葉明傲 李 輝

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230031；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，合肥 230088)

基于光通信技術的相控陣雷達波控系統(tǒng)設計

葉明傲1,2李 輝2

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230031；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，合肥 230088)

本文針對相控陣雷達波束掃描特點，提出了一種基于光通信技術的波控系統(tǒng)設計方案，對遠程時序信號光傳輸、時鐘同步信號光傳輸、交叉點矩陣開關等技術以及波束形成和單元校正算法進行了描述，詳細介紹了系統(tǒng)的同步設計，為光通信技術在大型相控陣系統(tǒng)中的更廣泛應用提供設計參考。

光通信；相控陣雷達; 波束控制; 同步設計;

0 引言

相控陣雷達是采用相控陣天線的雷達，它與機械掃描雷達的最大區(qū)別在于天線無需轉動即可使天線波束快速掃描。隨著雷達、電子電路、通信技術的發(fā)展，以及觀測任務的需求不斷增加，相控陣技術已廣泛地應用于軍事民用的各個領域。

在相控陣系統(tǒng)中，波束指向和波束形狀的捷變能力是系統(tǒng)關鍵指標之一。因此波控系統(tǒng)設計的合理與否直接影響著系統(tǒng)功能和效能的發(fā)揮。波控系統(tǒng)不僅要為天線掃描提供正確的相位碼，還要滿足波束轉換的速度要求，做到迅速精確地布相，同時還要具有陣面監(jiān)視與通道福相校正能力[1]。

另外，由于相控陣雷達功率密度越來越高，長線傳輸會對波控系統(tǒng)的控制信號帶來極為嚴重的干擾，甚至會發(fā)生誤觸發(fā)的情況、影響設備安全。光纖通信作為一種新興的通信方式，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、實時性好等優(yōu)點。因此，本文設計了一種基于光纖通信技術的波控系統(tǒng)，是一種具有發(fā)展前景的技術方案。

1 系統(tǒng)研制需求

本文中所要研制的波控系統(tǒng)包括3個節(jié)點，分別是遠程調度中心、波控機房、天線陣面光纖復用設備。其中，波控機房作為調度指令的接收單元和波束形成處理節(jié)點，距離調度中心約35km、距離天線陣面約1000m，并且數據傳輸帶寬大，比較適宜采用光纖通信方式。

各節(jié)點的功能主要如下：

1)遠程調度中心：主要設備是調度計算機，完成系統(tǒng)資源分配，編制任務規(guī)劃、下發(fā)調度指令。對波控機房下發(fā)的數據主要有同步時鐘、導前和波束控制字；

2)波控機房：接收調度計算機下發(fā)的調度指令，完成有源陣面各T/R單元的布相控制，并完成通道幅相校正；

3)光纖數據復用：位于相控陣天線陣面，用于T/R單元相位控制碼的分發(fā)、光導前信號的同步，并實時采集組件的健康數據。

2 遠程通信鏈路設計

在調度中心，調度計算機根據任務系統(tǒng)下發(fā)的指令產生波束編排結果，再利用接口電路與時鐘同步后產生導前脈沖和光纖控制字送往波控機房。如圖1所示，遠程通信鏈路包括數據源節(jié)點設備(調度計算機)、數據宿節(jié)點設備(波控機房)，二者之間通過光纜連接，組成實時雙向光通信系統(tǒng)。

上圖中，調度計算機為源節(jié)點，下發(fā)到波控機房的信號有：1路20MHz同步時鐘、3路TTL導前脈沖、1路850nm光纖控制字及1路網絡信號。波控機房通過網絡回傳陣面狀態(tài)及BIT數據，同時分發(fā)一路射頻IQ信號供系統(tǒng)波形監(jiān)視。

