基于某系统的雷达航迹仿真器设计技术研究

2019-09-10杨柯李德峰杜会盈

现代信息科技 2019年9期

关键词：雷达

杨柯李德峰杜会盈

摘要：本文结合系统工程应用，针对使用环境，由浅入深地介绍了一种雷达航迹仿真器的设计原理及实现途径。该仿真器能够使雷达系统在无须真实目标的环境下进行目标的搜索和跟踪，从而检验雷达系统的整体联动效果和性能。本设计思路可以拓展到其他型号雷达的检验过程中，为降低雷达系统训练成本提供了一种训练手段。

关键词：雷达;航迹仿真;仿真器设计

中图分类号：U665.22;TN955 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0067-03

0 引言

武器系统的日益复杂化、高科技化带来了整个系统工作成本的大幅度提高，一次正常工作所需要耗费的人力、物力资源越来越快地消耗着各个国家的战略资源。为此，在保证武器系统技术状态的前提下努力降低非战斗状态下武器系统的维护、保养、检测的成本，成为各个国家亟待解决的问题。在这样的背景下，研制、使用成本相对较低的作战系统各个模块的仿真系统应运而生，雷达航迹仿真器（以下简称仿真器）是其中之一。它主要依据相应型号的雷达信号和工作特性，提供相应仿真航迹的视频信号，能够在无须真实目标的环境下利用仿真器，达到检验雷达系统整体联动效果和性能的目的。本文针对一种雷达航迹仿真器的设计原理和实现方法进行了由浅入深的解析。

1 设计原理解析

本方案雷达航迹仿真器主要由控制单元、同步时基产生模块、通信模块、目标回波产生模块、人机接口模块和外围接口电路等部分组成，如图1所示。

其中：

控制单元是本仿真器的核心模块，通过主处理软件完成本仿真器的各项工作。

同步时基产生模块可以自己产生时基信号和转接外部雷达送来的时基信号，正常工作时使用和转接外部雷达送来的时基信号，当调试时采用自己产生的时基信号。

通信模块包含多种形式的通信接口，实现与外部的计算机及相关设备进行数据通信功能。

外围接口电路对送出的回波信号进行驱动和匹配，对外部设备送来的时基信号进行驱动和分配。

人机接口模块用于实现用户对本仿真器的命令和控制。

2 单元及模块设计方案

2.1 控制单元设计方案

控制单元：通过主处理软件配合外设接口负责仿真器数据传输、数据解算、任务处理、工作流程及时序控制工作。

本设计在选型过程中，主要依据以下技术指标：

（1）实时处理的数据类型、数据量大小、实时性需求、市场环境及发展前景，折算需要的计算机工作频率、随机存储器和程序存储器容量;

（2）处理的视频数据类型、制式、数据量及实时性要求决定是否添加独立视频处理板卡;

（3）数据类型及传输方式的可靠性、计算单元外设数量及种类，以此决定需要的接口类型或者增加相应的独立接口扩展板卡;

（4）结合设备使用空间结构及数据传输速率选择合适的总线架构（CPCI、VPX、PC104等）。

2.2 同步时基产生模块设计方案

同步时基产生模块：用于产生雷达主脉冲、距离扫描脉冲、方位增量脉冲、正北脉冲和扇区脉冲等所需信号，作为数据源发送给目标雷达处理单元。

如图2所示，是同步时基产生模块设计原理框图：

（1）时钟逻辑部分：输入接口和分频电路，分别完成外部时钟的接收和内部时钟的产生，通过程控开关和时序逻辑产生电路完成外部/内部时钟的自动转换，生成各种时基信号（包括雷达主脉冲、距离扫描脉冲、方位增量脉冲、正北脉冲和扇区脉冲等）;

（2）天线方位产生电路：依据控制单元的解算结果产生雷达天线的目标方位信号，分路后一路通过总线传送到控制单元，另一路通过驱动、接口电路连同时序逻辑一起输送至目标回波产生模块，用于生成目标的实时视频数据;

