船用雷達顯示控制系統的設計與測試研究

尚凡葵，李正臣

（海裝北京局駐青島地區第一軍事代表室，山東 青島 266000）

引言

目前，由于我國船用產品功能單一、技術陳舊、工藝落后等因素在實際船舶系統中的應用比例還不到30%，大部分船用產品還是依靠進口。但是，鑒于時長利益等因素，國外船用產品并不愿意于我國簽訂專利協議，導致我國只能以高價格進口船用產品。尤其是船舶導航配套的電子儀器等，僅有屈指可數的磁羅儀、計程儀以及測深儀等。鑒于我國船舶導航雷達技術處于落后的情況以及國內對導航雷達產品的需求量極大的背景，應大力開展船用雷達系統的研究[1]。本文將著重對傳統雷達顯示控制系統進行設計、測試研究。具體闡述如下：

1 雷達顯示控制系統的總體設計

一般的，傳統雷達系統的結構如圖1 所示：

圖1 船用雷達系統結構示意圖

如圖1 所示，傳統雷達系統由系統上單元和下單元兩部分組成。其中，系統上單元主要指的是導航雷達的天線和對應的接收機，具體原理為由天線發射信后，并由接收機接收信號，通過對發射信號和接收信號之間的關系進行分析，得出被測目標的方位、距離以及航行速度等參數。下單元主要包括有數據處理模塊和顯示系統。其中，上下單元的通信依靠RS422 通信協議實現數據的傳輸[2]。本文所研究的雷達顯示控制系統包括有顯示子系統和控制子系統兩部分。

1.1 雷達顯示子系統的總體設計

針對雷達顯示子系統的總體設計具體可從以下三個方面著手：

1）結合當前實際應用的雷達顯示部分的系統情況，提出新型傳統雷達顯示系統的思路。

2）實現雷達顯示子系統硬件與上位機操作系統的數據通信。鑒于二者的時鐘不一致，主要采用異步傳輸機制實現硬件與上位機之間的數據通信。

3）基于對用戶調研的基礎上，設計雷達顯示子系統的顯示界面，并對各個功能模塊進行詳細闡述。

目前，傳統雷達顯示系統主要是基于Intel 處理器所設計的工況機模塊，該模塊存在圖像顯示不足、二次開發成本高的劣勢。為此，本文提出FPGA 數據處理模塊與ARM 顯控系統相結合的顯示機制為基礎完成對雷達子系統的設計；同時，FPGA 數據處理模塊與ARM 顯控系統采用異步數據傳輸機制完成信息的傳輸。

1.2 雷達控制子系統的總體設計

雷達控制子系統的主要任務時對雷達各部分功能的硬件進行統一控制。結合用戶控制需求，雷達控制子系統需具備顯示掃描、系統設置、界面內容顯示、功能提示以及其他一些高級功能。其中，顯示掃描功能包括基本掃描模式和中心偏移模式；通過系統設置功能可對雷達門限設置、海浪抑制調節、雨雪抑制調節、雜波抑制、調諧控制以及量程選項進行設置；界面內容顯示可對待探測目標的角度線、船尾線、尾跡等進行顯示；其他一些高級功能涵蓋了距離的測量、報警、對探測目標的跟蹤以及對其他數據的采集等[3]。除此之外，雷達控制子系統還可對天線進行控制，可對天線的參數進行設置等。

2 雷達顯示控制系統的設計

本節主要完成雷達顯示控制系統的硬件部分和軟件部分的設計。

2.1 雷達顯示控制系統的硬件設計

雷達顯示控制系統的關鍵硬件為ARM 操作系統控制模塊和FPGA 數據信號處理模塊。其中，ARM操作系統控制模塊主要是對與雷達相關所有的設備的運行進行控制；FPGA 數據信號處理模塊主要任務是對數據進行處理，并對控制信息進行顯示。雷達顯示控制系統的整體結構如圖2 所示：

圖2 雷達顯示控制系統硬件結構框圖

如圖2 所示，為保證雷達顯示控制系統能夠正常發揮導航、顯示、報警等功能。為ARM操作系統控制模塊配置FLASH、SDRAM、USB、UARTsl、CPLD、NET、UARTs2 模塊，為增強該控制模塊的工作性能為其配置了三星公司的S3C2440 處理器；同樣，為FPGA 數據信號處理模塊配置FLASH、DDR、SDRAM、LCD、AD、I/O 模塊。

此外，雷達顯示控制系統的硬件結構的外部時鐘由三部分組成，并設置了對應的外部晶振頻率，如表1 所示：

表1 雷達顯示控制系統硬件外部晶振頻率

2.2 雷達顯示控制系統的軟件設計

雷電顯示控制系統的軟件設計包括對雷達系統所獲取的數據進行不斷的篩選顯示；同時，還對雷達底層硬件功能進行有效控制。

雷達顯示控制軟件從系統上層到驅動層在到中間層最后到底層實現所采集數據和控制信號的通信[4]。其中，雷達對待探測目標的相關參數進行采集，對應的軟件控制流程如圖3 所示。

圖3 雷達數據采集軟件流程圖

如圖3 所示，針對雷達顯示控制系統的數據采集功能，首先需完成對雷達數據采集參數的設置，并在雷達顯示控制系統正常啟動后，由ARM接收所采集的數據，并將相關數據進行存儲；采集完成后等待下一階段的采集任務。

同時，在實際探測中雷達顯示控制系統還結合以采集的數據和實際探測的任務需求對天線系統進行控制，包括對天線的旋轉角度、掃描頻率參數等進行設置。

3 雷達顯示控制系統的測試

為驗證上文所設計雷達顯示控制系統的性能，本節將主要對雷達顯示控制系統的顯示功能和控制功能進行測試。

3.1 顯示功能的測試

本文所設計雷達顯示控制系統加裝了LCD 顯示驅動設備，同時在嵌入式ARM操作系統控制模塊的作用下，雷達顯示控制系統所形成的圖像和畫面能夠在15 寸的大屏幕上以高清晰度的狀態展現。同時，所形成的圖像和畫面最大分辨率可達1 024×768。在實際測試過程中發現，所形成的圖像和畫面能夠在上位機上及時顯示，不存在卡頓和延時的現象；而且，在圖層疊加的情況下對應的畫面也可正常顯示。

3.2 控制功能的測試

測試人員按照雷達天線參數設置流程操作完成后進行測試。經測試，雷達天線的控制模式可順利由船舶中心基本模式切換為中心偏移模式；而且在實際控制操作中發現，整個控制響應速度較快，且各項指令傳輸均不存在錯誤[5]。總體來說，雷達控制系統滿足現實模式轉變的系統要求。

4 結語

導航系統作為船舶“眼睛”，其性能直接決定船舶運行的安全性和效率。我國在船舶雷達導航系統方面與發達國家還存在較大的差距，為滿足實際應用需求和強化自身技術的目的，應大力開展針對雷達導航系統的研究和設計。本文基于ARM顯控模塊和FPGA 數據采集模塊為核心設計了船用雷達顯示控制系統，并經測試該系統在顯示功能和控制功能均能夠滿足實際應用的需求。