雷达稳定平台

2024-09-19

雷达稳定平台（精选7篇）

雷达稳定平台篇1

0引言

稳定跟踪平台是惯性技术应用的重要领域之一, 其功能是隔离载体的角运动和线振动使被稳定对象相对某方位保持稳定并可对目标进行自动跟踪[1,2],由光纤陀螺仪测定平台实时姿态,通过嵌入式工控系统分析运算、光电编码器与交流伺服电机组合驱动平台以实现天线指向的稳定。本研究的稳定平台应用于无人机机载雷达,隔离由于震动导致的雷达探测误差,由于机型较小,载重有限,传统雷达稳定平台重量、转动惯量较大,反应不够灵活。

针对上述问题,本研究对稳定平台进行基于刚度、强度条件下以减轻重量为目标的优化设计,对提高平台灵敏度、降低功耗、扩大稳定平台的应用领域有重要意义。

1稳定平台结构模型

稳定平台通常有多种结构布局和支承方式。一般采用机电式两轴[3]或三轴多框架结构[4,5]( 稳定平台结构布局如图1所示) 。三轴方式较两轴方式增加了在方位方向对天线高频振动的过滤,其工作性能较好, 为了达到较好性能,项目采用三轴结构。

根据上述原理,以满足稳定平台设计技术要求为前提,考虑电机、减速机、陀螺仪等结构件的布置,利用Creo2. 0完成模型设计,本研究初步确定了稳定平台的机械模型。

稳定平台三维模型如图2所示。

2稳定平台载荷分析

在工作时,随着飞行姿势的改变,在转弯、俯冲、加速时稳定平台姿态自动调整以确保雷达天线的指向稳定。显然,稳定平台最大载荷出现在飞机同时加速、转弯、俯冲时,稳定平台各组件的载荷为加速度以及姿态角的函数: F = f( a1x,a1y,a1z,α,β,r) 。本研究对稳定平台进行优化设计,应分析各组件在最严酷工作状态的姿态角所对应的载荷,将其作为有限元分析的边界条件,以重量为优化目标,确保稳定平台的刚度性能指标要求,展开优化设计。

本研究为分析各组件的载荷情况应分别建立坐标系( 坐标系如图3( a) 所示) : 坐标系Ⅰ( cs1) : 组件一与飞机的装配面中心点为原点,飞机飞行方向为x轴正向,飞机升力方向为z轴; 坐标系Ⅱ( cs2) : 以组件二的z传动轴零件上表面中心为原点,以平行于飞行方向为x轴,飞机升力方向为z坐标,坐标系随组件二的转动而转动; 坐标系Ⅲ( cs3) : 以组件二与组件三的装配轴为y轴,在y轴上确定坐标原点,使得在平台的姿态角都为零时,坐标系Ⅲ上的z轴,与坐标系Ⅱ上z坐标重合,随组件三的转动而转动; 坐标系Ⅳ: 以组件四与组件三的安装轴为x轴,以在组件四的对称平面向上为z轴。

定义姿态角:

α—方位角: 以飞机的升力方向轴为法线;

β—俯仰角: 以飞机的左侧轴为法线定义;

γ—横滚角: 以飞机的飞行方向定义法线。

上述角均以右手定则定义方向。各组件之间的坐标关系是由3个姿态角决定的[6]( 坐标变换示意图如图3( b) 所示) 。

第一个坐标系到第二个坐标系的变换是沿z轴旋转 - α 角,第二个坐标系到第三个坐标系的变换是沿y轴旋转 β,第三坐标系到第四坐标系的变换是沿x轴旋转 γ。坐标系之间的转换满足式( 1) 的关系:

根据姿态角的定义: ε1 - > 2= ( 0,0,- α) ,ε1 - > 3= ( 0,β,- α) ,ε1 - > 4= ( γ,β,- α) ,ε2 - > 3= ( γ,β,- α) , ε2 - > 4= ( γ,β,0) ,ε3 - > 4= ( γ,0,0) ,ε4 - > 3= ( - γ,0,0) 。式( 1) 中( ΔX0,ΔY0,ΔZ0) 由相对于变换的坐标原点决定。对于所建坐标系以Iijo表示坐标系j的原点在坐标系i中的坐标,根据模型的几何模型有式( 2) 的关系:

在稳定平台工作过程中,飞机通过组件一将飞行状态、飞行姿态传递给稳定平台。因此组件一的姿态、加速度与飞机相同,在稳定平台在各组件中保持相同, 在不同坐标系中,加速度的表示形式有所区别,规定: aij表示在第i坐标系中组件j的加速度,则a44= R ( ε1 - > 4) ·a11关系,重力加速度g在各坐标系i中的关系有: g4= ( 0,0,g) ,g4= R( ε3 - > 4) g3= R( ε2 - > 4) g2= R( ε1 - > 4) g1,得:

在稳定平台工作时,组件四、三、二、一依次组装,载荷依次累积,因此为分析各组件的受力,从组件四开始。本研究在坐标系Ⅳ中将重力加速度与飞机加速度表示为等效重力加速度g4',有等效重力加速度[7]可表示为:

式中: R( εX,εY,εZ) —关于欧勒角为自变量的变换矩阵,反应到前述建立的坐标系中进行变换时,由实际姿态角迭代取值。

其中:

其中: 组件一与机体相固定连接,其加速度与飞机相同。将重心位置表示为下式所示:

式中: l44,p44,q44—在坐标系四中重心的坐标。

组件四的受力如图4所示,重心坐标为( l,p,q) 根据力学平衡原理: ∑F = 0,∑M = 0,得:

根据式( 5) 计算得:

以此类推,得组件三、组件二、组件一受力载荷情况与飞行姿态角以及飞行加速度的关系:

3稳定平台各组件优化设计

本研究通过对稳定平台的载荷分析,取得各组件的载荷与飞机飞行姿态的表达式关系,上述表达式中, 各组件重量、重心位置均可在三维模型中测定,而飞行加速度向量为无人机的工作参数,进行优化设计时选取a11= ( a1x,0,a1z) = ( 2g,0,2g) ,即单向最大加速度为2倍重力加速度。

因此所有载荷均为关于姿态角 ( α,β,γ) 的函数[8]。对于组件四( 天线与天线支架) 来说受到的载荷是T41、T42以及组件四受到的等效重力,有限元分析时: T41,T42是位移约束点。因此,本研究分析组件四时,为求最大值,取等效重力为优化函数,同时考虑到姿态角的取值范围,组件四的优化函数表示为:

式中: G'4—组件四受到的等效重力。

以此类推,组件三、组件二、组件一的优化函数分别表示为:

式中: G'3—组件三受到的等效重力。

式中: G'2—组件二受到的等效重力。

式中: G'1( 234)—第一坐标系中,组件二受到的等效重力。

本研究运用Matlab的fmincon( ) 优化工具,求解上述表达式,得:

当 α = 0°,β = 10°,γ = 5°时组件一取得最大等效载荷299. 01 N。

当 α = 0°,β = 10°,γ = 0°,时组件二取得最大等效载荷62. 83 N。

当 α = - 37°,β = 10°,γ = 0°时组件三取得最大等效载荷162. 83 N。

当 α = 0°,β = 10°,γ = 20°时组件四取得最大等效载荷 - 36. 185 5 m/s2。

本研究将上述姿态角代入受力表达式,求解处各组件的在严酷载荷位置时,具体载荷值作为creo2. 0中simulate分析的边界条件[9,10,11,12],运行静态分析后以组件厚度为优化变量,组件重量为优化目标,最大位移不超过0. 01 mm为限制条件,同时根据结构需要设定厚度不小于2 mm执行优化设计研究,组件一优化前后效果如图5所示。同理类推执行其他各组件。汇总优化研究结果如表1所示。

稳定平台总体重量由4. 425 kg优化至2. 96 kg,稳定平台重量缩减了约1 /3,减重效果显著,同时位移指标满足要求。该设计的重点是对于稳定平台支撑结构进行了优化,对伺服电机传动部件保持不变,在驱动力保持不变的情况下,稳定平台转动惯量下降,提升了平台的探测灵敏度,平台控制探测精度由0.08°提高至0.05°。

4结束语

本研究在完成稳定平台的优化设计后,根据优化后的参数修正模型,并进行样机试验,现稳定平台已在某无人机上成功应用,工作状态良好。对雷达天线稳定平台的优化设计,使得稳定平台的重量得到有效地降低,同时提升了稳定平台的工作灵敏度,不仅减小了的对无人机的承载能力,同时对于扩展稳定平台的应用领域具有实际意义。笔者在研究过程中探讨了采用坐标变换方式和力学原理求解相对运动组件载荷与不同输入姿态、加速度的关系,并应用Matlab、Creo /Simulate等软件,对数学模型、机械模型进行优化求解的方法, 对于解决具有旋回、俯仰运动的发射装置、挖掘机等类似设备的载荷问题具有借鉴意义。在本研究时着重对于组成组件的厚度尺寸进行了优化,优化目标较为单一,在未来研究时应考虑在减轻重量的同时研究在适当位置增加筋板的方式达到既减轻重量的目的,同时增加机体刚度,减少变形量。

目标特性测量雷达平台建设构想篇2

雷达目标电磁散射特性测量是雷达系统共性基础技术,主要研究雷达观测目标在入射电磁波照射激励下,目标在频率域、角度域、极化域的电磁散射机理与特性,包括窄带特性、宽带特性、极化特性等。要多维度精细认识目标,需要获取丰富的信息资源暨特征数据作为支撑,但是目前对目标的认识是通过既有的雷达提供的数据,传统雷达使命任务往往非常单一,同一雷达平台很难提供多种信息,要充分认识目标,需要多部雷达平台协作,成本高昂,而且数据协同上存在较大技术难度。

1 目标特性的种类与作用

雷达目标特征隐含于雷达回波中,通过特定的波形设计和对回波幅度、相位、频谱等处理、分析及变换,得到表征雷达目标固有特征的参量。雷达目标电磁散射特性研究对雷达系统设计、成像与目标识别、目标隐身与反隐身探测等都具有极其重要的意义。

雷达目标特性的认识从宏观上包括两个方面:雷达目标尺度信息、雷达目标特征信息,研究内容有理论研究、仿真试验、静态测试和靶场动态测量等。当前对目标的认识主要通过静、动态测量来实现,大部分设备研制厂商更关注动态测量的效果[1]。

静态测量:室外场测量系统主要包括发射与接收设备、目标支架与转台、定标体、数据采集与记录、控制系统等。

动态测量:与静态测量相比,利用目标处于动态(飞行)等实际工作状态时,测量获取目标的电磁散射特性数据是最真实、最可信、最有效的,动态测量平台雷达可分布于靶场等测量试验区域,包括地面固定平台和为车载、舰载、机载等移动平台。

2 目标特性测量平台设计

在目标特性测量方面,国内相关单位已研制并装备频率覆盖多个波段、多种型号的目标特性测量雷达,满足动态目标特性测量的需求。但外场测量设备功能及数量有限,难以满足多平台、全频段、双站散射、多极化的测量需求。当前目标各种特征信息分析已经取得了很大的成绩,同时如何获取更为全面、精细的目标多维特征愈显重要,需要一种综合平台,实时完成目标特性信息的采集、处理、结果输出、存储及比对。

2.1 信息采集系统(雷达)

一般来说,由于发射波形、接收线性动态范围、变极化、幅度与相位标定等要求不同,特征测量与精密跟踪互相矛盾,对于一部雷达其功能只能进行设计侧重。采用模块化、集成化雷达设计思想,建立通用系统平台,其频段、波形、极化通道等模块化设计选择配装,后端数字接收、信号处理、数据处理平台公用,这样可以用一个平台完成多部雷达功能。

2.2 信息采集系统(标校)

测量平台作为标尺,其本身的精度与稳定性要求非常高,因此需要完备的标校系统来校正设备,主要完成测量平台雷达距离、角度零位标定;进行雷达发射、接收、跟踪通道的检查及配合校准等;完成雷达测量通道的一致性检查校准;数据录取、存储、导入导出功能无线指挥控制系统。

2.3 综合数据处理系统(数据库)

构建海量数据存储中心、高性能计算网络、千兆以太网络。主要完成数据的存储、传输、合分析与处理,完成处理结果的保存、显示等。重点关注以下方面:数据处理中心硬件平台、雷达目标特性数据处理软件包、对外网络接口,可进行实时处理,亦可开展事后分析。

3 结束语

对目标电磁特性认识的需求引领了测量平台的发展需求,不断提高目标电磁散射特性测量系统的性能与指标是主要发展方向。主要表现为三个方面:目标特性分析研究的发展动态和未来趋势的判断、关注目标多维特征的采集及数据处理平台建设、发展多功能目标特征分析系统。

具体的技术手段上来讲,目标特性测量雷达平台建设关注点集中在以下方面:

誗提高测量精度

誗拓展目标特性测量频段(毫米波和太赫兹测量技术)

誗提升测试效率,研究快速高效测量技术与手段

誗开展全极化测量研究

誗增强目标特性测量雷达的功能与性能(远距离、多功能、反隐身测量要求)

誗发展强大的数据处理能力(通信、存储、计算、共享)

本文针对多维度目标性提取要求及靶场等特殊场合的应用需求,设计一种多功能的目标特性测量系统平台,通过平台录取、测量、综合处理目标的特性数据,完成对目标的精细认识。已经应用于某靶场,完成对多型号飞机的动态测量,在隐身等特性设计方面提供了宝贵的数据支撑。

摘要：随着对目标精细认识的需求和技术发展,对作为其参数测量的雷达平台提出了更高要求。当前目标各种特征信息分析已经取得了很大的成绩,同时如何获取更为全面、精细的目标多维特征愈显重要,需要一种综合平台,实时完成目标特性信息的采集及处理。本文将雷达技术与目标特性分析需求结合,从目标特性多维特征信息采集、综合数据分析及共享数据库的角度阐述一种集约型多功能雷达目标特性分析系统平台建设构想。

关键词：雷达,目标特性,系统设计

参考文献

雷达组合式教学平台的研究与开发篇3

随着电子信息技术的不断发展,越来越多的新型雷达在国防现代化中得到了广泛的应用。同时,雷达技术和体制的不断升级,提高了对雷达专业操作和维修人员的要求。因此,需要培养专业素养高、实践能力强、能够适应新时期军事变革的雷达人才。然而,雷达作为大型复杂电子装备,在教学中的配备偏少,而当前雷达教学的培训任务重,学生数量多,使得雷达教学装备缺乏的问题日益突出。因此,开发雷达组合式教学平台,配合雷达装备进行教学,能够有效缓解装备少,学生多的矛盾,一定程度上增加学生的实践动手时间,提高教学效果[1,2,3]。

