弓曉顏

(中國電子科技集團公司第20研究所雷達部，陜西西安 710068)

相控陣雷達是一種采用相控陣天線實現(xiàn)電子掃描的雷達，其天線波束可在天線陣面不動的情況下實現(xiàn)掃描，具有掃描靈活、快捷的特點，而天線波束的指向和控制是通過波束控制系統(tǒng)實現(xiàn)。波束控制系統(tǒng)不僅要快速精確地計算出各個陣面單元移相器的波束控制數(shù)碼，對天線單元之間的幅度和相位誤差進行修正補償，使天線快速準確地指向預定的空間方向，且需要對移相器的工作狀態(tài)，故障等信息進行監(jiān)測和控制，在工程實踐中還要滿足在天線測試狀態(tài)下能夠靈活單獨地控制每一個移相器的波束控制數(shù)碼和工作狀態(tài)，完成天線的測試。

1 波束控制數(shù)碼的計算

波束控制系統(tǒng)根據雷達中心控制計算機提供的天線波束指向角信息，頻率信息等，在規(guī)定的時間內，計算出波控運算基碼，再根據各單元的相對位置計算出每個單元所需的相位值，將各個單元的波束控制數(shù)碼及狀態(tài)控制碼通過驅動后分發(fā)至各單元，實現(xiàn)對波束指向的控制。文中通常將陣面放在直角坐標系中，并根據陣面的形狀及計算的便捷性選擇其放置的位置，若陣面具有對稱性一般將陣面中心點放置在坐標原點位置進行計算，根據對稱性可減少運算次數(shù)，波束控制數(shù)碼的基本計算公式為

其中，C表示第m行，第n列單元的K位二進制波控碼;α，β是根據方位角度，俯仰角度，及頻率計算出的X方向和Y方向的波控運算基碼也稱為初始布相值;m，n為陣面單元相對坐標原點的位置坐標;θ是波束指向的方位角度，γ是波束指向的俯仰角度;dx是X方向方位面相鄰陣元之間的距離;dy是Y方向俯仰面相鄰陣元之間的距離;ΔΦmn為各種因素下引入的總相位誤差的相位補償碼;K為移相器位數(shù)，但在實際應用中為了降低波束躍度，波束控制系統(tǒng)在運算中常采用多于實際移相器位數(shù)的虛位計算法計算波束控制數(shù)碼，即采用較高的K值進行計算，取其高位部分，舍去低位部分。而K值也不能隨意增大，需滿足下面的條件

式中，N為天線單元數(shù);m為實際移相器位數(shù)［1］。

2 小陣面波束控制系統(tǒng)的設計

波束控制系統(tǒng)的設計要根據陣面單元的規(guī)模，雷達的功能、波束變換的時間、設備量、成本等因素選擇不同的控制模式。波束控制系統(tǒng)一般可劃分為集中式波束控制系統(tǒng)和分布式波束控制系統(tǒng)［2］。分布式控制方法主要應用于大規(guī)模陣列的相控陣系統(tǒng)，而對于陣面單元較少的雷達，則采用集中式控制，查表的計算方法［3］。此次設計的波束控制系統(tǒng)為了滿足小陣面相控陣雷達系統(tǒng)快速進行波位變換的指標要求，采用DSP，F(xiàn)PGA加外部存儲器SDRAM的集中式控制設計方法，該系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 波束控制系統(tǒng)組成框圖

DSP選用高性能的靜態(tài)超標量處理器ADSPTS101，最高工作頻率為 300 MHz［4］，對外連接兩片串聯(lián)的32 MB容量的SDRAM，形成32×32 Mbit的外部存儲器。DSP是波控運算基碼的計算和存儲中心，能夠靈活地實現(xiàn)對程序的在線控制修改和調試。FPGA則根據陣面單元數(shù)量選用兩片Xilinx公司K7系列XC7K325T，該芯片有豐富的I/O管腳，擁有多路Rocket I/O高速串口收發(fā)器，通過調用內部IP核的方法，可以方便快速的將高速串口數(shù)據轉換為并行數(shù)據，也可將并行數(shù)據轉換后通過 Rocket I/O串行輸出［5］。FPGA并行計算產生各個單元所需的波控碼和控制碼，快速進行接口轉換。FPGA與DSP通過32位數(shù)據總線和32位地址總線相連，通過總線并行傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據的交互。采用DSP與FPGA相結合的方法，利用各自的優(yōu)勢，有效地縮短了波速轉換的時間，增強了波束控制系統(tǒng)的可控性，具有一定的擴展性［6］。