光傳輸設備采用波分復用和摻鉺光放技術，利用一根光纖實現模數混合雙向和遠程無中繼傳輸，便于系統(tǒng)維護。主要指標有：

1)光功率及鏈路損耗

·輸出光功率：≥10dBm

·鏈路損耗：≥40dB

2)20MHz模擬時鐘技術參數

·輸入輸出1dB壓縮點： 10dBm

·增益：0dB±1dB

·相位噪聲：≤-145dBc/Hz @1kHz頻偏

·雜波抑制：≥65dB

·諧波抑制：≥30dB

·輸入輸出駐波：≤2

3)時序及控制信號技術參數

·邊沿抖動：≤±1.5ns

·誤碼率：≤1×10-9

對于遠程鏈路的測試，數字信號比較簡單，設置CRC校驗即可；對于時鐘的測試，則需要借助嵌入式儀表實現，通過網絡獲取輸出時鐘的幅度和頻譜數據，并上報調度中心[2]。

3 波控機房組成

由于陣面規(guī)模龐大、T/R組件數以萬計，波束控制采用級聯的方式實現。如圖2所示，系統(tǒng)主要有以下三級：第一級為導前脈沖、調度控制字的初分發(fā)，并完成校正控制和初相解算，在硬件上組成上包括第一個分機的零槽計算機和交叉開關板；第二級為各T/R單元的相位計算、波形控制，并完成數據融合后通過光纖接口發(fā)往天線陣面，由兩個波控分機共同完成；第三級設備為128個數據復用模塊，在天線陣面完成波控數據至T/R組件的分發(fā)，并將多路組件的健康數據合成1路光纖后下傳。

此外，波控機房還包括AC/DC電源、環(huán)控及本地頻率源等附屬設備。

3.1 交叉開關設計

在圖2中，交叉開關板完成導前脈沖、調度控制字的分發(fā)及校正I/Q數據解析。對于導前信號的分發(fā)，采用245驅動器外加等長布線設計即可；校正I/Q是在調度計算機發(fā)起校正指令后，接收I/Q數據送零槽計算機，由波控軟件完成解算；對于調度控制字的分發(fā)，及內部各計算節(jié)點的高速通信，都需要通過交換模塊來完成。

如圖3所示，交換模塊以VSC3系列高速異步交叉點開關芯片為核心實現。該芯片采用PixEQ技術，最多支持72×72個高速接口的矩陣選擇，單通道最高通信速率可達6.5Gbps，支持點對點、點對多點開關切換，并支持及在線通道切換。VSC3系列電路支持3種控制接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線，接口操作非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣。

在交叉開關板內部，由FPGA實現PCI總線端口譯碼，從而波控軟件可以靈活控制矩陣開關的拓撲結構，最大限度的利用高速口硬件資源，實現調度控制字、波束形成系數、波形碼的分發(fā)。

3.2 波束形成算法

根據相控陣天線原理，對于任意一個平面天線，圖4所示結構任意兩行、兩列單元的相位差是相等的。

因此，在(X，Y)平面上，第(m，n)個單元相對單元(0，0)的相位為[1]：

ψ(m,n)=mΔα(θ,φ)+nΔβ(θ,φ)+α0(m,n)

(1)

其中:

(2)

在式(1)、(2)中，α0為(m，n)單元的初始相位值，由校正獲得。θ、φ分別為平面天線波束指向的方位角和俯仰角，λ為工作波長。dx和dy分別表示方位和俯仰平面(即x軸和y軸)上相鄰陣元之間的距離。

3.3 射頻IQ校正

由于陣元位置誤差、傳輸線不等長以及各頻率源激勵的不同等原因會引起各T/R單元幅相不一致，導致綜合出的天線方向圖產生明顯畸變，因此對T/R組件的幅相誤差進行校正是波控系統(tǒng)的一項重要功能。

如圖5所示，在實際應用中，調度計算機根據任務系統(tǒng)的指令定時下發(fā)校正模式，交叉開關板首先判斷是否為校正模式，分發(fā)校正導前信號和校正指令控制字，用于通道和收發(fā)開關的狀態(tài)切換。再根據系統(tǒng)采樣率完成32點I/Q數據采集，調用模塊化FFT運算IP，將結果寫入SRAM[3]。當校正流程結束后，交叉開關即產生一個硬件中斷，通知波控軟件進行校正I/Q解算，并更新各控制插件的初相表。

4 光數據復用設計

在本系統(tǒng)中，由于T/R組件數量眾多，如果每個組件都接1根光纖到波控機房，不僅會造成光纖資源的浪費，而且會極大提高整機的成本。因此，波控子系統(tǒng)在設計時采用了數據復用設計，在陣面上由數據復用單元完成上行數據轉發(fā)和下行數據合成。