1 组合式教学平台的整体构架

本文以某型雷达组合式教学平台中天线收发单元(共有三个单元,每个单元功能虽有不同,但是设计原理基本一致)的设计为例,阐述了该雷达组合式教学平台的整体设计构架[4,5,6]。

1.1 硬件结构

天线收发单元组合式检测维修平台由计算机控制组合、微波等效负载、高压开关线、68芯电缆测试面板、键盘、鼠标等组成,组合框图如图1所示。

天线收发单元组合式检测维修平台具有主要控制组合功能的电路板包括主控计算机板、时序检查板和DGC接口板[7,8]。天线收发单元组合式教学平台的控制核心是一块高性能PC104嵌入式计算机主板,由专用的AC-DC电源供电,通过ISA总线和双端口存储器接口总线对主控计算机板、时序检查板和DGC接口板等三块功能电路板进行状态控制和检测数据交换,通过在基于Windows操作系统下的可视化编程软件技术,实现天线收发单元检测点信号的采集控制和工作参数及状态的显示,同时负责采集下一个单元的自检结果信息。

1.2 实现功能

主控计算机板选取具有开放式总线结构的嵌入式计算机PC104[9,10]作为核心处理部件,采用Windows操作系统。在主机上运行主控软件,在子机进行实时数据交换,完成对天线收发单元的实时控制,同时负责人机界面的交互和显示。

时序检查板通过单片机和双端口存储器完成与上位机的数据交换,主要功能包括:产生15 MHz时钟信号并对其进行滤波和驱动放大,同时产生组合所需的其他时序信号;通过单片机和A/D转换器,对本组合输出电源进行实时检测,当输出电源偏离标准值±10%时,显示电源故障;负责天线收发单元高低角电压转换;负责本组合和单元的电源管理,可根据主控软件的指示给出200 V加电信号。

DGC接口板通过单片机和双端口存储器完成与上位机的数据交换,主要功能包括:利用15 MHz时钟信号,分频产生脉冲重复频率PRF、58 k Hz同步时钟;产生控制状态,包括调频编码、量程控制、目标特性、俯仰控制、高压控制、高压复位等信号;产生DGC接收机增益控制曲线;将俯仰控制机构高低角传感器信号和200 V开机信号转送到时序检查板;检测天线收发单元的预热通、开高压、TWT(发射通)、方位左、方位右等工作状态信号以及高压、低压、频源(频综电源)、频综、收源(接收电源)、中频Σ、中频Δ、相参Σ、相参Δ、校幅、调相、调幅、俯仰角、PRF重复频率等自检状态信号。

1.3 设计软件

采用Win XPE嵌入式操作系统,通过目标设计器和分析器、组件设计器、组件数据库管理器等Win XPE开发工具,自主完成Win XPE系统的定制开发。开发后的系统具有系统内核小、占用系统资源少、启动速度快、增强写保护等Win XP系统所不具备的功能,同时具备XP Professional的所有功能及对应用软件的兼容性。

2 性能测试结果

某型雷达组合式教学平台完成后,本文对电源和信号功能模块进行了性能测试,电源功能模块的测试结果见表1,信号功能模块的测试结果见表2。

由表1和表2可以看出,某型雷达组合式教学平台的电源和信号功能模块各项性能指标测试结果均符合要求,得到了十分满意的测试效果。

3 平台的特色与创新点

某型雷达组合式教学平台主要是利用独立的雷达单元单独工作完成对雷达的检测与维修,在检测模式、系统功能、软硬件设计等方面都采用了新的理念和技术,具体体现在以下几个方面:

(1)采用了主从控制模式、多微机共总线分布式控制技术、直接数字合成DDS技术、信号发生器和数字衰减器模拟技术,提高了信号精度,通过综合电源控制技术并利用FPGA、CPLD、DDS、DSP、ETX和PC104等先进器件,从而有效地减小了印制板的数量和体积;

(2)采用Win XPE嵌入式操作系统,具有系统内核小、占用系统资源少、启动速度快、增强写保护等桌面XP系统所不具备的功能,同时具备XP Professional的所有功能及应用软件的兼容性;

(3)采用数字式键盘控制各种信号,调节参数精度高、速度快;

(4)采用VH、C51、PLM51和汇编语言混合编程,模块化设计,降低了程序的长度和运行时间,提高了反应速度,信号控制随时可以通过修改程序进行更改和维护,并具备良好的扩展性。

(5)采用同轴电缆传输高频信号,有效地避免了信号失真和电磁干扰。

4 结语

雷达作为大型复杂电子装备,在教学中的配备偏少,难以解决当前雷达教学任务中的培训任务重、学生数量多等日益突出的问题。本文提出的某型雷达组合式教学平台,首先可以脱离整机进行操作训练和检测维修,大幅提升了装备使用效率,创新了教学模式,为教学改革奠定了良好的基础;其次,平台使用了高性能的数字电路和高效的软件技术实现对雷达整机所有技术性能的检测,省去了大量的专用检测设备,节约了人力和资源;最后,平台建立了某型雷达完整的数学模型,能够完全模拟该型雷达工作体制,检测项目覆盖了三大单元,故障定位准确。通过某型雷达组合式教学平台在教学中的应用展示,证明了其合理性和实用性,为教学改革奠定了良好的基础。

摘要：当前大型电子装备教学中,学生数量多,使得雷达教学装备缺乏的问题日益突出。针对以上问题,首先以某型雷达组合式教学平台其中一个单元的设计与开发为例,阐述了雷达组合式教学平台的整体构架、硬件结构的搭建、软件设计理念;然后对完成后教学平台的电源模块以及信号模块的功能进行了测试;最后展示了某型雷达组合式教学平台在教学中的应用效果,证明该平台可以大幅提升装备使用效率,为教学改革奠定了良好的基础。

关键词：雷达,组合式教学平台,教学改革,使用效率

参考文献

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[9] 王少力，吕超.嵌入式计算机模块PC104在工程中的应用[J].光电技术应用，2003，18（5）：30-32.

雷达稳定平台篇4

按照电路实现形式来区分,目标模拟可分为3类:全模拟实现,全数字实现,数模结合实现[3]。全模拟实现信号易受干扰,调试困难;全数字实现存储量巨大,存在量化误差。所以,数模结合成为模拟目标的主流电路实现形式[4]。

目标模拟根据模拟的信号节点来区分,可以分为:辐射式与注入式。两者最根本的区别在于,前者经过天线发射,而后者不经过天线,直接将包含目标信息的信号灌回接收系统。注入式模拟信号只受到内部热噪声影响,信号可重现性良好,所以大部分信号模拟都采用注入方式。注入式目标模拟又可分为目标基带信号模拟,中频视频信号模拟,高频信号模拟等。

文中介绍的方案由DSP根据点迹信息计算控制量,FPGA产生目标基带信号,利用雷达原有结构调制发射信号。整个方案可以总结为“分立结构+数模结合+基带信号模拟”。

1 模拟目标的实现

1.1 总体结构

图1所示为某雷达的结构示意图,其中虚线框是为实现模拟功能增加的部件,去掉这些部件即是一不包含模拟功能的常见PD雷达结构示意图。点划线框是为了实现模拟目标功能需要进行控制的部件。