（3）总线控制逻辑、中断控制逻辑：通过总线控制逻辑和中断控制逻辑电路，完成同步时基产生模块与控制单元之间的总线时序匹配及数据的可靠传输。

2.3 目标回波产生模块设计方案

目标回波产生模块：根据所模拟雷达的发射参数、回波类型将目标以回波形式实时产生出来，视频回波发生器的硬件逻辑如图3所示，在输出形式上可以进行视频信号输出和点迹输出两种方式。

雷达方位码、距离码同时与数据总线传送的值进行比较，两者相等（即当前距离和方位与给定的目标点相吻合）时，送出一个回波脉冲信号。产生的天线包络及回波脉冲个数，由预存在存储器中的题目需求数据库中的回波数参数确定。

2.4 通信模块设计方案

通信模块：完成仿真器内部及与上位机的通信指令和数据的接收、发送功能。

基于本系统的实际应用环境，通信系统采用两种传输模式：第一，一个RS232串口;第二，两个双冗余100M以太网接口。根据对应的雷达系统和使用环境的不同，可以更改通信接口类型和数量。如图4所示。

2.5 人机、外围接口设计思路

根据仿真器使用需求，确定人机接口的选择和设计：

（1）为了实现预装程序、数据导入和导出的需求，本系统设计了符合2.0标准的USB接口及相关驱动组件;

（2）設计独立电源开关，保障仿真器具备独立调试的条件;预留键盘、显示器接口用于保证仿真器自身调试的显示、控制功能;

（3）设计工作状态、时钟状态、架位信息三个指示灯，用于向用户实时反应仿真器的工作状态、时钟断续、架位采集状态。

外围电路设计主要取决于对应的雷达制式，本仿真器除了数据通信接口外还具备以下外围信号接口：

（1）电源接口：为仿真器提供接入电源的通道;

（2）时钟输入接口：因为距离原因，时钟信号设计为差分形式传输;

（3）数据接口：用于接收雷达设备的主脉冲、正北脉冲、增量脉冲等信号的特征数据，考虑到信号传输的距离特性，本设计依然采用差分形式传输，如果有必要，也可以采用光传输的形式。

2.6 软件流程

仿真器软件功能是根据上位机的控制命令进行目标回波的仿真，其主功能模块包含：人机接口控制管理、数据库管理、实时目标发生与控制、故障实时检测等主要部件。它可根据接收的上位机的命令完成对应题目和“自拟体”目标的仿真，以模拟视频形式向雷达输出回波，同时还可以通过网络（或其他通信接口）向外部计算机发送点迹数据、工作状态和本仿真器的故障检测数据。其主程序流程框图如图5所示。

3 仿真器设计总结

在本仿真器实际设计实现中，综合考虑了行业标准、用户需求、市场发展方向和使用环境的综合需求。

总体设计：各个独立单元均采用了高集成化设计，除阻容器件、专用转换及桥接器件，所有逻辑均通过CPLD编程实现，高度集成化的设计保证了仿真器工作稳定可靠并且具有对环境很强的适应性，结合其他的电路、结构设计方法，如模块化设计、保护电路设计、冗余设计等方法，保障了产品具有较好的维修性和测试性。

软件设计：严格遵循软件工程化的设计规定，从规划阶段开始，最终达到科学划分，需求明确、构件功能单一、模块降低耦合的标准，最终实现完成高质量软件的目的。

4 结论

本文结合作者多年的工程经验以及不同使用环境，集中讲解了一种实用、有效的雷达航迹仿真器设计方法，并对方案的组成和设计原理进行了相应的说明。此项目已经设计定型并成功应用，截至目前，该仿真器工作稳定，性能满足设计指标，充分验证了其在航迹仿真工作中的有效性、实用性和可靠性。

随着更加先进的相控阵雷达的逐渐应用和推广，本设计方法将会面临设计带宽过于局限的严峻考验，下一步需解决的问题是：改进设计，增加目标信息仿真带宽，最终实现实时、多路独立目标航迹仿真的目的。

参考文献：

[1] 周鸣争.嵌入式系统与应用 [M].北京：中国铁道出版社，2011.

[2] 郭金良.基于构件技术的开放式雷达仿真系统研究 [D].长沙：国防科学技术大学，2010.

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[4] 王欣，王江宏，蔡海宁，等.Intel FPGA/CPLD设计（基础篇）[M].北京：人民邮电出版社，2017.