4.1 復用模塊結構

如圖6所示，采用兩片FPGA加外圍電路方式控制各T/R單元，不僅可以節(jié)省光纖資源，還可以縮短整機走線，提高系統(tǒng)可靠性。

在上圖中，串行控制信號(SC、SD、SYN、TRIG)分別為T/R單元所需的控制信息[4]。當數據復用模塊收完一幀數據后，如檢驗正確，FPGA內部啟動數據分發(fā)，并完成各單元對應32位控制信息的并串轉換(一個時鐘上升沿對應一個數據位)。在轉換結束后，產生一個SYN 信號用于控制信息的一級鎖存。在下一個導前時刻輸出TRIG信號，用于波控數據的二級鎖存，所有組件在TRIG信號的上升沿同步更新相位碼和衰減碼，即可實現整機的時序同步。

4.2 光纖數據同步

由于陣面距離波控設備機房較遠，并且復用單元數量眾多，本文采用一種利用光纖在傳輸數據的同時提供同步觸發(fā)(即軟導前)的方式，實現各組件同步控制。

光纖數據同步首先要確保FPGA 發(fā)送端從并行數據產生到數據以串行方式從TRANSCEIVER接口輸出，各高速口的處理要嚴格時鐘和時序同步；各接收模塊串行數據從FPGA 的TRANSCEIVER接口輸入，及同步時鐘輸入的傳輸延時是一致的。只有當這兩個條件都滿足時，光纖同步才具有可行性。

具體程序設計時，可以在光纖收發(fā)兩端設置一組固定的K字符用于數據對齊。接收端收到連續(xù)的串行數據后，以滑窗的方式將窗口內的數據與作為對齊特征邊界的K字符比較，如果相同則表示串行數據已經對齊，此時產生一個觸發(fā)信號，并將此觸發(fā)信號與同步時鐘對齊，即可恢復出導前脈沖[5]。導前信號產生模塊時序如圖7所示。

在調試過程中，將各復用模塊恢復的導前全部回送到波束控制模塊，利用Signaltap監(jiān)測各模塊的導前，如圖8所示?？梢钥吹?，各導前信號偏差不超過1個采樣時鐘，滿足相控陣系統(tǒng)使用要求。

5 工程應用效果

設計一個方位向分辨率為0.10的遠場測試系統(tǒng)，利用校正接收機采集接收信號。如圖9所示，可以看出峰值和主副比均滿足設計要求，驗證了本文所設計波控系統(tǒng)的正確性。

6 優(yōu)化和改進方向

綜上所述，基于光通信技術方案的波控系統(tǒng)，已在整機試驗中得到驗證，證明方案切實可行，并具有可靠性高、調度速度快等特點。本方案適用于規(guī)模較大的相控陣系統(tǒng)，在性能與成本之間選擇了一個比較折中的方案，如何研發(fā)一種低成本的全光傳輸波控系統(tǒng)，才能使得系統(tǒng)布線更加簡化、調度時間更短，并使該技術在大型相控陣系統(tǒng)中推廣應用。

[1] 張光義.相控陣雷達原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2] 覃朝堅,黃敏,柯有強.光通信技術在相控陣雷達系統(tǒng)中的綜合應用[J].光通信研究,2015(4):30-32.

[3] 陳之濤,王雨陽,劉浩.一種發(fā)射通道校正技術的實現[J]. 雷達科學與技術,2012,10(3): 332-335.

[4] 郭立俊.基于查表方式的雷達波束掃描技術[J].火控雷達技術,2015,44(1): 75-78.

[5] 吳長瑞,岑凡,徐建清.多通道光纖同步算法的設計與FPGA實現[J]. 測控技術,2014,33(2): 36-42.

DesignofFiber-opticCommunicationTechnologyBasedBeamSteeringSystemforPhasedArrayRadar

Ye Mingao1,2, Li Hui2

(1. The No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230031;2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088)

Based on beam scanning characteristics of phased array radar, a beam steering control system based on fiber-optic communication technology is proposed. Optical transmission of remote timing signals and clock synchronization signals, crossing switch matrix technology, as well as beam-forming and element correction algorithm are described. Design of system synchronization is introduced in detail. It provides a valuable reference for wide application of the optical transmission technology in phased array radar systems.

fiber-optic communication; phased array radar; beam steering control; synchronization design

2017-03-06

葉明傲(1979-)，男，高級工程師。主要研究方向為雷達波控系統(tǒng)設計及測試技術。

TN95

A

1008-8652(2017)03-026-05