正常工作时,工作模式转换开关打到发射机端,多普勒调制开关短路,120 MHz信号未经多普勒调制,上变频后脉冲调制,进入发射机。接收回波时,高频信号经接收机放大,下变频,由信号处理机检测出目标信息,送数据处理机,进行滤波、预测、跟踪。

模拟工作时,工作模式转换开关打到接收机端,信号不经过发射机直接注入和差网络的一端,信号通过和差网格形成幅度几乎相等的和差两路信号送接收机。DSP计算目标信息,并根据目标信息得出各模拟部件的控制量,由FPGA输出。对原来输出到脉冲调制器的调幅信号和0/π编码调相信号延时输出,延时多少根据目标距离信息决定。多普勒调制开关断开,120 MHz信号包含可编程的多普勒信息,上变频到发射频率后交由接收机处理。雷达采用S曲线法测角,因此通过控制和,差增益以及数控移相器来模拟角度信息。

1.2 信号描述

1.2.1 总站同步信号

图1中信号(1)为脉冲积累周期信号,信号(2)为脉冲重复周期信号的调幅信号,信号(3)为编码调相信号,三者时序,如图2所示。脉冲积累周期由N个脉冲重复周期和准备时间构成。编码调相信号与脉冲重复周期信号的调幅信号同步,信号(6)与信号(10)是信号(2)与信号(3)的输出信号,用于调制发射波形。正常工作时,信号(6)与信号(10)转自信号(2)与信号(3),模拟工作时数据处理机将这两个信号根据目标距离延时后输出。

1.2.2 模式切换信号

图1中信号(4)为雷达工作模式切换开关,用于控制经过脉冲调制的高频信号的走向。正常工作时信号输出到发射机,模拟工作时信号直接输出到和差网络形成内回路。信号(5)为120 MHz开关,来选择是否加入速度多普勒信息。模拟时开关打开,将多普勒速度调制到120 MHz上。

1.2.3 模拟目标的实现

一个模拟目标的参数包括延时(距离),多普勒频率(速度),和差两路信号幅度比(角度),以及和路信号幅度(雷达截面积)。

信号(6)为延时信号,用于模拟目标距离。根据目标距离信息,将总站脉冲重复信号延时后输出,延时为

t=2r/c (1)

其中r为模拟目标的距离,将光速c代入式(1)得

t=r/150 (2)

延时t的单位为μs。同时延时的还有图1中信号(10),信号(10)是将总站编码调制信号延时后的信号,在时序上与信号(6)对齐。信号(6)与信号(10)构成了脉冲调制器的输入,这两个信号将调制载波,输出到和差网络。信号(6),信号(10)输出波形及时序,如图3所示。

图1中信号(7)为多普勒调制信号,用于模拟速度。该信号为一模拟信号,输入到多普勒调制模块。多普勒调制模块包含一个电调移相器,将120 MHz连续波按输入信号控制移相后输出,输入信号从0 V开始,0 V移0相位,输入12 V移2 π相位,最终将多普勒频率调制到了120 MHz上。特定速度的递增电压值为

p=6△ψ/π (3)

其中△ψ为在相邻两个脉冲间隔内,即一个脉冲重复周期Tr内由于速度产生的相位变化,其大小为

ψ=2πvTr/λ (4)

其中λ为波长。速度与多普勒频率关系为

v=0.5fdλ (5)

其中fd为多普勒频率。将式(5)代入式(4)得

ψ=πfdTr (6)

将式(6)代入式(3)可得

p=6fdTr (7)

根据式(7)计算出的信号(7),FPGA根据信号(7)进行数模转换,将数字转换为模拟信号。其波形及时序见图3,图中为了清晰起见,只描绘了短码情形。信号(8),信号(9)与信号(12)分别控制和差通道信号幅度与差路相位来实现角度模拟。雷达采用S曲线测角,正常工作时,这3个控制量固定。模拟目标工作方式下,输入到接收机的和差两路信号幅度相等。此时,控制差路信号增益,产生不同的和差通道幅度比,来模拟波束内的相对角度。控制差路相位,来模拟目标相对于波束中心的左右偏极性。对于频扫雷达而言每个频点都对应了一个中心角和一条S曲线,要模拟某个角度,首先找到覆盖该角度的频点,然后查S曲线,得出差和增益比为

$\frac{G_{△}}{G_{} \sum} = S_{c} (θ - θ_{c}) (8)$

其中θ为欲模拟角度,θc为查得频点的中心角,Sc为该频点的S曲线,对于负比值(左偏)的目标还要控制移相器进行180°的移相来实现。两路增益具体值的选择有两个原则:一是保证和差两路信号不饱和;二是和增益要固定。前者能保证进入信号处理机的信号不失真,后者保证进入信号处理机用于检测雷达截面积的信号幅度只受信号(11)控制,这样在需要模拟目标等效截面积时只需要控制信号(11)即可。

信号(11)为激励幅度控制,该信号用于模拟目标的雷达截面积。考虑施威林起伏,由文献[5]知,4种起伏模型是由两种脉间相关性与两种概率密度函数两两组合而成,两种相关性即快变化与慢变化的模拟可以由激励衰减器控制字的快慢变化来实现,此处给出雷达截面积两种随机分布的实现。

Ⅰ、Ⅱ类施威林模型的截面积服从参数为σ指数分布,σ是不起伏的雷达截面积,根据文献[6],可得其雷达截面积为

σ1=F $_{1}^{- 1}$ (u)=-σln(u) (9)

其中,F $_{1}^{- 1}$ 为指数分布的分布函数的反函数,u是0到1上的均匀分布随机变量,可以用混合同余法获得其随机序列[6]。

Ⅲ、Ⅳ类施威林模型服从参数m=2,β=σ/2的爱尔朗分布,根据文献[6],可得其雷达截面积为

σ2=-σ/2ln(u1·u2) (10)

u1与u2分别服从0到1上的均匀分布,且相互独立。

根据文献[5],雷达回波信号幅度可写为

$A = \sqrt{\frac{σ}{(4 π)^{3} r^{4}}} λ (θ_{c}) G (θ_{c}) (11)$

改写为

$A = \sqrt{Κ_{i} σ} / r^{2} (12)$

Ki为第i个频点照射时的雷达模拟常数,可以通过试验获得。具体方法为:在一定距离处模拟目标,设置激励衰减控制字产生可控的和通道幅度,从信号处理机获得雷达截面积,再反推出雷达模拟常数。有了雷达模拟常数,根据式(12)就可以计算出带有起伏的和路信号幅度。

2 结束语

运用上节结果,在某雷达平台上实现了模拟目标航迹,下图为雷达处于模拟工作下的显控截图。

文中针对具体雷达系统,提出了以“分立结构+数模结合+基带信号模拟”为特点的雷达目标模拟方案。该方案利用了原有雷达系统硬件结构,将各独立部件耦合到原有雷达系统构件中去。实际证明,该方案能较好的实现模拟目标功能,节约了综合成本,增加了雷达系统检测的手段。

摘要：雷达目标模拟是设计雷达、检验系统、训练操作手的有效手段。文中以某型号PD体制频扫雷达的数据处理机开发为背景,介绍了一种利用雷达系统自身结构来实现目标模拟功能的方法,该方法增加了雷达的功能、降低了成本、丰富了雷达检测手段。

关键词：PD雷达,多普勒频率,模拟器

参考文献

[1]刘海波,曾大治,龙腾.基于FPGA的宽带雷达信号模拟系统设计[J].现代雷达,2006,28(6):69-72.

