基于并口通信的多模式波束控制軟件設計與應用

2018-06-19 08:00:26孫立春陳文蘭

艦船電子對抗 2018年2期

侯田，孫立春，陳文蘭

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽合肥 230088；3.智能情報處理重點實驗室，安徽合肥 230088)

0 引言

雷達是重要的信息獲取設備，是各種先進的作戰(zhàn)平臺和指揮控制系統(tǒng)的耳目，在國防建設、經(jīng)濟建設、科學研究中應用廣泛并獲得了持續(xù)發(fā)展[1]。相控陣雷達利用電子技術控制陣列天線各輻射單元的饋電相位來改變波束方向以實現(xiàn)電掃描[2]。相控陣雷達波束指向和波束形狀具有快速變化的能力，因此，相控陣雷達的性能可得到很大提高，工作方式可以增加，便于實現(xiàn)多種雷達功能，在工作環(huán)境與工作目標變化情況下，使雷達具有很強的自適應能力[1]。

波束控制系統(tǒng)通過發(fā)送每一個天線單元上移相器的波控碼來控制陣列天線的波束指向。波束控制系統(tǒng)是有源相控陣雷達系統(tǒng)所特有的，它取代了傳統(tǒng)機械掃描雷達中的伺服掃描設備。天線無需轉動可使天線波束快速掃描，避免了機械慣性的影響，有源相控陣雷達縮短了控制反應時間，掃描速度顯著提高，波束控制更加靈活[2]。

由于波束控制系統(tǒng)在有源相控陣雷達中的重要性，工程師們對于波束控制的設計與實現(xiàn)也投入了很大的精力。根據(jù)不同的功能需求、硬件平臺、通信方式、控制模式，已經(jīng)出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的實踐，如：毫米波有源相控陣雷達波束控制系統(tǒng)[2]、基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的相控陣雷達波束控制系統(tǒng)[3]，基于VxWorks的有源相控陣雷達波束控制系統(tǒng)[4]。

現(xiàn)有的波束控制系統(tǒng)大多針對整個有源相控陣系統(tǒng)，滿足天線整體波束控制的需求。相控陣雷達各T/R組件由于加工、制造以及元器件參數(shù)等方面原因,造成各通道的幅度相位的不一致,這就要求測試時先要對各通道幅相誤差進行校正。校正時，由于T/R組件各通道間控制性能的差異與天線單元間互耦的影響，很難一次完成各通道幅相誤差校正，就需要再次進行微調。常用的波束控制系統(tǒng)，需要進行校正算法設計，對于有源相控陣系統(tǒng)集成調試的適用性不強。通過本文中開放的波束控制軟件界面，可手動輸入波束控制碼，方便測試人員根據(jù)校正后的幅相誤差進行進一步的調整，達到快速測試的目的。為了同時滿足有源相控陣天線的通道測試需求、單元測試需求和系統(tǒng)測試需求，本文設計的基于并口通信的多模式波束控制軟件實現(xiàn)了對有源相控陣天線不同層級的控制。

1 系統(tǒng)構成

有源相控陣天線波束掃描的快速與靈活性,使相控陣雷達具有機械掃描雷達所不能實現(xiàn)的多樣性和靈活性,而且自適應能力強。有源相控陣天線波束的這些特性是通過波束控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

本文中的有源相控陣天線包含32個T/R組件，每個T/R組件有8個通道，一共256個有源通道。所設計的波束控制系統(tǒng)由波束控制計算機、波束控制板組成。如圖1所示，其中波束控制軟件運行在波束控制計算機上，通過波束控制計算機的并口與波束控制板連接。波束控制板連接T/R組件，控制T/R組件每個通道的發(fā)射移相、接收移相、發(fā)射衰減、接收衰減、使能及發(fā)射狀態(tài)、工作模式、脈寬和周期。

圖1 波束控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 波束控制軟件界面介紹

如圖2所示，波束控制軟件界面包含通道選擇(每個T/R組件有8個通道可選)、組件碼值(發(fā)射移相、接收移相、發(fā)射衰減、接收衰減)及狀態(tài)(發(fā)射、衰減、負載)輸入、工作模式選擇(正常工作、連續(xù)接收、脈沖發(fā)射)、脈寬和周期設置、讀取文件等。

圖2 波束控制軟件界面

2.2 并口通信

并口通訊已廣泛應用于計算機領域[5]。人們利用計算機并口進行數(shù)據(jù)采集[6]，實現(xiàn)實時中斷控制[7]，產生雷達波形[8]，實現(xiàn)軌跡控制[9]，進行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)[10]。

