：改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加目標(biāo)信息仿真帶寬，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、多路獨(dú)立目標(biāo)航跡仿真的目的。

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作者簡(jiǎn)介：通訊作者：楊柯（1981-），男，漢族，河北阜平人，工程師，碩士，研究方向：艦炮武器與光電系統(tǒng);李德峰（1974-），男，漢族，天津人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：電子與通信工程;杜會(huì)盈（1984-），男，漢族，河南鄭州人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：嵌入式軟件。