[2]梁志恒,潘明海.自主式宽带PD雷达目标回波模拟方法[J].测控技术,2007,26(2):17-18.

[3]邓云,张骅,许家栋.机载脉冲多普勒雷达回波信号模拟[J].系统仿真学报,2006,18(9):2612-2615.

[4]朱灿焰,龙腾,何佩琨,等.雷达中频视频信号模拟的一种实现方法及研究[J].系统工程与电子技术,1999,21(11):34-37.

[5]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社,2002.

某雷达数字化调平平台建模及算法篇5

关键词：数字化调平,横倾,纵倾,横滚,旋转

陆基雷达工作时,其工作平台通常需要手动或电动调水平,以保证雷达波束扫描时其高低指向不随方位扫描方向的变化而变化,使雷达探测空域在各个方位的方向上保持一致。但手动或电动调水平不仅会增加雷达的生产成本,而且增加了雷达架设和撤收的动作和时间。特别是对于有些特殊载车底盘雷达来说,如履带式装甲车和轮式装甲车,由于载车上没有安装调平支撑机构的合适地方,无法安装雷达调平支撑机构;同时载车底盘又非常重,因此要对载车进行调平较困难。

提出一种新型雷达数字平台调平装置及调平方法。该调平装置不直接调整雷达工作平台,而是利用姿态角传感系统上报到终端计算机的数据,通过坐标变换建立雷达数字平台,然后调整天线横轴姿态,通过这种调平方法实现雷达调平。新型雷达数字平台调平装置及调平方法克服了现有的雷达调平的不足,具有调平精度高、稳定性好、调平范围大、不受地理位置限制和雷达载车底盘限制、通用性强、可靠性高、操作简单等优点。

1 建立数学模型

图1为雷达数字平台调平方法数学模型图。雷达数字平台调平方法是利用姿态角传感系统得到当前车体的横倾角α、纵倾角β以及姿态角传感系统纵倾基准轴与北向的夹角γ,通过天线驱动控制系统得到天线方位码盘值λ,通过数据计算出方位码盘0位的方位角δ和方位码盘0位的倾角Ψ,形成初始标定参数。雷达工作时,当雷达需工作在方位角A、俯仰角E时,终端计算机依据初始标定参数计算出雷达工作时的天线方位码盘值A1、天线俯仰码盘值E1和使天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行的横滚角η,建立雷达数字平台,将A1、E1发送到天线驱动控制系统,天线驱动控制系统驱动天线方位、俯仰到指定位置,然后将横滚角η发送到天线调平机构,天线调平机构驱动天线到指定的横滚角η位置,从而实现雷达工作在指定的方位角A和俯仰角E上,同时也保证了天线阵面直角坐标系中X轴与水平面平行,从而使雷达波束在各个方位扫描方向上的高低角保持不变,实现了对雷达调平功能。

由图1可以看出,数学模型复杂,必须进行分解,使复杂问题简单化。总结以上图形特征,可将整个数学模型分解为以下几种简单模型进行分析。

1.1 数学模型1

在已知横倾a、纵倾b及一条直线L与纵倾的夹角为c时,求解直线L的倾角d。如图2所示,矩形OABC共面,设为Σ,OMPQ为水平面Π,CQ⊥Π,AM⊥Π,BP⊥Π,CH//PQ,OA⊥OC。∠AOM=∠BCH=b,∠COQ=a,∠AOB=c,∠BOP=d,则

1.2 数学模型2

已知直线L的倾角为a,直线M的倾角为b,直线L与M的夹角为c∈[0,π],求解L与M在水平面投影的夹角d。如图3所示,∠AOC=a,∠BOD=b,∠AOB=a,∠COD=d,则

$d = \arccos (\frac{c o s c - s i n a \cdot s i n b}{c o s a \cdot c o s b}) (2)$

1.3 数学模型3

已知横倾角为a,纵倾角为b,求纵倾轴绕横倾轴旋转到水平面的旋转角d。如图4所示,∠COD=a,∠AOE=b,∠AOB=d,则

$d = \arcsin (\frac{s i n b}{c o s a}) (3)$

同理,可得横倾轴绕纵倾轴旋转到水平面的旋转角

1.4 三维坐标旋转公式

在O-XYZ坐标系中,绕OX旋转α,再绕OY轴旋转β,最后绕OZ轴旋转γ后的坐标旋转公式[1]如下

$\begin{array}{l} [\begin{array}{l} x^{'} \\ y^{'} \\ z^{'} \end{array}] = [\begin{matrix} \cos γ & \sin γ & 0 \\ - \sin γ & \cos γ & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} \cos β & 0 & - \sin β \\ 0 & 1 & 0 \\ \sin β & 0 & \cos β \end{matrix}] \\ [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos α & \sin α \\ 0 & - \sin α & \cos α \end{matrix}] [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \end{array}] (5) \end{array}$

2 方位标定

雷达工作的首要任务是进行标定,即标定方位码盘零位与正北的夹角。设寻北仪的纵倾基准轴在水平面上的投影与北向的夹角为寻北角,设方位码盘零位时,纵倾基准轴与码盘零位的夹角为ε。当方位码盘值为λ时进行寻北,得到横倾角为α,纵倾角为β和寻北角γ。此时纵倾基准轴与码盘零位的夹角为ε+λ,设μ=-(ε+λ)。

依据式(1)可得到此时码盘零位的倾角

Ψ=arcsin(sinμ·sinα+cosμ·sinβ) (6)

令码盘零位所在直线为L,其倾角为Ψ,纵倾基准轴直线为M,其倾角β,L与M的夹角为μ,根据式(2)可得L与M在水平面投影的夹角为 $σ = \arccos (\frac{\cos μ - \sin Ψ \cdot \sin β}{\cos Ψ \cdot \cos β})$ ,而M在水平面的投影与正北向的夹角即为寻北角γ,则L的投影与正北身的夹角即为δ=γ-σ。标定值要记录5个参数α,β,δ,λ,Ψ。

3 方位、俯仰码盘值转换为方位角、俯仰角

3.1 方位码盘值对方位角的影响

当方位码盘旋转到φ角度时,方位码盘值所对应直线北的夹角为Γ。

φ为方位码盘值所对应直线N与方位码盘零位的夹角,寻北时纵倾基准轴与方位码盘零位的为夹角ε+λ,则N纵倾基准轴与的夹角为ρ=φ-λ-ε=φ+μ,设N的倾角为χ,根据式(1)可得χ=arcsin(sinρ·sinα+cosρ·sinβ)。

根据式(2)可得N与码盘零位所在直线L的在水平面投影的夹角为 $ω = \arccos (\frac{\cos φ - \sin χ \cdot \sin Ψ}{\cos χ \cdot \cos Ψ})$ ,进而可得Γ=ω+δ。

3.2 俯仰码盘的高低角和对方位角的影响

天线绕俯仰轴旋转θ时,求天线阵面法线的高低角和方位角误差。

由于俯仰旋转轴与方位码盘值所对应直线垂直,因此以俯仰旋转轴为X轴,以码盘所对应直线为Y轴建立右手坐标系。

俯仰旋转轴与寻北时纵倾基准轴的夹角为ρ+π/2。根据式(1)可得俯仰旋转轴在水平面上的倾角κ=arcsin(cosρ·sinα-sinρ·sinβ)。

接下来的求解可用坐标变换解决,设天线绕俯仰旋转轴旋转θ时,在天线阵面法线上取点P(0,1,0),经过一系列的坐标旋转将X-Y-Z旋转到水平坐标系,并且要求旋转后的水平坐标系的Y2轴须与Y轴在水平面的投影重合。坐标旋转过程如下:

