第３２卷第１１期 计算机仿真 ２０１５年１１月 文章编号：１００６—９３４８（２０１５）１１—００５１—０４ 相控阵雷达波束控制器优化设计 张延曹，王 勇，陈灿，王孔华 （空军工程大学防空反导学院，陕西西安７１００５１） 摘要：在雷达控制优化设计的研究中，针对相控阵天线波束要求波束扫面快、灵活的问题，提出了采用可编程控制逻辑门阵 列（ＦＰＧＡ）的数字波束形成技术，难点在于波控码的计算。通过比较采用了查表法，即先把需要的三角函数的值以及系数的 值计算好，放在不同的ＲＡＭ中，通过外部接口接收来自上位机的信号工作频率，方向角以及俯仰角的参数。参数会通过给 定的通信协议，转化为十六进制送进去，相当于查找表中对应的所需数据的地址，在ＲＡＭ中查找到所需的值调用，然后计算 出雷达阵列中的每个雷达的移相码，送到每个移相器中。通过仿真，以及最后的测试表明，改进方法可以快速而准确的计算 出每个天线单元所需的移相码，并能同步的把各个波控码送给对应的移相器上。 关键词：相控阵雷达；波束控制；查表法；可编程控制逻辑门阵列 中图分类号：ＴＮ９５５ 文献标识码：Ｂ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ—ｃａｏ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｃａｎ，ＷＡＮＧ Ｋｏｎｇ—ｈｕａ （Ａｉｒ ａｎｄ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｃｏｌｌａｇｅ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｘｉ’ａｎ，７ １００５ １，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｆａｃｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ ｂｅａｍ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄｌｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｙ，ｗｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｉｉｇｔｌａ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｆｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔａ ａｒｒａｙ，ｗｈｉｃｈ ｄｉｉｆｃｕｌｔｙ ｉｓ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｄｅ．Ｔｈｅ ｌｏｏｋ－ｕｐ ｔａｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔ— ｒｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｅａｌｅｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＲＡＭ．Ｔｈｅｓｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｈｅｘａｄｅｃｉｍａｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｑｕｃａｌ ｔｏ ｔｈｅ ａｄｄｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｅｄｅｄ ｄａｔａ ｉｎ ｌｏｏｋ－ｕｐ ｔａｂｌｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｎｅｅｄｅｄ ｆｒｏｍ ＲＡＭ，ｅａｃｈ ｒａｄａｒ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｃｏｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｒａｙ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｅｎｔ ｔｏ ｅａｃｈ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｔｆｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅａｃｈ ａｎｔｅｎｎａ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｈａｓｅ ｃｏｄｅｒ ｒｅ— ｑｕｉｒｅｄ，ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｔｆｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｄｅ ｔｏ ｅａｃｈ ｃｏｄｅｓｈｉｉｆｅｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ；Ｂｅａｍ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｌｏｏｋ—ｕｐ ｔａｂｌｅ；Ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ ｌ 引言 合。由于相控阵雷达采用电子控阵的扫描方，和机械转动的 上世纪３０年代后期，美国开始了相控阵技术的研究工 传统雷达相比，资料更新率得到了大大的提高，资料更新周 作，并在５０年代中期研究出了两部舰载相控阵雷达。经过 期也由秒或十秒级上升为毫秒或微秒级，在对付高机动目标 几十年的发展，如今相控阵雷达在军事领域中发挥着极其重 时，具有了极大的优势 』。此外，相控阵雷达还可发射窄波 要的作用，甚至有人把它比喻成“千里眼”【ｌ Ｊ。相控阵雷达 束，因而也可充当电子战天线使用，如电磁干扰甚至是构想 又称作相位阵列雷达，是一种通过改变雷达波相位来改变波 中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。和依靠雷达天线 束方向的雷达，因其以电子方式控制波束而非传统的机械转 转动实现扫描的机械雷达相比，相控阵雷达具有很大的优 动天线面方式，故又称电子扫描雷达 Ｊ。相控阵雷达具有相 势 。 当密集的天线阵列，任何一个天线都可收发雷达波。以天线 由于相控阵具有机械雷达不能实现的多样性和灵活性， 单元为单位形成区块，扫描时选定其中一个区块或数个区块 这些优点是通过波束控制系统来实现的，为此要求波束控制 对单一目标或区域进行扫描，使整个雷达具有了可同时对许 计算机能快速准确计算出移相码，并同步把算好的移相码送 多目标或区域进行扫描或追踪的功能，形如多个雷达的集 到对应的移相器上 ｊ。其中难点在于移相码的计算，本文考 虑到分布式计算法计算时间长，影响布相速度，主机集中运 算法成本高，多级混合运算法适用范围小等缺点，最终采用 收稿日期：２０１５—０３—２２修回日期：２０１５—０４—０８ 了直接查表法。最后结果表明，查表法布相时间短，结构简 一５１— 单，集成度高。 ａ４，ｌ＝ Ａ ｄＩｃ咖 （１） （２） ２波控系统原理 ２．１波控系统原理 波控系统主要组成包括波控主机和子阵运算处理模块。 系统组成框图如图１。 ａ４，２： 孕ｄ：。… ＾ 天馈线相位误差补偿：若设第（ｍ，ｎ）个单元相对于第 （１，１）单元通道之间的相位误差为△ ，则 ㈩ ＝鲁 频率捷变后修正：当信号频率有，０变为（，０＋ａｆ）时，修 正波束指向的波控处理器移相码为 ｒａ ：Ａ＠ｄ２ｋｓｉｎ０ｃ。ｓ‘Ｄ ？ ＝ （４） ｓｉｎ ｎ 其他分系统 渡控主机设备 阵面子运算处理模块 考虑上述两误差补偿后，对于第（ｍ，／Ｚ），波控处理器移 相码为 图１波控系统框图 △ △ ＝（ 一１）ａ４，２＋（Ⅳ一１）ａ４，ｌ Ｍ：１，３，５…（５） ＝（ 一１）△（ｂ ＋（Ｎ一１）△ １ Ｍ＝２，４，６・．－（６） ＣＯＳｔ￣ ＝ｓｉｎ／３ｓｉｎｏｔ ＣＯＳＯ／：＝１３０ （７） （８） 主机从上位机接收到发送过来的工作方式命令字，角度 和频率参数等数据 Ｊ，然后通过运算处理模块计算出所需的 初始相位值，最后再计算出阵面中各个阵元对应移相器所需 其中方向余弦： 广血 ．一 的波控码，把波控码按照给定的传送方式送到阵面各单元移 在相控阵雷达运行时，为了达到改变波束指向的目标， ～Ｉ ◆相器进行移相操作，从而达到改变天线波束使其转到要扫描 的位置。 需要按照（１），（２），（５），（６），（７），（８）几个式子，对不同的 ◆ ● 方向角，俯仰角以及频率，计算出波束的移相码。送到移相 ］ 器中。这也是整个波控系统的难点，只有快速而准确的计算 相控阵雷达天线是由大量的辐射器（小天线）组成的阵 列（正方形、三角形等），辐射器少则几百，多则数千，甚至上 万。每个辐射器的后面都接有一个可控移相器，每个移相器 都由电子计算机控制。 如果相控阵天线的坐标如图２所示，以大地球坐标系为 一●出所需的波控码，并送到移相器中，才能保证相控阵雷达的 ◆一●灵活性和多样性。 ●一●如果阵面单元排列如图３所示，那么就会计算出１６个 波控码，分成两个通道，每个通道８个数据，两通道并行送到 图中对应的１６个阵面单元中。 ● ●５ 参考，设定平面阵共有Ｍ Ｎ个天线单元，单元间距分别为 ｄ 和ｄ ， 和ｐ分别对应目标的方位和俯仰角。 ● Ｉ ● ● ● ● （Ｍ＿ｗ ）●一●● ● ● ● ● ● ● ● ● ｌ ● ● ● ● ７ ｂ ・ 图３阵面布置图 ３系统设计 图２相控阵天线的坐标位置 为了可以快速而准确的计算波控码，提出了基于可编程 逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）的波控系统。从以下几部分介绍整个系 统的设计。 ３．１ ＦＰＧＡ芯片选择 ＦＰＧＡ选用Ｘｉｌｉｎｘ公司Ａ７系列产品ＸＣ７Ａ１００Ｔ一 设目标所在方向以方向余弦表示，为（ＣＯＳＯ／ ，ＣＯＳＯ／ ， ＣＯＳＯＬ ），则相邻单元之间的“空间相位差”，沿Ｙ轴和 轴方向 分别为 ２ＣＳＧ３２４Ｉ，该芯片内置２４０个乘法器，２１０个可用ＩＯ口、 １２６８００个触发器和６３４００个ＬＵＴ以及丰富的嵌入式ＲＡＭ， 在软件设计时满足内部参数的存储以及ＦＩＦＯ的使用；运算 时钟可以工作到４６０ＭＨｚ以上以及１５ｒａｍ １５ｍｍ的ＢＧＡ封 装；体积小，功耗低；该器件为工业级，也可扩展至普军级，可 以满足系统环境工作温度要求。 ３．２系统整体方案设计 波控处理器的基本功能是从端机通过ＲＳ４２２串口信号 在ＲＯＭ中，同样通过查表方式计算出 ・ｃ，采用乘法器直 ａ 接求出△咖 的值，通过终端控制器控制命令寻址，选择所对 应的移相码。 从整体方案出发，需要实现以下功能： １）接收外部终端输入的俯仰、方位信息，按指定的波控 算法计算出波控码并分发给指定的移相器，实现预定波束指 接收到终端控制命令后，根据波控算法计算出相对应的移相 码同时读出相位补偿码相加后并分发给移相器，使其偏移到 要求的相位，达到波束改变的目的。 波控器的设计分主要为硬件电路设计、波控算法实现、 幅相校正功能、端机通信功能、极化控制功能、信道频率捷变 控制、Ｔ／Ｒ串行时序以及其它时序控制等，下面介绍其中部 分设计。 ３．２．１通信接口 通信接口电平采用ＴＬＬ，ＦＰＧＡ设计ＩＯ电平为ＬＶｒＩ１’Ｌ， 在实际使用中需要电平转换，选用ＴＩ公司高性能隔离ｂｕｆｆｅｒ —ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５ＤＧＧＲ实现电平转换功能。同时ｂｕｆｆｅｒ的 存在也起到隔离作用，提高产品的可靠性。