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(xùn)練是部隊訓(xùn)練的基本需求。實裝訓(xùn)練除了存在訓(xùn)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(xùn)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(shù)，影響雷達的戰(zhàn)時應(yīng)用。基于此，模擬器以其經(jīng)濟性和零風(fēng)險等優(yōu)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(yīng)用于部隊訓(xùn)練之中。

本文設(shè)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(zhàn)系統(tǒng)的維護和作戰(zhàn)訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)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(zhuǎn)換為系統(tǒng)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(shè)備發(fā)來的模擬訓(xùn)練要求指令(包括模擬目標(biāo)飛行的速度、角度、距離等)，以及來自雷達的觸發(fā)脈沖，并據(jù)此從電子盤上調(diào)出相應(yīng)的航路參數(shù)，根據(jù)當(dāng)前讀到的雷達重頻，脈寬，以及雷達天線的坐標(biāo)位置和俯仰角等信息計算出模擬目標(biāo)的速度，距離，角度等信息，并控制中頻信號模塊產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)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(shù)控，以此實現(xiàn)對目標(biāo)角度信息和速度信息的精確模擬；對目標(biāo)距離信息的模擬，則通過高精度延時線來實現(xiàn)。

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

2 系統(tǒng)硬件組成

中頻模擬器硬件采用模塊化、系列化、通用化設(shè)計，盡量選用成熟技術(shù)；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(tǒng)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(shù)據(jù)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(xùn)練要求指令；實時解算當(dāng)前目標(biāo)的速度、加速度、俯仰角、相對位置；并將這些信息通過發(fā)送到接口板，以此控制中頻信號模塊。其主要硬件參數(shù)包括：

主板：集成CPU，顯卡，內(nèi)存和網(wǎng)卡；

CPU：X86兼容型低功耗CPU，主頻600MHz；

內(nèi)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(wǎng)絡(luò)：1路10/100/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口；

2)接口板

接口板和計算機板協(xié)調(diào)工作，其負責(zé)將計算機板需要接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fā)送數(shù)據(jù)。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(fā)脈沖，控制中頻信號模塊產(chǎn)生所需的中頻信號。

接口板由控制電路(一片F(xiàn)PGA)和驅(qū)動電路構(gòu)成，其硬件框圖如圖2所示?？刂齐娐?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(chǎn)生距離調(diào)制脈沖。驅(qū)動電路完成接口板數(shù)據(jù)線上的信號電平轉(zhuǎn)換，此外它還起到隔離外部數(shù)據(jù)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(chǎn)生包含模擬目標(biāo)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(chǎn)生電路。按照計算機板的指令產(chǎn)生相應(yīng)頻率和帶寬的線性調(diào)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(chǎn)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(shè)備調(diào)節(jié)的問題[4]。

2)第二個部分是和、差路信號產(chǎn)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(xiàn)三路信號的差異化設(shè)置，以此模擬雷達接收機和差比較器的輸出，實現(xiàn)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(guān)鍵電路均采用國產(chǎn)成熟器件。其實現(xiàn)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(nèi)部的電源模塊將其變換為+5V， +15V，+24V直流輸出。其輸出電流應(yīng)滿足相應(yīng)模塊的工作需求并有一定的冗余保護設(shè)計。

3 系統(tǒng)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(shè)備送來的模擬訓(xùn)練要求指令(包括模擬目標(biāo)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(jù)模擬目標(biāo)的參數(shù)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(zhuǎn)換成并口數(shù)據(jù)發(fā)送給中頻信號模塊；計算機板將目標(biāo)的距離信息轉(zhuǎn)換為重頻的延時量，通過ISA總線寫給接口板后，接口板根據(jù)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(jù)接口模塊發(fā)送的模擬目標(biāo)的距離，徑向速度和幅度衰減量以及距離調(diào)制脈沖，產(chǎn)生相應(yīng)頻率和幅度的和，方位及俯仰三路脈沖調(diào)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(jié)果

中頻模擬器可產(chǎn)生包括連續(xù)波、線性調(diào)頻、MFSK、相位編碼、單脈沖、步進調(diào)頻等信號形式，其參數(shù)在如圖6所示專用交互式界面進行設(shè)置產(chǎn)生。

圖6 波形選擇交互界面

幾種常用信號測試結(jié)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(diào)頻

5 結(jié)束語

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