先绕X轴旋转-θ后得到X1(X)-Y1-Z1坐标系,再绕Y1轴旋转θ′后得到X2-Y2(Y1)-Z2坐标系,根据式(2)和式 $(3), θ^{'} = \arcsin (\frac{\sin κ}{\cos χ})$ ,此时X2已经与水平面平行,最后,绕X2轴旋转-χ得到X3(X2)-Y3-Z3坐标系,根据式(4),在X3(X2)-Y3-Z3坐标系中点P′的坐标为

(-sinθ′·sinθ,cosχ·cosθ-sinχ·cosθ′·sinθ,sinχ·cosθ+cosχ·cosθ′sinθ),从而可以计算P′点在水平面的高低角和方位角误差。

方位角误差 $Δ = \arcsin (\frac{x}{\sqrt{x^{2} + y^{2}}});$

其中,x=-sinθ′·sinθ;y=cosχ·cosθ-sinχ·cosθ′·sinθ。高低角为∏=arcsin(sinχ·cosθ+cosχ·cosθ′sinθ)。

上式经过等价变换,可求得为使天线转动到俯仰角为Π时,俯仰码盘值为 $θ = \arcsin (\frac{\sin \prod}{c}) - m$ 。

其中,a=sinχ;b=cosχ·cosθ′; $c = \sqrt{a^{2} + b^{2}}$ ; $m = \arcsin (\frac{a}{c})$ 。

3.3 天线阵面的方位角和高低角

结合上文可得到,当方位码盘值为A1,俯仰码盘值E1时,天线阵面的方位角A和俯仰角E分别为A=Γ+Δ;E=∏。

4 使天线旋转到指定位置且调平

4.1 计算方位与俯仰码盘值

为使天线的方位角为Λ,俯仰角为Π,求得方位码盘值φ和俯仰码盘值θ。

当方位码盘值为φ时,设ρ=φ-λ-ε,根据式(1),φ对应直线的倾角为χ=arcsin(sinρ·sinα+cosρ·sinβ)。俯仰旋转轴的倾角为κ=arcsin(cosρ·sinα-sinρ·sinβ)。

根据式(2),此时方位码盘值φ所在直线在水平面投影与正北向的夹角为 $Γ = δ + \arccos (\frac{\cos φ - \sin χ \cdot \sin Ψ}{\cos χ \cdot \cos Ψ})$ ;其中,δ为方位码盘零位的方位角;Ψ为方位码盘零位所在直线的倾角。

为使俯仰角为Π,则俯仰码盘值为 $θ = \arcsin (\frac{\sin \prod}{c}) - m$ ;其中, $a = \sin χ, b = \cos χ \cdot \cos θ^{'}, θ^{'} = \arcsin (\frac{\sin κ}{\cos χ}), c = \sqrt{a^{2} + b^{2}}, m = \arcsin (\frac{a}{c})$ 。

从而又引起方位角误差 $Δ = \arcsin (\frac{x}{\sqrt{x^{2} + y^{2}}})$ ;其中, $x = - \sin θ^{'} \cdot \sin θ, y = \cos χ \cdot \cos θ - \sin χ \cdot \cos θ^{'} \cdot \sin θ, θ^{'} = \arcsin (\frac{\sin κ}{\cos χ})$ 。而Λ=Γ+Δ,联合以上方程即可求得φ和θ。

求解该方程很复杂,为了在计算机中应用,可采用迭代法,迭代过程如下:当方位码盘值φ时,可得到Γ,当俯仰角为Π时,可求解到θ和Δ,令 $\hat{A} = Γ + Δ$ ,当 $\hat{A}$ 与Λ的误差小于一定精度时,即得到φ和θ。

4.2 计算横滚角,实现调平

计算横滚角的问题相当于计算以俯仰转动轴所在直线的倾角κ为横倾角时,以天线高低角Π为纵倾角时,横倾轴绕纵倾轴旋转到水平面的旋转角η。根据式(4)可得 $η = \arcsin (\frac{\sin κ}{\cos \prod})$ 。

5 结束语

算法化简了问题的复杂性,使得复杂的坐标变换问题,变为几个简单的立体几何问题,且有利于计算机编程实现,现成功应用于某相控阵雷达。

参考文献

[1]同济大学大地测量教研室,武汉测绘科技大学控制测量教研室.控制测量学:下册[M].北京:测绘出版社,1995.

[2]彭雪梅,张军.微波着陆系统信号的模拟与应用[J].电子科技,2010,23(2):53-55.

[3]许杰田,张猛,李杰,等.基于矢量有限元法的微波谐振腔高频特性研究[J].电子科技,2010,23(10):63-65.

雷达稳定平台篇6

近年来,随着集成电路技术的飞速发展, 现代雷达系统的需求也不断地增长,对雷达信号处理器的处理能力、存储能力、可扩展性、软件开发以及数据传输与互联能力等各个方面都提出更高要求。超高处理能力、突出的数据交互能力、良好的通用性和可扩展性已成为现代雷达信号处理机的特点。以往以多片DSP系统来实现信号处理功能已远远不能满足要求。本文介绍的信号处理机根据“通用化、系列化、标准化”的要求,采用新一代高性能G4芯片MPC7448和VPX总线构建硬件平台。该平台具有灵活的处理结构,对不同结构的算法都有较强的适应能力,特别适合雷达实时信号处理任务。

1 系统需求分析

信号处理机是雷达系统的核心部件之一。传统雷达系统的功能主要是从雷达回波信号中滤除各种干扰信号并从中发现目标, 根据发现的目标提取其运动参数等目标信息, 因此信号处理的主要任务是对杂波干扰的处理和对目标的检测。而现代雷达信号处理机除了具备以上核心处理功能外,一般还具有以下特点:

1)具备对外的数据接口和控制接口;

2)具有实时故障检测能力;

3)具有性能测试功能;

4)具有数据存储和数据记录功能。

在设计过程中,现代地面雷达信号处理机还需贯彻小型化的设计思路,做到设备量少、体积小、重量轻,以适应现代战争需要。

2 方案设计与实现

基于信号处理机的需求以及近年来芯片技术的迅猛发展,本文设计了一种以4G4处理模块为硬件平台的雷达信号处理机。该平台是基于多CPU的交换互连型数字信号处理模块。与传统的DSP型模块相比, CPU型数字信号处理模块采用高性能交换互连芯片设计,可运行VxWorks实时操作系统,从而大幅提高软件开发的效率。

2.1 模块介绍

4G4处理模块由四片CPU芯片MPC7448和一片Xilinx XC5V110T组成,接口符合VPX总线规范,提供了较高的数据带宽和较强的处理性能,适用于雷达、声纳、信号处理等军事防御、航空系统。该模块结构见图 1。

该模块具有以下技术特性:

1) 四片处理核心 MPC7448THX1267ND,工作主频为1 GHz;

2) 四片MV64460 桥片实现外部接口;

3) 每片CPU 独立拥有DDR 内存512 MB;

4) 四片CPU之间有四组超高速 PCI-X总线;

5) 提供14路RocketIO可配置高速串行接口,每路传输速率可达2.5 Gbps;

