一种用于某型跟踪雷达的中频模拟器设计

贾海龙 娄 勇

(中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

武器装备的日常维护和训练是部队训练的基本需求。实装训练除了存在训练费用昂贵、保障困难和组织实施难度大等问题外，还存在保密安全隐患，例如，雷达的开机训练必然会向空间辐射电磁波，这很可能会泄露雷达工作频段等重要参数，影响雷达的战时应用。基于此，模拟器以其经济性和零风险等优势，在世界各军事强国的武器装备研究中一直处于十分重要的地位，各国都投入了大量的人力、财力和物力。使得各类模拟器广泛地应用于部队训练之中。

本文设计的雷达中频模拟器就是为满足某型跟踪雷达的测试以及作战系统的维护和作战训练。

1 系统工作原理

中频模拟器主要由三个部分组成：一是接口模块；二是中频信号模块；三是电源模块。

在正常工作过程中，电源模块将220V交流市电转换为系统各模块工作所需的直流电；接口模块接收来自外部火炮火控设备发来的模拟训练要求指令(包括模拟目标飞行的速度、角度、距离等)，以及来自雷达的触发脉冲，并据此从电子盘上调出相应的航路参数，根据当前读到的雷达重频，脉宽，以及雷达天线的坐标位置和俯仰角等信息计算出模拟目标的速度，距离，角度等信息，并控制中频信号模块产生相应的和、方位差、俯仰差信号。中频信号模块向接口模块提供工作所需的同源时钟，并接收接口模块的指令，由FPGA配置多通道DDS芯片产生三路中频信号，分别代表和信号、方位差信号和俯仰差信号；三路信号的幅度和相位均可独立数控，以此实现对目标角度信息和速度信息的精确模拟；对目标距离信息的模拟，则通过高精度延时线来实现。

同时，中频模拟器具备故障自检功能，当出现电源故障及信号产生故障时，将故障信息通过点亮故障指示灯以及向雷达发送BIT信号的方式进行报故。

2 系统硬件组成

中频模拟器硬件采用模块化、系列化、通用化设计，尽量选用成熟技术；采用高集成度、高可靠性的专用集成电路FPGA、DDS，提高处理的灵活性和可靠性[1]。软件采用实时操作系统VxWorks，保证处理时间满足要求。

中频模拟器的硬件组成如图1所示。

图1 中频模拟器硬件原理框图

2.1 接口模块

接口模块主要由计算机板和接口板两个部分组成。

1)计算机板

计算机板完成模拟器与雷达和火控台之间的通讯和数据处理，以及对中频信号模块的控制。主要包括实时读取来自火控台的训练要求指令；实时解算当前目标的速度、加速度、俯仰角、相对位置；并将这些信息通过发送到接口板，以此控制中频信号模块。其主要硬件参数包括：

主板：集成CPU，显卡，内存和网卡；

CPU：X86兼容型低功耗CPU，主频600MHz；

内存：1GB；

电子盘：4G容量的CF卡；

显示：支持普通的CRT及液晶显示器；

网络：1路10/100/1000M自适应以太网接口；

2)接口板

接口板和计算机板协调工作，其负责将计算机板需要接收和发送的数据转换成计算机板所要求的信号格式，以便计算机板能正确地接收与发送数据。此外，它还向计算机板提供中断信号，并向中频信号模块提供距离触发脉冲，控制中频信号模块产生所需的中频信号。

接口板由控制电路(一片FPGA)和驱动电路构成，其硬件框图如图2所示。控制电路(FPGA)采用中频信号模块送来的时钟信号，完成计算机与雷达和中频信号模块的通讯，并且产生距离调制脉冲。驱动电路完成接口板数据线上的信号电平转换，此外它还起到隔离外部数据线上的干扰的功能。

图2 接口板硬件原理框图

2.2 中频信号模块

中频信号模块的主要功能是按照计算机板的指令，产生包含模拟目标的速度，距离和角度等信息的和，方位及俯仰三路信号[2]。

1)第一个部分是波形产生电路。按照计算机板的指令产生相应频率和带宽的线性调频信号或者单一频率信号，通过FPGA控制多通道DDS芯片可保证三路信号具备高同步性，同时FPGA可对第二部分电路产生的和、差路信号进行独立的相位幅度控制，解决使用模拟移相器需要打开设备调节的问题[4]。

2)第二个部分是和、差路信号产生电路。它通过对前一部分所生成的信号进行放大、衰减和相位控制，实现三路信号的差异化设置，以此模拟雷达接收机和差比较器的输出，实现不同角误差下雷达回波的模拟，最终输出雷达AD采样所需的和、差路信号。放大和衰减等关键电路均采用国产成熟器件。其实现方式如图3所示。

图3 中频信号模块硬件框图

2.3 电源模块

中频模拟器的输入电源为220V交流电源，由内部的电源模块将其变换为+5V， +15V，+24V直流输出。其输出电流应满足相应模块的工作需求并有一定的冗余保护设计。

3 系统软件组成

3.1 接口模块软件

接口板接收雷达中心机送来的重频和外部火炮火控设备送来的模拟训练要求指令(包括模拟目标飞行的速度、角度、距离等)，通过ISA总线送给计算机板。计算机板根据模拟目标的参数解算出中频信号模块需要的和、方位、俯仰衰减量及信号形式选择等，通过ISA总线写入接口板，接口板转换成并口数据发送给中频信号模块；计算机板将目标的距离信息转换为重频的延时量，通过ISA总线写给接口板后，接口板根据延时量对重频信号进行延时，送中频信号模块。软件工作流程如图4所示。

图4 接口板软件流程框图

3.2 中频信号模块软件

中频信号模块软件的功能为根据接口模块发送的模拟目标的距离，径向速度和幅度衰减量以及距离调制脉冲，产生相应频率和幅度的和，方位及俯仰三路脉冲调制信号[5]。软件流程框图如图5所示。

图5 中频信号模块软件流程框图

4 测试结果

中频模拟器可产生包括连续波、线性调频、MFSK、相位编码、单脉冲、步进调频等信号形式，其参数在如图6所示专用交互式界面进行设置产生。

图6 波形选择交互界面

几种常用信号测试结果如图7到图10所示。

图7 简单脉冲

图8 重频参差

图9 重频抖动

图10 V型调频

5 结束语

本文设计的中频模拟器可以在中频频段上产生模拟目标回波的和差三通道信号，支持雷达自检以及作战系统的维护和训练，可在雷达无须加高压、无真实目标配合情况下，对雷达系统进行性能测试、精度检查[6]。目前所服务的某型雷达已进入小规模量产阶段，中频模拟器在项目的研制及验证阶段工作稳定可靠，顺利完成了相应的测试机训练任务。对于部队日常训练，中频模拟器也可用于测量雷达自动化监测、模拟实验、分系统对接实验及培养操作人员。因此，该中频模拟器具有较高的经济意义和工程应用价值。