光接口模塊采用單纖雙向型收發(fā)模塊，傳輸速度最大支持3.125 Gbit·s－1。由于波束控制系統(tǒng)離雷達中心控制系統(tǒng)較遠，設計使用光纖傳輸?shù)姆绞浇邮绽走_中心控制的指令，降低了長線傳輸?shù)恼`碼率，提高了傳輸速率。光電轉換模塊將光信息轉換為高速串行數(shù)據，傳輸至FPGA。接口驅動電路則根據陣面單元組件的接口類型、完成數(shù)據、時鐘及控制信號的驅動，其中時鐘以差分驅動形式支持20 MHz的時鐘頻率。

3 小陣面波束控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

該波束控制系統(tǒng)的工作流程為雷達中心控制系統(tǒng)通過光纖傳輸將雷達的頻點號，方位角度，俯仰角度及工作模式等信息傳送給波束控制系統(tǒng)，DSP根據指令信息查表找出相應的波控運算基碼，F(xiàn)PGA計算各個單元布相碼并與補償碼相加得到最終的波控碼通過驅動送至移相器，完成一次布相［7］。

DSP軟件在VisualDSP++5.0環(huán)境下采用C語言的方式進行程序的編寫，C語言較DSP的匯編語言可讀性強，便于軟件的維護和修改。DSP軟件的工作流程如圖2所示，DSP上電后先根據預先設置的方位，俯仰和頻率號的順序，順次計算所有掃描范圍內的波束指向的波控運算基碼，并嚴格按照約定的格式存入SDRAM，然后等待雷達中心機的指令，根據指令中的工作狀態(tài)、方位角、俯仰角、頻率信息，查表找出對應的波控運算基碼，通過總線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給FPGA。查表計算的方法需要容量強大的存儲器，只存儲波控運算基碼可降低存儲設備的容量，同時也減少了數(shù)據傳輸?shù)臄?shù)量，縮短了傳輸?shù)臅r間。在雷達系統(tǒng)頻點少，波束轉換較慢，存儲器容量滿足的情況下，也可由DSP預先計算完成陣面內所有單元的波控碼并存于SDRAM中，F(xiàn)PGA只完成存儲和轉發(fā)的功能。

FPGA則采用Verilog語言在ISE13.3的環(huán)境下進行編寫，F(xiàn)PGA利用內部IP核將指令快速轉換為并行數(shù)據并通過總線發(fā)送給 DSP。在系統(tǒng)工作模式時FPGA根據DSP的波控運算基碼，計算各單元的移相碼，再選出預先存儲于FPGA中的該頻率下的相位補償碼與移相碼相加，將最終的波控碼存入內部存儲器中，在波控同步信號有效時，同時將各時序脈沖，波控碼及控制碼按約定順序以同步串口方式通過接口驅動電路送至陣面單元［8］。接收陣面單元的工作狀態(tài)信息，實時檢測各單元的溫度，電源狀態(tài)是否正常，進行過溫過壓的保護控制，并將監(jiān)測結果回報給雷達的BIT系統(tǒng)。在測試模式時FPGA根據DSP的指令分別控制單個移相器的波控碼及收發(fā)狀態(tài)，完成天線測試和相位補償碼的測量功能;在自檢模式下根據系統(tǒng)的格式要求，控制每個移相器的工作狀態(tài)，完成自檢功能。圖3為FPGA在工作模式下的流程圖。

圖2 DSP軟件流程圖

該設計方法體積小且能夠快速實現(xiàn)布相，完成天線指向的控制。若DSP工作頻率為280 MHz，同步串口時鐘頻率10 MHz［9］，所傳輸?shù)囊葡啻a及控制數(shù)據為32 bit，則完成一次布相時間為約為4μs。大幅縮短了波束轉換時間。

4 結束語

設計應用在小陣面相控陣雷達中，體積小、設備量少、成本低、工作速度快。在實際工程應用中工作穩(wěn)定、測試方便、可靠性高。對于大規(guī)模的相控陣雷達，集中式查表法陣面布線復雜，存儲容量有限，無法滿足其性能指標，但該波束控制系統(tǒng)中采用了高速DSP處理器和大規(guī)模集成電路FPGA相結合的方法，可作為分布式波束控制系統(tǒng)的主波束控制系統(tǒng)使用，對于波束控制系統(tǒng)的設計具有一定的參考性和通用性。

圖3 FPGA工作狀態(tài)流程圖

［1］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

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