在目前的Windows XP/Windows 7操作系統(tǒng)下，不能直接對端口寄存器進行訪問，這是由于Windows XP/Windows 7對系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，對用戶而言，系統(tǒng)變得更為安全，但這卻給接口和接口軟件開發(fā)人員帶來了不小的困難，因為只要應用程序中涉及到底層的操作，開發(fā)人員就不得不深入到Windows的內核去編寫屬于系統(tǒng)級的設備驅動程序。對并口的讀寫操作就是如此，由于Windows對系統(tǒng)的保護，應用程序不允許直接I/O操作[11]。

本文中設計的波控軟件通過調用第三方IO接口驅動庫WinIO中的I/O端口讀寫函數(shù)實現(xiàn)對并口寄存器的讀寫。

WinIO驅動庫由Yario Kaplan編寫，共包含5個文件：WinIo.h、WinIo.lib、WinIo.vxd、WinIo.sys和WinIo.dll。如圖3所示，介紹了新建軟件工程后，WinIO驅動庫的使用步驟。

圖3 WinIO驅動庫使用流程圖

完成這5步工作，就可以在工程程序中繞過Windows的安全限制訪問并口了。

調用WinIO驅動庫中讀寫端口的函數(shù)GetPortVal和SetPortVal可實現(xiàn)發(fā)送和接收并口數(shù)據(jù)。具體使用方法見參考文獻[11]。

本波束控制軟件通過計算機并口向波控板發(fā)送碼值，實現(xiàn)對組件的控制。組件的數(shù)據(jù)協(xié)議如表1所示。

2.3 多模式控制

本文中設計和實現(xiàn)的波控軟件要滿足天線單通道測試、天線性能測試和天線多波束自動掃描多方面的需求，因此，在軟件設計中考慮軟件需要具備多模式控制能力：第1種單通道測試模式，通過波束控制軟件可以單獨對每一組件的任意通道進行控制；第2種天線性能測試模式，對天線所有通道同時進行控制；第3種天線多波束模式，實現(xiàn)天線多波束自動掃描。

波束控制軟件的單通道測試模式介紹：當對某一T/R組件的某一特定通道進行測試時，如測試T/R組件10的通道4的發(fā)射態(tài)性能時，則勾選通道4，同時勾選組件10對應的使能與發(fā)射；若測試T/R組件10的通道4的接收態(tài)性能時，則勾選通道4，同時勾選組件10對應的使能。此外，該功能支持對多個T/R組件的某一特定通道進行測試，如測試組件10、16、18、32的通道3的發(fā)射態(tài)性能時，則勾選通道3，同時勾選組件10、16、18、32對應的使能與發(fā)射；若測試它們的接收態(tài)性能時，則勾選通道3，同時勾選組件10、16、18、32對應的使能。使用單通道測試模式時，發(fā)送碼值中只有對應組件勾選的通道數(shù)據(jù)有效。

表1 數(shù)據(jù)協(xié)議

天線性能測試模式介紹：測試天線發(fā)射態(tài)性能時，點擊讀取發(fā)射移相文件、讀取接收移相文件、讀取接收衰減文件，勾選256通道全使能和256通道全發(fā)射，點擊發(fā)送碼值；測試天線接收態(tài)性能時，點擊讀取發(fā)射移相文件、讀取接收移相文件、讀取接收衰減文件，勾選256通道全使能，點擊發(fā)送碼值。使用天線性能測試模式時，逐一發(fā)送32個組件的所有通道碼值。

天線多波束自動掃描模式介紹：直接點擊多波束自動掃描按鈕，天線便按照預先存儲的多個波控文件自動完成掃描。根據(jù)波控文件自動生成碼值，多個波控文件生成多組碼值，按順序向波控板發(fā)送，實現(xiàn)多波束自動掃描。

3 軟件應用

在某雷達試驗陣天線測試過程中，使用本文設計的波束控制軟件對一含有256個通道的有源相控陣天線進行校正和微調，可以達到期望的結果。

圖4是天線陣各通道基態(tài)相位測試結果，相位均值約為-113°。選擇波束控制軟件的第1種工作模式——單通道測試模式，對各通道進行第1次校正，校正時各通道相位以基態(tài)與均值-113°差值做通道移相，得到第1次校正測試結果，如圖5實線所示。可以看出，由于各通道間存在移相誤差，一次校正結果未滿足要求，需要微調。第2次校正針對偏離基態(tài)相位均值的各通道進行微調，微調時，在操作界面中同時勾選需要微調的通道，調整通道移相值，再次測試得到如圖5虛線所示測試結果。