一种基于fpga的相控阵雷达波控系统及自检方法
阅读说明：本技术 一种基于fpga的相控阵雷达波控系统及自检方法 (Phased array radar wave control system based on FPGA and self-checking method ) 是由 王昊 李一阳 徐达龙 王岩 徐文文 权双龙 陶诗飞 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于FPGA的相控阵雷达波控系统,包括波控通信单元、配相值计算单元、T/R组件配置单元；波控通信单元用于完成中波控终端的通信以及与信处机通信；配相值计算单元根据通信指令传输的频点号和波位号计算出各通道的移相值,和Flash中校准值相加后得到T/R组件相位配置参数；T/R组件配置单元用于将T/R组件相位配置参数配置给TR组件,保证组件按照需要工作。(The invention provides a phased array radar wave control system based on an FPGA (field programmable gate array), which comprises a wave control communication unit, a phase matching value calculation unit and a T/R (time/radio) component configuration unit, wherein the wave control communication unit is used for receiving a phase matching value; the wave control communication unit is used for completing communication of the medium wave control terminal and communication with the information processing machine; the phase matching value calculation unit calculates the phase shifting value of each channel according to the frequency point number and the wave position number transmitted by the communication instruction, and adds the phase shifting value to the calibration value in Flash to obtain the phase configuration parameter of the T/R component; the T/R component configuration unit is used for configuring phase configuration parameters of the T/R component to the TR component and ensuring that the component works as required.)
技术领域
本发明涉及雷达技术，特别是一种基于FPGA的相控阵雷达波控系统及自检方法。
背景技术
波控系统是相控阵雷达特有的，它取代了传统的机械扫描雷达中的伺服驱动器的作用，它的主要功能是在数据处理机或任务计算机的控制下，按波束指向的代码计算每一个天线单元上移相器所需的控制代码，并传输、放大，送至每一个移相器，控制每一个天线单元接收和发射的相位，使相控阵天线各天线单元的信号能量在空间指定方向上叠加，形成天线波束。
波控系统的发展趋势是系统规模大型化、分布式，单个实体小型化、集成化、高可靠、低成本。大型相控阵雷达系统复杂，研发难度高，使只有一个运算器的集中式波控系统的运算处理能力显的不足。所以只有把运算工作交给多个处理器分别处理，才能满足新时代雷达系统的需求，同时减少系统复杂度，降低研发难度。随着电子技术不断发展，现场可编程门阵列FPGA、嵌入式计算机的出现使波控系统可以高度集成化，最新的技术发展是集二者于一身的片上系统真正实现系统的单芯片解决方案。
发明内容
本发明目的在于设计一种基于FPGA的相控阵雷达波控系统及自检方法，实现波控系统的模块化、智能化。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的相控阵雷达波控系统及自检方法。该系统包括波控通信单元、配相值计算单元、T/R组件配置单元；波控通信单元用于完成中波控终端的通信以及与信处机通信；配相值计算单元根据通信指令传输的频点号和波位号计算出各通道的移相值，和Flash中校准值相加后得到T/R组件相位配置参数；T/R组件配置单元用于将T/R组件相位配置参数配置给TR组件，保证组件按照需要工作。
进一步地，所述波控通信单元包括终端通信及解析模块、状态信息回传模块、信处通信及解析模块；终端通信及解析模块与波控终端完成通信并解析得到工作模式、电源控制信息、组件配置数据、方向图测试接口信息、校准值导入接口信息，以及向波控终端回传波控的状态信息；状态信息回传模块向终端通信模块提供波控机当前工作模式下的状态数据，状态数据包括当前工作模式、频点号、波位号、软件版本、硬件版本、校准值信息、系统状态；信处通信及解析模块接收来自信处机的正常工作模式下的指令，同时向信处机回传该模式下的数据，包括自检状态、回复软件版本号和波控状态信息、工作状态、回复状态信息和通信误码次数，波控状态信息包括TR状态、Flash状态、电源状态。
进一步地，所述配相值计算单元包括Flash控制模块、移相计算模块、配相打包模块；Flash控制模块，当系统上电时，会从FLASH中读出校准值并存入RAM中；当工作模式为导入校准值模式时，将校准值导入数据写入到FLASH；在波控终端的芯片擦除指令下对FLASH进行擦除；输出版本自检信息，包括读校准值完成、硬件版本号、校准值版本号、自检信息；移相计算模块根据当前频点和波位号，计算出具体的移相值；配相打包模块把移相值和FLASH中存储的校准值进行运算、校准和打包，得到各通道的配置参数，包括发射移相、接收移相、发射衰减、接收衰减、发射及接收待机、输出通道使能。
