一種用于某型跟蹤雷達的中頻模擬器設計

賈海龍 婁 勇

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

武器裝備的日常維護和訓練是部隊訓練的基本需求。實裝訓練除了存在訓練費用昂貴、保障困難和組織實施難度大等問題外，還存在保密安全隱患，例如，雷達的開機訓練必然會向空間輻射電磁波，這很可能會泄露雷達工作頻段等重要參數，影響雷達的戰時應用。基于此，模擬器以其經濟性和零風險等優勢，在世界各軍事強國的武器裝備研究中一直處于十分重要的地位，各國都投入了大量的人力、財力和物力。使得各類模擬器廣泛地應用于部隊訓練之中。

本文設計的雷達中頻模擬器就是為滿足某型跟蹤雷達的測試以及作戰系統的維護和作戰訓練。

1 系統工作原理

中頻模擬器主要由三個部分組成：一是接口模塊；二是中頻信號模塊；三是電源模塊。

在正常工作過程中，電源模塊將220V交流市電轉換為系統各模塊工作所需的直流電；接口模塊接收來自外部火炮火控設備發來的模擬訓練要求指令(包括模擬目標飛行的速度、角度、距離等)，以及來自雷達的觸發脈沖，并據此從電子盤上調出相應的航路參數，根據當前讀到的雷達重頻，脈寬，以及雷達天線的坐標位置和俯仰角等信息計算出模擬目標的速度，距離，角度等信息，并控制中頻信號模塊產生相應的和、方位差、俯仰差信號。中頻信號模塊向接口模塊提供工作所需的同源時鐘，并接收接口模塊的指令，由FPGA配置多通道DDS芯片產生三路中頻信號，分別代表和信號、方位差信號和俯仰差信號；三路信號的幅度和相位均可獨立數控，以此實現對目標角度信息和速度信息的精確模擬；對目標距離信息的模擬，則通過高精度延時線來實現。

同時，中頻模擬器具備故障自檢功能，當出現電源故障及信號產生故障時，將故障信息通過點亮故障指示燈以及向雷達發送BIT信號的方式進行報故。

2 系統硬件組成

中頻模擬器硬件采用模塊化、系列化、通用化設計，盡量選用成熟技術；采用高集成度、高可靠性的專用集成電路FPGA、DDS，提高處理的靈活性和可靠性[1]。軟件采用實時操作系統VxWorks，保證處理時間滿足要求。

中頻模擬器的硬件組成如圖1所示。

圖1 中頻模擬器硬件原理框圖

2.1 接口模塊

接口模塊主要由計算機板和接口板兩個部分組成。

1)計算機板

計算機板完成模擬器與雷達和火控臺之間的通訊和數據處理，以及對中頻信號模塊的控制。主要包括實時讀取來自火控臺的訓練要求指令；實時解算當前目標的速度、加速度、俯仰角、相對位置；并將這些信息通過發送到接口板，以此控制中頻信號模塊。其主要硬件參數包括：

主板：集成CPU，顯卡，內存和網卡；

CPU：X86兼容型低功耗CPU，主頻600MHz；

內存：1GB；

電子盤：4G容量的CF卡；

顯示：支持普通的CRT及液晶顯示器；

網絡：1路10/100/1000M自適應以太網接口；

2)接口板

接口板和計算機板協調工作，其負責將計算機板需要接收和發送的數據轉換成計算機板所要求的信號格式，以便計算機板能正確地接收與發送數據。此外，它還向計算機板提供中斷信號，并向中頻信號模塊提供距離觸發脈沖，控制中頻信號模塊產生所需的中頻信號。

接口板由控制電路(一片FPGA)和驅動電路構成，其硬件框圖如圖2所示。控制電路(FPGA)采用中頻信號模塊送來的時鐘信號，完成計算機與雷達和中頻信號模塊的通訊，并且產生距離調制脈沖。驅動電路完成接口板數據線上的信號電平轉換，此外它還起到隔離外部數據線上的干擾的功能。

圖2 接口板硬件原理框圖

2.2 中頻信號模塊

中頻信號模塊的主要功能是按照計算機板的指令，產生包含模擬目標的速度，距離和角度等信息的和，方位及俯仰三路信號[2]。

1)第一個部分是波形產生電路。按照計算機板的指令產生相應頻率和帶寬的線性調頻信號或者單一頻率信號，通過FPGA控制多通道DDS芯片可保證三路信號具備高同步性，同時FPGA可對第二部分電路產生的和、差路信號進行獨立的相位幅度控制，解決使用模擬移相器需要打開設備調節的問題[4]。

2)第二個部分是和、差路信號產生電路。它通過對前一部分所生成的信號進行放大、衰減和相位控制，實現三路信號的差異化設置，以此模擬雷達接收機和差比較器的輸出，實現不同角誤差下雷達回波的模擬，最終輸出雷達AD采樣所需的和、差路信號。放大和衰減等關鍵電路均采用國產成熟器件。其實現方式如圖3所示。

圖3 中頻信號模塊硬件框圖

2.3 電源模塊

中頻模擬器的輸入電源為220V交流電源，由內部的電源模塊將其變換為+5V， +15V，+24V直流輸出。其輸出電流應滿足相應模塊的工作需求并有一定的冗余保護設計。

3 系統軟件組成

3.1 接口模塊軟件

接口板接收雷達中心機送來的重頻和外部火炮火控設備送來的模擬訓練要求指令(包括模擬目標飛行的速度、角度、距離等)，通過ISA總線送給計算機板。計算機板根據模擬目標的參數解算出中頻信號模塊需要的和、方位、俯仰衰減量及信號形式選擇等，通過ISA總線寫入接口板，接口板轉換成并口數據發送給中頻信號模塊；計算機板將目標的距離信息轉換為重頻的延時量，通過ISA總線寫給接口板后，接口板根據延時量對重頻信號進行延時，送中頻信號模塊。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 接口板軟件流程框圖

3.2 中頻信號模塊軟件

中頻信號模塊軟件的功能為根據接口模塊發送的模擬目標的距離，徑向速度和幅度衰減量以及距離調制脈沖，產生相應頻率和幅度的和，方位及俯仰三路脈沖調制信號[5]。軟件流程框圖如圖5所示。

圖5 中頻信號模塊軟件流程框圖

4 測試結果

中頻模擬器可產生包括連續波、線性調頻、MFSK、相位編碼、單脈沖、步進調頻等信號形式，其參數在如圖6所示專用交互式界面進行設置產生。

圖6 波形選擇交互界面

幾種常用信號測試結果如圖7到圖10所示。

圖7 簡單脈沖

圖8 重頻參差

圖9 重頻抖動

圖10 V型調頻

5 結束語

本文設計的中頻模擬器可以在中頻頻段上產生模擬目標回波的和差三通道信號，支持雷達自檢以及作戰系統的維護和訓練，可在雷達無須加高壓、無真實目標配合情況下，對雷達系統進行性能測試、精度檢查[6]。目前所服務的某型雷達已進入小規模量產階段，中頻模擬器在項目的研制及驗證階段工作穩定可靠，順利完成了相應的測試機訓練任務。對于部隊日常訓練，中頻模擬器也可用于測量雷達自動化監測、模擬實驗、分系統對接實驗及培養操作人員。因此，該中頻模擬器具有較高的經濟意義和工程應用價值。