6) 提供千兆以太网口两个,前面板一个,后出线一个;

7) 提供串口两个,前面板一个,后出线一个;

8) 提供16个GPIO,8个一组可控I/O;

9) 配置128 MByte Flash,支持 VME总线读写;

10) 支持VME Master/Slave 方式;

11) 电源输入:+5 V;

12) 功耗:峰值小于80 W。

MPC7448属于主处理器,对于外围接口须通过主桥芯片支持。本设计中采用MARVELL公司的MV64460,该桥片支持 PCX、DDR、SDRAM、千兆位以太网及闪存,是性价比很高的一款产品。

2.2 软件设计

2.2.1 开发环境

应用软件的开发不仅需要稳定的硬件平台,还需要良好性能的操作系统支持。4G4平台信号处理机选用了VxWorks嵌入式实时操作系统[1]进行开发设计,该操作系统具有优越的实时性、良好的持续发展能力、以及友好的用户开发环境;采用WindRiver公司Tornado2.2集成开发环境,该环境支持文件系统功能的嵌入式信号处理平台软件设计,除C/C++语言源程序文件外,还包括码元、脉压系数、窗函数等数据文件。

SPV_4G4处理模块的 BSP 包及函数库的主要功能是为硬件平台提供一种面向操作系统的软件,包括硬件初始化,中断的产生和处理,硬件时钟和计时器管理,本地和总线上存储空间的规划,存储容量管理等功能。SPV_4G4处理模块提供 VxWorks 实时操作系统下的 BSP 包及 API 函数, 支持矢量处理库。4G4处理模块BSP提供的板级支持库函数将数据文件写入板内Flash,应用程序可根据处理需要读取所需数据。

软件开发中,需要计算机一台、串口电缆和网口电缆各一根。如果是多模块系统调试,还需要千兆交换机一台。

2.2.2 内存空间分配

4G4处理模块板载四片PowerPC CPU,每片处理器的本地内存资源为独立拥有的DDR SDRAM 512 MB空间,其中用户保留区为VxWorks操作系统管理不到的一段地址空间,这段空间不存在用户直接使用与操作系统使用相冲突的问题,所以一般程序应只对用户保留区地址空间进行直接操作。用户保留区在系统中被分为两部分,USER_RESERVED_MEM1空间与处理器cache不相关,USER_RESERVED_MEM2空间与处理器cache关联,可以根据应用软件的需求来配置适用的空间大小。输入数据缓存,输出数据缓存,程序处理过程中向量、矩阵等需指定地址空间的数据均可放在USER_RESERVED_MEM2区。输入数据采用大缓存循环存储,输出数据采用乒乓方式缓存。

2.2.3 任务函数程序框架

信号处理任务函数程序框架设计要求不同的工作方式,其处理流程独立。除网络传输任务函数外,采用数据流驱动方式的信号处理软件其他任务函数一般需包含以下几个部分:初始化、等待输入数据、控制表解释、处理数据、处理结果输出。初始化完成RocketIO链路、DMA通道配置,创建必需的信号量、中断使能、连接中断服务程序等。等待输入数据一般采用阻塞式等待,若通信方式采用RocketIO,则需调用相应的BSP函数,若采用网络或DMA方式则一般采用计数信号量实现与任务同步。4G4处理模块的软件流程图见图2。

2.2.4 多任务环境程序设计

在信号处理机的软件设计中,根据以下原则进行多任务程序设计:

1) 按照需要实现功能的并行度划分任务,不宜将一个串行工作的功能人为划分成多个任务,否则会增加上下文切换的开销;

2) 高优先级任务抢占低优先级任务,相同优先级任务按时间片轮循工作,时间片长短用户可以设计;

3) 对于有竞争的资源采取保护措施,例如使用互斥信号量;

4) 做好系统间同步,确保需要的资源已经获取后再进行工作。

以脉压运算为例:

多路脉压运算,运算结果DMA发送到下一片处理器,通过网络接收控制表,根据控制表选通任意一路数据上报。

任务分解:

按照以上描述,根据程序并行运算程度,可以划分为脉压运算并传输数据、启动网络收控制表、上报数据三个任务。具体流程如图3所示。

2.2.5 时间资源分析

根据测试结果, 4G4处理模块单片CPU完成1 024点复数FFT的运算时间为13 μs,比TS201快约20%(TS201用500 MHz主频时,1 024点复数FFT的运算时间为19 μs)。脉冲压缩运算采用频域处理,运算结构是FFT+加窗(复数乘法)+IFFT,FFT的运算时间可以表征脉压的运算时间,可以认为4G4处理模块单片完成脉压的时间比TS201快约20%。由于脉压系数也需存放在外部的DDR SDRAM中,因此还需要计算读到脉压系数的时间,所以实际处理时间会有所增加,采样率为2 MHz的1 024点脉冲压缩可以在100 μs内完成。MTD模式中,单片1 024点FFT通过率可达20 MHz,两路FFT通过率为10 MHz。满足雷达系统实时处理要求。

2.3 工作原理

根据雷达系统需求[2],信号处理机接收来自接收机的两通道数据,每个通道数据首先进行抗干扰处理,该模块主要完成强脉冲干扰剔除和非同步的同频脉冲干扰抑制,处理结果送脉压模块,脉压模块可以根据工作方式完成线性调频或非线性调频信号形式的脉冲压缩,其结果一路送切向目标检测,对原始数据进行处理,这样可以检测出切向飞行的目标;另一路送MTD滤波器,以消除地杂波和气象杂波。恒虚警率(CFAR)处理和杂波图并行处理,目的是抑制杂波和降低虚警。切向目标检测、CFAR、杂波图三路处理结果送目标检测。目标检测模块根据N/M准则,对一次门限处理的点迹进行二进制检测,并提取目标点迹,按约定格式送数据处理分系统。

2.4 工程实现

信号处理机由机箱、VPX背板、4G4处理模块、4G4接口模块等硬件组成。接口模块位于背板后面,用于插箱间的网络、光纤等数据传输。处理模块完成所有的信号处理运算功能。具体的处理功能框图见图4。

在整套设计中,接口模块通过1路光纤异步接收控制表和采样数据的打包数据并传给4G4处理模块,在第一块处理模块中分别完成反异步、抗窄脉冲干扰等预处理、脉冲压缩、MTD、切向检测处理,在第二块处理模块中完成剩余杂波图处理、CFAR和目标合成检测提取、数据处理的工作,每一信号处理功能模块由4G4板的一片处理器实现。4G4处理板板内信号通过DMA传输,板间信号通过背板上的RocketIO传输。

3 与TS201平台的比较

目前,信号处理机可供选择的硬件处理平台主要有以下两种:基于CPCI总线的ADSP-TS201平台和基于VPX总线的PowerPC G4处理平台。

以往信号处理机采用以CPCI为总线、TS201 DSP为处理芯片的硬件平台[3,4],此种设计不支持操作系统;需前插件数据缓存、主处理两个品种的前插件共8块;后插件接口多为LVDS电平信号;整套信号处理机插件、电缆品种和数量繁多,电讯设计复杂。

采用VPX总线的4G4平台信号处理机支持VxWorks操作系统,任务调度方便,编程可拓展性好;设备量大大减少,仅需处理板两块、接口板两块;运算速度大幅提高,并且可以在一块处理板的两片CPU内集成数据处理的全部功能;主要对外接口仅剩下光纤、网络、串口;电讯设计简约,硬件成本缩小,可靠性、可维修性也大幅提高。

两种硬件平台性能比较见表1。

从表中可以看出,基于VPX总线的4G4平台比基于CPCI总线的TS201平台在性能和成本上都有较大优势。

4 结束语

本文所介绍的以4G4为硬件平台的信号处理机,采用当前较为成熟的四片G4处理器MPC7448和 FPGA相结合的系统结构,多片 CPU通过合理的任务分配,高效灵活地实现了雷达信号处理算法。整套雷达信号处理机在设计上满足通用化、小型化的设计要求,可扩展性强,工作稳定性良好,适用于现代雷达中高处理性能的应用。

参考文献

[1]王金刚,宫霄霖,杨锡劢,等.基于VxWorks的嵌入式实时系统设计[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]马晓岩,向家彬,等.雷达信号处理[M].长沙:湖南科学技术出版社,1998.

