基于雷達原理對雷達教學實驗平臺搭建問題研究

摘要：雷達教學實驗平臺采用全相參，脈沖多普勒，捷變頻的工作體制，通過硬件電路展示雷達工作原理，雷達部分工作狀態(tài)（例如：STC開啟/關(guān)閉、中頻放大增益等）可調(diào)，部分關(guān)鍵位置參數(shù)可測，可設置典型故障；通過文字、圖片、動畫等方式實現(xiàn)原理講解，與硬件結(jié)合，引導學習；可模擬故障進行排故訓練及考核。

利用RS422實現(xiàn)串口通信，利用UDP實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，利用PCI-1730U實現(xiàn)TTL控制，硬件電路結(jié)合軟件仿真技術(shù)，實現(xiàn)教學系統(tǒng)的真實、全面及實用性。

關(guān)鍵詞：全相參；RS422；UDP；PCI-1730U

引言

本文旨在根據(jù)雷達原理，搭建一種雷達教學實驗平臺系統(tǒng)（以下簡稱為“實驗平臺”）。該實驗設備可以演示雷達的基本構(gòu)成、信號產(chǎn)生方式、信號逐級傳輸處理過程，實現(xiàn)硬件級故障模擬，配合原理講解課件，達到基礎(chǔ)原理教學目的。貫徹執(zhí)行通用化、模塊化設計思想，結(jié)合軟件仿真技術(shù)，實現(xiàn)教學系統(tǒng)的真實、全面及實用性。

1雷達教學實驗平臺系統(tǒng)總體設計

1.1雷達教學實驗平臺系統(tǒng)功能

雷達教學實驗平臺系統(tǒng)：通過硬件電路展示雷達工作原理，設置測試點，允許對雷達部分工作狀態(tài)（例如：STC開啟/關(guān)閉、中頻放大增益等）進行調(diào)整，可設置典型故障，實現(xiàn)硬件級故障模擬，并對故障排查過程進行考核；通過文字、圖片、動畫等方式，講解雷達基本工作原理，與硬件結(jié)合，引導學員動手測量，觀察信號逐級變化過程。

1.2雷達教學實驗平臺系統(tǒng)組成

實驗平臺采用全相參，脈沖多普勒，捷變頻的工作體制，原理如圖1。

共分為顯控分機、發(fā)射分機、接收分機、天線與微波分機、電源模塊五部分，如圖1所示。

（1）顯控分機主要功能：實現(xiàn)雷達回波數(shù)據(jù)、角度、速度距離等雷達狀態(tài)的顯示，對實驗平臺實現(xiàn)操作控制功能。

（2）發(fā)射分機主要功能：產(chǎn)生信號并放大到足夠大的功率，滿足信號發(fā)射的功率要求。

（3）接收分機主要功能：對接收的信號進行下變頻，濾波，放大；完成對中頻信號的放大，濾波等功能；對各路通道信號進行檢波處理，獲取目標參數(shù)。

（4）天線與微波分機主要功能：控制天線轉(zhuǎn)動，真實呈現(xiàn)雷達工作過程中，天線與伺服系統(tǒng)的工作模式。

（5）電源模塊主要功能：提供各分機工作所需要的電源，通TTL電平控制開關(guān)實現(xiàn)電源故障的模擬。

實驗平臺軟件組成及各臺之間數(shù)據(jù)傳輸，如圖3、圖4所示。

本論文的主要工作是設計并實現(xiàn)導控軟件、接收分機控制軟件、發(fā)射分機控制軟件的編寫，以下統(tǒng)稱為控制軟件。

2控制軟件的設計與實現(xiàn)

2.1導控軟件流程

（1）對網(wǎng)口進行初始化，開啟網(wǎng)口數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程、顯示控制監(jiān)聽線程；

（2）操作人員通過人機交互界面進行操作，顯示控制監(jiān)聽線程會監(jiān)聽到界面有人機交互操作，識別相應操作，進入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（3）顯控分機、發(fā)射分機、接收分機通過網(wǎng)口向?qū)Э剀浖l(fā)送狀態(tài)上報報文、故障提交報文，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程會監(jiān)聽到網(wǎng)口有數(shù)據(jù)傳入，接收數(shù)據(jù)，進入數(shù)據(jù)解析及指令生產(chǎn)模塊。

（4）數(shù)據(jù)解析及指令生成，判斷數(shù)據(jù)來源并根據(jù)相關(guān)協(xié)議進行相應處理

2.2發(fā)射分機、接收分機控制軟件流程

（1）對串口、網(wǎng)口、TTL進行初始化，開啟串口數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程、網(wǎng)口數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程、顯示控制監(jiān)聽線程；

