基于并口通信的多模式波束控制软件设计与应用

2018-06-19孙立春陈文兰

舰船电子对抗 2018年2期

侯田，孙立春，陈文兰

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽合肥 230088；3.智能情报处理重点实验室，安徽合肥 230088)

0 引言

雷达是重要的信息获取设备，是各种先进的作战平台和指挥控制系统的耳目，在国防建设、经济建设、科学研究中应用广泛并获得了持续发展[1]。相控阵雷达利用电子技术控制阵列天线各辐射单元的馈电相位来改变波束方向以实现电扫描[2]。相控阵雷达波束指向和波束形状具有快速变化的能力，因此，相控阵雷达的性能可得到很大提高，工作方式可以增加，便于实现多种雷达功能，在工作环境与工作目标变化情况下，使雷达具有很强的自适应能力[1]。

波束控制系统通过发送每一个天线单元上移相器的波控码来控制阵列天线的波束指向。波束控制系统是有源相控阵雷达系统所特有的，它取代了传统机械扫描雷达中的伺服扫描设备。天线无需转动可使天线波束快速扫描，避免了机械惯性的影响，有源相控阵雷达缩短了控制反应时间，扫描速度显著提高，波束控制更加灵活[2]。

由于波束控制系统在有源相控阵雷达中的重要性，工程师们对于波束控制的设计与实现也投入了很大的精力。根据不同的功能需求、硬件平台、通信方式、控制模式，已经出现了很多优秀的实践，如：毫米波有源相控阵雷达波束控制系统[2]、基于现场可编程门阵列(FPGA)的相控阵雷达波束控制系统[3]，基于VxWorks的有源相控阵雷达波束控制系统[4]。

现有的波束控制系统大多针对整个有源相控阵系统，满足天线整体波束控制的需求。相控阵雷达各T/R组件由于加工、制造以及元器件参数等方面原因,造成各通道的幅度相位的不一致,这就要求测试时先要对各通道幅相误差进行校正。校正时，由于T/R组件各通道间控制性能的差异与天线单元间互耦的影响，很难一次完成各通道幅相误差校正，就需要再次进行微调。常用的波束控制系统，需要进行校正算法设计，对于有源相控阵系统集成调试的适用性不强。通过本文中开放的波束控制软件界面，可手动输入波束控制码，方便测试人员根据校正后的幅相误差进行进一步的调整，达到快速测试的目的。为了同时满足有源相控阵天线的通道测试需求、单元测试需求和系统测试需求，本文设计的基于并口通信的多模式波束控制软件实现了对有源相控阵天线不同层级的控制。

1 系统构成

有源相控阵天线波束扫描的快速与灵活性,使相控阵雷达具有机械扫描雷达所不能实现的多样性和灵活性,而且自适应能力强。有源相控阵天线波束的这些特性是通过波束控制系统来实现的。

本文中的有源相控阵天线包含32个T/R组件，每个T/R组件有8个通道，一共256个有源通道。所设计的波束控制系统由波束控制计算机、波束控制板组成。如图1所示，其中波束控制软件运行在波束控制计算机上，通过波束控制计算机的并口与波束控制板连接。波束控制板连接T/R组件，控制T/R组件每个通道的发射移相、接收移相、发射衰减、接收衰减、使能及发射状态、工作模式、脉宽和周期。

图1 波束控制系统框图

2 系统实现

2.1 波束控制软件界面介绍

如图2所示，波束控制软件界面包含通道选择(每个T/R组件有8个通道可选)、组件码值(发射移相、接收移相、发射衰减、接收衰减)及状态(发射、衰减、负载)输入、工作模式选择(正常工作、连续接收、脉冲发射)、脉宽和周期设置、读取文件等。

图2 波束控制软件界面

2.2 并口通信

并口通讯已广泛应用于计算机领域[5]。人们利用计算机并口进行数据采集[6]，实现实时中断控制[7]，产生雷达波形[8]，实现轨迹控制[9]，进行数控系统的开发[10]。

