楊柯 李德峰 杜會盈

摘? 要：本文結(jié)合系統(tǒng)工程應(yīng)用，針對使用環(huán)境，由淺入深地介紹了一種雷達航跡仿真器的設(shè)計原理及實現(xiàn)途徑。該仿真器能夠使雷達系統(tǒng)在無須真實目標的環(huán)境下進行目標的搜索和跟蹤，從而檢驗雷達系統(tǒng)的整體聯(lián)動效果和性能。本設(shè)計思路可以拓展到其他型號雷達的檢驗過程中，為降低雷達系統(tǒng)訓練成本提供了一種訓練手段。

關(guān)鍵詞：雷達;航跡仿真;仿真器設(shè)計

中圖分類號：U665.22;TN955? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0067-03

0? 引? 言

武器系統(tǒng)的日益復雜化、高科技化帶來了整個系統(tǒng)工作成本的大幅度提高，一次正常工作所需要耗費的人力、物力資源越來越快地消耗著各個國家的戰(zhàn)略資源。為此，在保證武器系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的前提下努力降低非戰(zhàn)斗狀態(tài)下武器系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)、檢測的成本，成為各個國家亟待解決的問題。在這樣的背景下，研制、使用成本相對較低的作戰(zhàn)系統(tǒng)各個模塊的仿真系統(tǒng)應(yīng)運而生，雷達航跡仿真器（以下簡稱仿真器）是其中之一。它主要依據(jù)相應(yīng)型號的雷達信號和工作特性，提供相應(yīng)仿真航跡的視頻信號，能夠在無須真實目標的環(huán)境下利用仿真器，達到檢驗雷達系統(tǒng)整體聯(lián)動效果和性能的目的。本文針對一種雷達航跡仿真器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法進行了由淺入深的解析。

1? 設(shè)計原理解析

本方案雷達航跡仿真器主要由控制單元、同步時基產(chǎn)生模塊、通信模塊、目標回波產(chǎn)生模塊、人機接口模塊和外圍接口電路等部分組成，如圖1所示。

其中：

控制單元是本仿真器的核心模塊，通過主處理軟件完成本仿真器的各項工作。

同步時基產(chǎn)生模塊可以自己產(chǎn)生時基信號和轉(zhuǎn)接外部雷達送來的時基信號，正常工作時使用和轉(zhuǎn)接外部雷達送來的時基信號，當調(diào)試時采用自己產(chǎn)生的時基信號。

通信模塊包含多種形式的通信接口，實現(xiàn)與外部的計算機及相關(guān)設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信功能。

外圍接口電路對送出的回波信號進行驅(qū)動和匹配，對外部設(shè)備送來的時基信號進行驅(qū)動和分配。

人機接口模塊用于實現(xiàn)用戶對本仿真器的命令和控制。

2? 單元及模塊設(shè)計方案

2.1? 控制單元設(shè)計方案

控制單元：通過主處理軟件配合外設(shè)接口負責仿真器數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解算、任務(wù)處理、工作流程及時序控制工作。

本設(shè)計在選型過程中，主要依據(jù)以下技術(shù)指標：

（1）實時處理的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量大小、實時性需求、市場環(huán)境及發(fā)展前景，折算需要的計算機工作頻率、隨機存儲器和程序存儲器容量;

（2）處理的視頻數(shù)據(jù)類型、制式、數(shù)據(jù)量及實時性要求決定是否添加獨立視頻處理板卡;

（3）數(shù)據(jù)類型及傳輸方式的可靠性、計算單元外設(shè)數(shù)量及種類，以此決定需要的接口類型或者增加相應(yīng)的獨立接口擴展板卡;

（4）結(jié)合設(shè)備使用空間結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸速率選擇合適的總線架構(gòu)（CPCI、VPX、PC104等）。

2.2? 同步時基產(chǎn)生模塊設(shè)計方案

同步時基產(chǎn)生模塊：用于產(chǎn)生雷達主脈沖、距離掃描脈沖、方位增量脈沖、正北脈沖和扇區(qū)脈沖等所需信號，作為數(shù)據(jù)源發(fā)送給目標雷達處理單元。

如圖2所示，是同步時基產(chǎn)生模塊設(shè)計原理框圖：

（1）時鐘邏輯部分：輸入接口和分頻電路，分別完成外部時鐘的接收和內(nèi)部時鐘的產(chǎn)生，通過程控開關(guān)和時序邏輯產(chǎn)生電路完成外部/內(nèi)部時鐘的自動轉(zhuǎn)換，生成各種時基信號（包括雷達主脈沖、距離掃描脈沖、方位增量脈沖、正北脈沖和扇區(qū)脈沖等）;

（2）天線方位產(chǎn)生電路：依據(jù)控制單元的解算結(jié)果產(chǎn)生雷達天線的目標方位信號，分路后一路通過總線傳送到控制單元，另一路通過驅(qū)動、接口電路連同時序邏輯一起輸送至目標回波產(chǎn)生模塊，用于生成目標的實時視頻數(shù)據(jù);

（3）總線控制邏輯、中斷控制邏輯：通過總線控制邏輯和中斷控制邏輯電路，完成同步時基產(chǎn)生模塊與控制單元之間的總線時序匹配及數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.3? 目標回波產(chǎn)生模塊設(shè)計方案

目標回波產(chǎn)生模塊：根據(jù)所模擬雷達的發(fā)射參數(shù)、回波類型將目標以回波形式實時產(chǎn)生出來，視頻回波發(fā)生器的硬件邏輯如圖3所示，在輸出形式上可以進行視頻信號輸出和點跡輸出兩種方式。