（2）顯控分機通過網(wǎng)口向發(fā)射/接收分機發(fā)送網(wǎng)絡報文，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程會監(jiān)聽到網(wǎng)口有數(shù)據(jù)包傳入，接收網(wǎng)口數(shù)據(jù)，進入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（3）實驗臺內(nèi)各模塊通過串口發(fā)送串口數(shù)據(jù)，串口數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程會監(jiān)聽到串口有數(shù)據(jù)傳入，接收串口數(shù)據(jù)，進入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（4）操作人員通過人機交互界面進行操作，顯控監(jiān)聽線程會監(jiān)聽到界面有人機交互操作，識別相應操作，進入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（5）數(shù)據(jù)解析及指令生成，判斷數(shù)據(jù)來源并進行相應處理。

2.3控制軟件相關(guān)配置

2.3.1網(wǎng)口配置

采用UDP協(xié)議，模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡各節(jié)點采用C類IP地址，其子網(wǎng)地址是192.168.2.0，子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0，各節(jié)點IP地址、端口號如表1：

2.3.2串口配置

本系統(tǒng)中，各模塊與上位機的接口采用RS422串口實現(xiàn)，各模塊端口號如表2所示。

2.3.3 TTL配置

本系統(tǒng)采用PCI-1730U實現(xiàn)TTL控制，線性電源每路輸出通過TTL均可單獨控制，實現(xiàn)每路電源故障模擬。發(fā)射實驗臺可模擬電源故障6路，接收實驗臺可模擬電源故障3路。

PCI-1730能夠提供隔離數(shù)字量輸入通道和隔離數(shù)字量輸出通道，隔離保護電壓可達到2500VDC，所有輸出通道都提供高電壓保護。

3實驗平臺測試

3.1導控軟件測試

導控系統(tǒng)是為教員配備的高級教學引導系統(tǒng)，可實現(xiàn)對雷達實驗平臺的控制，可實時監(jiān)測各分機工作狀態(tài)，可下發(fā)目標指示，可設置故障。本系統(tǒng)在考核過程中可實時監(jiān)測學員的操作過程，為教員對學員的考核提供參考。導控軟件啟動后，界面如下圖8所示：

界面功能簡介：

左側(cè)實時狀態(tài)欄：分別顯示顯控分機、發(fā)射分機、接收分機狀態(tài)，綠色在線，灰色離線。

左側(cè)目標信息裝訂：包含預定義雷達目標8種，首先需要引導的指向器（顯控分機）在線且處于“導控”狀態(tài)，然后點擊對應目標按鈕，按鈕背景變?yōu)榫G色，再點擊【開始引導】按鈕，即可進入引導模式，退出引導模式則點擊【結(jié)束引導】。

中間設置故障欄：1、選擇故障點，在右側(cè)會出現(xiàn)相應原理圖；2、故障最多可同時設置三個，每次只下發(fā)一個故障，當收到排故正確上報信息后，間隔5秒再下發(fā)下一條故障，直至全部排故結(jié)束；3、點擊【取消故障】按鈕，可取消所有故障，各分機恢復正常工作狀態(tài)。

右側(cè)故障考核欄：左側(cè)表格記錄老師下發(fā)的故障名稱、學員排故操作后上報的故障名稱及上報用時，此次排故上報錯誤則該條上報記錄標紅，正確則標為綠色。當學員排故正確時，排除的故障會在右側(cè)表格記錄故障名稱、排故時間以及錯誤次數(shù)。當學員故障無法排除，可在對應工作臺選擇結(jié)束上報，此時故障錯誤次數(shù)顯示【未排】，方便老師對學員的操作進行考核。點擊【清除列表】按鈕可清除表格中記錄內(nèi)容；點擊【記錄存儲】按鈕會將考核記錄保存成為數(shù)據(jù)文件存儲至桌面考核記錄文件夾。

3.2發(fā)射分機/接收分機測試

分機上電開機后，啟動分機控制軟件，界面如下圖8所示，以發(fā)射分機控制軟件為例：

界面功能簡介：

左側(cè)顯控分機狀態(tài)欄：顯控分機狀態(tài)，綠色在線，灰色離線。

左側(cè)各模塊狀態(tài)欄：各組件狀態(tài)，綠色工作正常，紅色有故障。

中間選擇故障點欄：1、故障點說明：對所選中的故障點進行具體說明；2、各模塊故障點選擇按鈕；3、【故障上報】按鈕將選擇的故障點上報至顯控分機；4、學生認為故障已完全排除時點擊【排故結(jié)束】按鈕。

右側(cè)故障上報記錄：記錄顯示故障上報時間、上報故障點名稱。

4總結(jié)

本文從硬件設計、軟件的設計與控制軟件的驗證等方面對系統(tǒng)設計與軟件開發(fā)進行了詳細的介紹，并給出了軟件設計接口、開發(fā)的流程以及現(xiàn)場測試結(jié)果，在經(jīng)過大量的調(diào)試，系統(tǒng)各模塊間協(xié)作配合，達到了軟件預期的效果，進而說明本次系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)的正確性。

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（作者簡介：馬啟晟，碩士研究生，工程師；工作單位：中國電子科技集團公司第二十研究所）