在目前的Windows XP/Windows 7操作系统下，不能直接对端口寄存器进行访问，这是由于Windows XP/Windows 7对系统底层操作采取了屏蔽的策略，对用户而言，系统变得更为安全，但这却给接口和接口软件开发人员带来了不小的困难，因为只要应用程序中涉及到底层的操作，开发人员就不得不深入到Windows的内核去编写属于系统级的设备驱动程序。对并口的读写操作就是如此，由于Windows对系统的保护，应用程序不允许直接I/O操作[11]。

本文中设计的波控软件通过调用第三方IO接口驱动库WinIO中的I/O端口读写函数实现对并口寄存器的读写。

WinIO驱动库由Yario Kaplan编写，共包含5个文件：WinIo.h、WinIo.lib、WinIo.vxd、WinIo.sys和WinIo.dll。如图3所示，介绍了新建软件工程后，WinIO驱动库的使用步骤。

图3 WinIO驱动库使用流程图

完成这5步工作，就可以在工程程序中绕过Windows的安全限制访问并口了。

调用WinIO驱动库中读写端口的函数GetPortVal和SetPortVal可实现发送和接收并口数据。具体使用方法见参考文献[11]。

本波束控制软件通过计算机并口向波控板发送码值，实现对组件的控制。组件的数据协议如表1所示。

2.3 多模式控制

本文中设计和实现的波控软件要满足天线单通道测试、天线性能测试和天线多波束自动扫描多方面的需求，因此，在软件设计中考虑软件需要具备多模式控制能力：第1种单通道测试模式，通过波束控制软件可以单独对每一组件的任意通道进行控制；第2种天线性能测试模式，对天线所有通道同时进行控制；第3种天线多波束模式，实现天线多波束自动扫描。

波束控制软件的单通道测试模式介绍：当对某一T/R组件的某一特定通道进行测试时，如测试T/R组件10的通道4的发射态性能时，则勾选通道4，同时勾选组件10对应的使能与发射；若测试T/R组件10的通道4的接收态性能时，则勾选通道4，同时勾选组件10对应的使能。此外，该功能支持对多个T/R组件的某一特定通道进行测试，如测试组件10、16、18、32的通道3的发射态性能时，则勾选通道3，同时勾选组件10、16、18、32对应的使能与发射；若测试它们的接收态性能时，则勾选通道3，同时勾选组件10、16、18、32对应的使能。使用单通道测试模式时，发送码值中只有对应组件勾选的通道数据有效。

表1 数据协议

天线性能测试模式介绍：测试天线发射态性能时，点击读取发射移相文件、读取接收移相文件、读取接收衰减文件，勾选256通道全使能和256通道全发射，点击发送码值；测试天线接收态性能时，点击读取发射移相文件、读取接收移相文件、读取接收衰减文件，勾选256通道全使能，点击发送码值。使用天线性能测试模式时，逐一发送32个组件的所有通道码值。

天线多波束自动扫描模式介绍：直接点击多波束自动扫描按钮，天线便按照预先存储的多个波控文件自动完成扫描。根据波控文件自动生成码值，多个波控文件生成多组码值，按顺序向波控板发送，实现多波束自动扫描。

3 软件应用

在某雷达试验阵天线测试过程中，使用本文设计的波束控制软件对一含有256个通道的有源相控阵天线进行校正和微调，可以达到期望的结果。

图4是天线阵各通道基态相位测试结果，相位均值约为-113°。选择波束控制软件的第1种工作模式——单通道测试模式，对各通道进行第1次校正，校正时各通道相位以基态与均值-113°差值做通道移相，得到第1次校正测试结果，如图5实线所示。可以看出，由于各通道间存在移相误差，一次校正结果未满足要求，需要微调。第2次校正针对偏离基态相位均值的各通道进行微调，微调时，在操作界面中同时勾选需要微调的通道，调整通道移相值，再次测试得到如图5虚线所示测试结果。