接口时序严格按 照技术协议要求时序执行。在时序设计中，严格依照ＦＰＧＡ 器件时序约束要求，杜绝时序中出现的竞争和冒险，确保通 信的稳定可靠，确保产品在不同环境下的一致性。 ＴＲ组件接口采用串行通信方式。在本系统中，串行接 口传输距离小于ｌＯｃｍ，无需考虑传输线延时效应。为了提 高ＴＲ组件控制效率，推荐采用２０ＭＨｚ串行时钟。串行时序 在ＦＰＧＡ中产生，ＦＰＧＡ工作时钟为５０ＭＨｚ，可以轻松产生 ２０ＭＨｚ时序。通过ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５ＤＧＧＲ做电平转换， ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５ＤＧＧＲ时序时延典型值为５ｎｓ，２０ＭＨｚ串行 时钟周期为５０ｎｓ，整体时延５ｎｓ不会对时序产生竞争和冒 险。 接插件，时钟，电容等器件在同等条件下均选用国产器 件，确保产品的零部件国产化率。 ３．２．２功能实现 通信功能的实现主要都基于物理层和协议层实现，物理 层通信采用ＲＳ４８５全双工接口芯片实现，设计最高波特率为 １０Ｍｂ，通信速率冗余度远超过系统需要。采用ＩＳＬ８３４９０ＩＢＺ 实现ＲＳ４２２全双工电平转换，硬件电路简单可靠。 波控器采用ＦＰＧＡ实现ＲＳ４２２协议层，包括标准串行通 信协议和系统定义通信协议（具体通信协议见技术协议）。 ＦＰＧＡ实现协议层功能与ＤＳＰ相比优势明显，主要体现在协 议处理速度快，响应时间短，多线程并行处理等几个方面。 这里主要是因为ＤＳＰ与ＦＰＧＡ之间的使用差异有关，这里就 不再具体阐述。 ３．２．３波控算法目标 本系统通过工作频率和波束指向角度计算出移相器的 移相码，所需移相码与频率、波束指向角度、单元位置的关系 等参数有关， 计算移相码采用通过查表方式提前计算好ｓｉｎ０，并存储 向的发射和接收； ２）具有电源分配、供电控制功能； ３）波控器和ＴＲ所需电源由外部提供，具有过流保护和 电源滤波、噪声隔离等措施； ４）波控器模块设计考虑电磁兼容性，具备相应的电磁兼 容措施； ５）满足工作环境要求，包括环境试验等要求； ３．２．４波束预置与幅相校正 波束预置与幅相校正是两个连续工作模式，首先波控器 根据天线指向参数实施计算出每个阵元的基准相位，通过基 准相位计算出每个阵元的波控码。得到波控码后，波控器按 照时序要求将波控码发送给每个ＴＲ组件。 ４算法ＦＰＧＡ实现 ４．１软件程序算法流程 以ＦＰＧＡ为核心的组件控制器模块主要流程为电路板 上电时，对各寄存器的初始状态清零，同时通过同步串行口 接收控制指令；判断接收到的指令是否为工作指令，“是”则 根据控制指令进行状态机管理、对存储器进行操作，同时根 据外部定时器信号对组件内移相进行正确的控制，“否”则继 续接收控制指令。 １一 计算时，进行分块计算，把ｓｉ ，ｓｉｎｃ￣，ｃｏ ，等分别做成 ａ ，Ｐ核进行调用，然后在ＦＰＧＡ里进行乘除和加减。 和 都由 一定的范围，ｄ。和ｄ 都取同一个值７ｍｍ，表示为相邻单元之 间的间距，Ａ用÷代替，其中ｃ是光速 就是频率，Ｍ是单元 Ｊ 沿 一轴方向的单元总数，Ⅳ是单元沿Ｙ一轴方向的的单元总 数，阵列放置在ｘｏｙ平面上。 ，＇一 在计算时需要把ｓｉ ，ｓｉｎｏｔ，ｃｏ ，—￣５＂／ Ｔ做成四个ＲＡＭ块， ｒ正 即所用的查找表。 ＦＰＧＡ做算运算时，乘除法的两个操作数据类型是整数 或者实数类型。所以，系统输入假设０取值为（一５Ｏ。一＋ ５０。）度数方式按照０．５。步进变化，共计２０１个正弦值样本， 将这２０１个正弦样本扩大２０４８倍，并四舍五人取整存人 ＲＡＭ１中（此计算在ｍａｔｌａｂ中完成）。此处，之所以扩大２０４８ 倍是因为ＦＰＧＡ实现小数乘法很困难，无论ＣＯＲＤＩＣ或者 ＤＳＰ４８Ｅ均比较麻烦，且这两种ＩＰ核输出小数数据格式不好 直接带人（１）式计算，故采用扩大为整形的方式。此算法扩 大倍数多少取决于所需要的计算精度，此处采用扩大２０４８ —５３—