[4]Analog Devices,Inc.ADSP-TS201S TigerSHARC ProcessorHardware Reference[M].2004.

雷达稳定平台篇7

雷达装备作为承担重要任务的国防武器装备, 其核心及重要部件国产化是大势所趋。服务器平台拥有存储内存大, 计算内核多等优点, 在这种平台下利用成熟的软件设计理念进行雷达软件化设计也变得方便可行。软件化雷达可以通过软件快速开发雷达系统, 并灵活地实现系统资源配置、功能扩展和性能提升, 以满足实际应用需求。本文重点介绍在多核多线程并行处理软件化雷达架构下解模糊模块的工程设计。

脉冲多普勒 (PD) 技术具有良好的杂波抑制性能, 在雷达上尤其在机载雷达上得到了越来越广泛的应用。解模糊技术是PD雷达的关键技术, 采用合理而快速的算法对保证目标的检测概率和降低虚警率都有重要意义。对于中重频PD雷达, 既有距离模糊又有速度模糊问题。下面本文重点阐述解距离模糊和解速度模糊的算法设计。

1 解距离模糊

1.1 基本原理

解距离模糊指雷达用多个重频探测目标, 得到多个探测距离, 在这些模糊距离中通过算法获取一个真实距离。假设有N种重复周期进行距离测量, 它们的距离单元数分别为R1, …, Rn, 目标对应的各个视在距离单元分别为r1, …, rn, 。若测量没有误差, 则目标所在的真实距离单元为:

其中:K1, …, Kn是目标点对应的各重复周期的模糊度, 也称为折叠次数。解距离模糊的过程就是通过公式 (1) 获取真实的距离R。在DSP平台下一般工程上用滑窗相关法求解。算法的基本原理:采用M/N准则进行检测, 对N种不同PRF进行解模糊, 就是将测得的N个模糊距离分别以相应的最大不模糊距离周期延拓, 在某一距离单元上, 这N个距离非常接近, 即集聚程度最高。在此基础上引入滑窗的概念, 用软件实现相关器, 选择一个适当宽度的窗口, 按一定量化刻度移动窗口, 在某一位置, 同时落入窗口内的可能距离数大于等于M, 此时滑窗的位置即目标的真实位置。以3/5准则为例, 基本原理如图1所示。

算法实现是首先建立一个长度为最大距离Rmax对应距离单元的数组A, 并将数组清零, 该数组用于记录周期延拓后有几个重频落在该距离单元。对所有目标的距离单元进行周期延拓, 落到相应位置就将数组内计数加1, 如果在N个重频中相应位置计数大于等于M则取出该距离单元作为解算结果。同时将多重频数据与下一个波位的数据进行滑窗处理。

该算法需对相关数组进行清零和滑窗位操作, 且需要对每个目标进行周期扩延, 当目标数量多, 雷达量程大的情况下计算量较大。为减少计算量, 本文提出一种求余检测法。

1.2 求余检测法

求余检测法采用与滑窗相关法相反的思维方式:将真实距离单元映射到每个重频上, 然后判断该距离单元是否为过门限目标, 如满足M/N的检测准则就输出当前真实距离单元。得益于服务器较大的存储内存, 我们可以将信号处理CFAR的结果完整的传输到后端, 在做解模糊运算时只需要移动指针就可获取某距离单元的信息, 包括过门限标志。求余检测法的步骤:

(a) 将第i个距离单元对折叠距离进行求余计算:

其中, Ri是当前遍历的距离单元, R1是第一个重频对应的折叠距离。获取距离单元号r1。Rn是第N个重频对应的折叠距离。获取距离单元号rn。

(b) 将当前重频数据的初始指针加上r1, 判断对应的幅度是否过门限, 如是过门限数据则将计数加1, 重复 (a) 步骤遍历N个重频。

2 解速度模糊

解速度模糊的原理与距离模糊类似, 假设有N个重频测量速度, 它们的频道数为F1, …, Fn, 频道宽度分别为P1, …, Pn, 目标对应的各视在频道号为f1, …, fn。目标的真实多普勒频移为:

其中, K1, …, Kn, 为目标点对应的各重频的模糊度。多普勒频率与速度可以通过公式相互转换。在解速度模糊之前PD雷达先进行MTD检测, 之后进行CFAR处理, 处理后得到目标点的信息, 其中包括视在距离单元号和频道号, 过门限标志等信息。在解模糊之前先进行频道选大, 中重频率的PD雷达存在距离和速度双重模糊, 解距离模糊完成后记录下速度信息, 程序便转入解速度模糊。本文采取循环扩展最小方差选取法求解真实速度, 其流程图如图2所示。

首先距离解模糊后获取了参与速度解模糊的重频速度信息, 找出最大速度和最小速度求其差的绝对值, 如果它们的差小于误差范围则认为这组速度无模糊或者己解出速度, 其中的值根据实际情况设置, 本工程设置为5m/s;如果两者的差大于, 就将最小速度加上其折叠速度, 然后继续上述过程直到所有速度都在误差范围内则求出这组速度的平均速度和方差。这个过程为正向扩展, 循环扩展速度直到速度到达雷达测量的最大正向速度, 本轮解模糊结束。然后再进行反向扩展, 即将最大速度减去折叠速度, 直到雷达的最大负向速度为止。将两轮解速度模糊中方差最小的那组速度的平均速度作为最终解速度的结果。

3 结束语

本文针对中重频雷达距离解模糊和速度解模糊, 采用了一种新的设计思路, 并在国产化服务器平台上实现。服务器平台较大的运行内存和多核多线程并行处理的程序设计提供了强大的处理能力, 能够满足雷达信号实时处理的应用需求。本文的设计方法改进了传统的解模糊算法, 其中距离解模糊方法只与雷达处理的量程有关而与过门限的目标数量无关, 提高了解算效率。经过实际工程验证, 本文的设计达到了良好的解模糊效果。

摘要：针对PD雷达解模糊, 给出了一种基于国产化服务器平台的解模糊设计方法。在传统解模糊算法的基础上作了一些改进, 提高了算法效率。给出了解模糊模块的软件实现流程图, 实际工程应用验证了算法的可行性。

关键词：脉冲多普勒雷达,解模糊,国产服务器平台

参考文献

[1]曾涛, 龙腾.一种脉冲多普勒雷达解模糊新算法[J].电子学报, 2000.12:443-451.

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[3]雷火明, 林强, 陶雪峰, 黄文韬.一种解模糊算法在地面PD体制雷达中的应用[J].空军雷达学院学报, 2009.8:Vol23, No4.

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