进一步地，所述T/R组件配置单元包括组件时序生成模块、组件发射保护模块；组件时序生成模块生成T/R组件配置时序，根据工作模式输出不同的配置数据；组件发射保护模块，达到指标要求中的占空比门限和发射脉宽保护。
一种基于FPGA的相控阵雷达波控自检方法，包括：
步骤S1，波控系统包含一个终端界面，分为串口设置、工作模式、波束切换、电源控制、校准值设置、校准参数设置、状态显示模块，具体应用时按照雷达不同的工作模式进行测试；
步骤S2，校准值导入模式下，需要擦除FLASH内的数据，并导入所需的校准值数据；
步骤S3，方向图测试模式下，需要终端控制波控机的频点和波位信息，以模拟实际正常工作的情况，以实现自检功能；
步骤S4，校准测试模式下，需要终端控制波控机的频点和波位信息，以模拟实现前端配相，波位校准等功能。
进一步地，所述步骤S2包括：
步骤S21，在终端界面进行操作：打开串口→选择工作模式为方向图测试→设置频点号、波位号以及赋形的值并发送；
步骤S22，在终端界面进行操作：设置组件电源开关以及发射激励开关并发送；
步骤S23，检测前端测试出的方向图是否满足要求。
进一步地，所述步骤S3包括：
步骤S31，在终端界面进行操作：打开串口→选择工作模式为校准测试→设置所控制的通道号、待机选项与配相值并发送。；
步骤S32，在终端界面进行操作：设置组件电源开关以及发射激励开关并发送；
步骤S33，检测前端测试出的单个通道的移相和衰减是否满足要求。
本发明的有益效果是：本发明基于FPGA的相控阵雷达波控系统及自检方法，使用片上系统来完成相控阵雷达波束控制系统的设计，通过三个主模块：波控通信单元、配相值计算单元、T/R组件配置单元的相辅相成，具有设计灵活、可升级、可扩充等特点。随着大型相控阵设备在各个领域应用，本文的设计方案具有一定的应用前景。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明系统的硬件连接示意图。
图2为本发明系统的软件模块框图。
图3为本发明涉及的一种天线阵列的系统模型图。
图4为本发明自检方法的终端操作流程图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例提供的一种基于FPGA的相控阵雷达波控系统在雷达系统中的硬件连接示意图。如图1所示，在相控阵雷达系统中，波控系统是不可或缺的一部分，波控系统主要是在电子计算机的控制下，接收来自信号处理机的指令数据，产生需要的波束指向代码，并送至T/R组件内的移相器，完成波束的定向控制，属于电扫描。相比传统的机械式的扫描，电扫描在速度，精确性方面都有巨大的优势。
图2为本发明一实施例所述相控阵雷达波控系统的软件模块框图。如图2所示，波控系统分为三个主体模块：波控通信部分，用于完成中波控终端的通信以及与信处机通信；配相值计算部分，用于完成T/R组件的移相值计算及衰减值的计算；T/R组件配置部分，用于将配置参数选择模块最后选择的数据，配置给TR组件，保证组件按照需要工作。
对于所述波控通信部分，主要分为：终端通信及解析模块，与波控终端完成通信并解析，波控机与终端的通信模式采用串口通信协议。串口通信通信采用异步串口通信协议，通信波特率为115200，数据位为8，停止位为1，无校验位；对于本模块，接收时(波控机从终端接收)：直接按照串口时序解析，读数据的时间为每位数据保持的中间时刻，避免误读。在发送时(波控向终端发)：首先将需要发送的数据存在FIFO中，每次读出FIFO的数据并加上时序中需要的开始位和停止位，按照波特率从串口发送；状态信息回传模块：向终端通信模块提供波控机当前工作模式下的状态数据，状态数据，模块数据输出到终端通信模块，状态信息回传采用每一秒回传一次；信处通信及解析模块：该通信采用串行通信，接收来自信处机的正常工作模式下的指令，同时向信处机回传该模式下的数据。
对于所述配相值计算部分，其使命任务是为了完成T/R组件的移相值计算及衰减值的计算。其设计思路为：首先完成对各通道的校准的的写入，保证上电时能够正常读出Flash里存储的校准值。同时，配相值计算模块，对应频点号和波位号，各个通道的移相值，和Flash中校准值相加后得到相位配置参数。
对于所述T/R组件配置部分，此部分最重要的工作：将配置参数选择模块最后选择的数据，配置给T/R组件，保证组件按照需要工作。同时，还需满足功能指标所提出的脉宽保护功能(如占空比门限30％，脉宽保护门限100us)。
图3为本发明一实施例提供的一种天线阵列的系统模型图。如图3所示，对于配相值计算模块中的各个通道的移相值，根据雷达的总体要求，波控系统需要实现一维天线阵面的移相控制，当要求波束指向为时(此角度来自参数选择模块，根据不同的工作模式选择终端的频点波位或者信处机下发的频点波位)，依据布相法则，则第n个的相位值为
φn＝(n-1)Δφn
其中，
则第n个单元的相位值为
对于上式，λ为该频点对应的波长，dx为天线的阵元间距，n为通道号，φ为方位上对应的角度。计算出的φn即为该通道上需要的移相值。
明显根据前面所写公式，在计算过程中不可避免会出现小数，FPGA不擅长处理小数，则在设计时根据公式，首先将对应频点号，波位号的值计算出来，提前存在于Rom核里面，当需要使用时，直接读出来相乘即可。依公式，由于的移相器采用的六位量化，移相步进为5.625°，所以第n个通道相对于基准通道的相位偏移码为：
根据以上分析，在Rom存数据时。有dx·sinφ以及通道所在位置值需要存储。在存储时，各数据分开为单独的Rom存。此部分以频点号为地址存数据，需提前算出该频点对应的的波长，天线阵元间距，并计算出该项值。dx·sinφ：以方位维的波位号作为地址存储数据，需知道该波位号在水平方向的夹角，然后计算存储。实际运算时根据频率号和波位号进行查表处理，再进行乘法运算，得到结果之后，将浮点数转为定点数。
图4为本发明一实施例提供的一种基于FPGA的相控阵雷达波控自检方法的终端操作流程图。为完成波控机的调试、功能测试，需要波控机通过串口与终端连接，如图4所示，在校准值导入模式下，终端导入的校准值参数是通过MATLAB读取excel文件，产生包含校准值信息的txt文件；在校准值导入模式下，终端导入的校准值参数是通过MATLAB读取excel文件，产生包含校准值信息的txt文件；方向图测试模式时，需要由终端控制波控机的频点和波位信息，检查与终端通信是否正常以及输出的移相值是否正确；校准模式下，需要终端直接发送配相值数据实现对波控机对每个组件通道的开关及配相进行控制。