雷達方位碼、距離碼同時與數(shù)據(jù)總線傳送的值進行比較，兩者相等（即當前距離和方位與給定的目標點相吻合）時，送出一個回波脈沖信號。產(chǎn)生的天線包絡(luò)及回波脈沖個數(shù)，由預存在存儲器中的題目需求數(shù)據(jù)庫中的回波數(shù)參數(shù)確定。

2.4? 通信模塊設(shè)計方案

通信模塊：完成仿真器內(nèi)部及與上位機的通信指令和數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送功能。

基于本系統(tǒng)的實際應(yīng)用環(huán)境，通信系統(tǒng)采用兩種傳輸模式：第一，一個RS232串口;第二，兩個雙冗余100M以太網(wǎng)接口。根據(jù)對應(yīng)的雷達系統(tǒng)和使用環(huán)境的不同，可以更改通信接口類型和數(shù)量。如圖4所示。

2.5? 人機、外圍接口設(shè)計思路

根據(jù)仿真器使用需求，確定人機接口的選擇和設(shè)計：

（1）為了實現(xiàn)預裝程序、數(shù)據(jù)導入和導出的需求，本系統(tǒng)設(shè)計了符合2.0標準的USB接口及相關(guān)驅(qū)動組件;

（2）設(shè)計獨立電源開關(guān)，保障仿真器具備獨立調(diào)試的條件;預留鍵盤、顯示器接口用于保證仿真器自身調(diào)試的顯示、控制功能;

（3）設(shè)計工作狀態(tài)、時鐘狀態(tài)、架位信息三個指示燈，用于向用戶實時反應(yīng)仿真器的工作狀態(tài)、時鐘斷續(xù)、架位采集狀態(tài)。

外圍電路設(shè)計主要取決于對應(yīng)的雷達制式，本仿真器除了數(shù)據(jù)通信接口外還具備以下外圍信號接口：

（1）電源接口：為仿真器提供接入電源的通道;

（2）時鐘輸入接口：因為距離原因，時鐘信號設(shè)計為差分形式傳輸;

（3）數(shù)據(jù)接口：用于接收雷達設(shè)備的主脈沖、正北脈沖、增量脈沖等信號的特征數(shù)據(jù)，考慮到信號傳輸?shù)木嚯x特性，本設(shè)計依然采用差分形式傳輸，如果有必要，也可以采用光傳輸?shù)男问健?/p>

2.6? 軟件流程

仿真器軟件功能是根據(jù)上位機的控制命令進行目標回波的仿真，其主功能模塊包含：人機接口控制管理、數(shù)據(jù)庫管理、實時目標發(fā)生與控制、故障實時檢測等主要部件。它可根據(jù)接收的上位機的命令完成對應(yīng)題目和“自擬體”目標的仿真，以模擬視頻形式向雷達輸出回波，同時還可以通過網(wǎng)絡(luò)（或其他通信接口）向外部計算機發(fā)送點跡數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)和本仿真器的故障檢測數(shù)據(jù)。其主程序流程框圖如圖5所示。

3? 仿真器設(shè)計總結(jié)

在本仿真器實際設(shè)計實現(xiàn)中，綜合考慮了行業(yè)標準、用戶需求、市場發(fā)展方向和使用環(huán)境的綜合需求。

總體設(shè)計：各個獨立單元均采用了高集成化設(shè)計，除阻容器件、專用轉(zhuǎn)換及橋接器件，所有邏輯均通過CPLD編程實現(xiàn)，高度集成化的設(shè)計保證了仿真器工作穩(wěn)定可靠并且具有對環(huán)境很強的適應(yīng)性，結(jié)合其他的電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，如模塊化設(shè)計、保護電路設(shè)計、冗余設(shè)計等方法，保障了產(chǎn)品具有較好的維修性和測試性。

軟件設(shè)計：嚴格遵循軟件工程化的設(shè)計規(guī)定，從規(guī)劃階段開始，最終達到科學劃分，需求明確、構(gòu)件功能單一、模塊降低耦合的標準，最終實現(xiàn)完成高質(zhì)量軟件的目的。

4? 結(jié)? 論

本文結(jié)合作者多年的工程經(jīng)驗以及不同使用環(huán)境，集中講解了一種實用、有效的雷達航跡仿真器設(shè)計方法，并對方案的組成和設(shè)計原理進行了相應(yīng)的說明。此項目已經(jīng)設(shè)計定型并成功應(yīng)用，截至目前，該仿真器工作穩(wěn)定，性能滿足設(shè)計指標，充分驗證了其在航跡仿真工作中的有效性、實用性和可靠性。

隨著更加先進的相控陣雷達的逐漸應(yīng)用和推廣，本設(shè)計方法將會面臨設(shè)計帶寬過于局限的嚴峻考驗，下一步需解決的問題是：改進設(shè)計，增加目標信息仿真帶寬，最終實現(xiàn)實時、多路獨立目標航跡仿真的目的。

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作者簡介：通訊作者：楊柯（1981-），男，漢族，河北阜平人，工程師，碩士，研究方向：艦炮武器與光電系統(tǒng);李德峰（1974-），男，漢族，天津人，高級工程師，碩士，研究方向：電子與通信工程;杜會盈（1984-），男，漢族，河南鄭州人，高級工程師，碩士，研究方向：嵌入式軟件。