基于光通信技术的相控阵雷达波控系统设计

叶明傲 李 辉

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230031；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088)

基于光通信技术的相控阵雷达波控系统设计

叶明傲1,2李 辉2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230031；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088)

本文针对相控阵雷达波束扫描特点，提出了一种基于光通信技术的波控系统设计方案，对远程时序信号光传输、时钟同步信号光传输、交叉点矩阵开关等技术以及波束形成和单元校正算法进行了描述，详细介绍了系统的同步设计，为光通信技术在大型相控阵系统中的更广泛应用提供设计参考。

光通信；相控阵雷达; 波束控制; 同步设计;

0 引言

相控阵雷达是采用相控阵天线的雷达，它与机械扫描雷达的最大区别在于天线无需转动即可使天线波束快速扫描。随着雷达、电子电路、通信技术的发展，以及观测任务的需求不断增加，相控阵技术已广泛地应用于军事民用的各个领域。

在相控阵系统中，波束指向和波束形状的捷变能力是系统关键指标之一。因此波控系统设计的合理与否直接影响着系统功能和效能的发挥。波控系统不仅要为天线扫描提供正确的相位码，还要满足波束转换的速度要求，做到迅速精确地布相，同时还要具有阵面监视与通道福相校正能力[1]。

另外，由于相控阵雷达功率密度越来越高，长线传输会对波控系统的控制信号带来极为严重的干扰，甚至会发生误触发的情况、影响设备安全。光纤通信作为一种新兴的通信方式，具有传输距离远、抗干扰能力强、实时性好等优点。因此，本文设计了一种基于光纤通信技术的波控系统，是一种具有发展前景的技术方案。

1 系统研制需求

本文中所要研制的波控系统包括3个节点，分别是远程调度中心、波控机房、天线阵面光纤复用设备。其中，波控机房作为调度指令的接收单元和波束形成处理节点，距离调度中心约35km、距离天线阵面约1000m，并且数据传输带宽大，比较适宜采用光纤通信方式。

各节点的功能主要如下：

1)远程调度中心：主要设备是调度计算机，完成系统资源分配，编制任务规划、下发调度指令。对波控机房下发的数据主要有同步时钟、导前和波束控制字；

2)波控机房：接收调度计算机下发的调度指令，完成有源阵面各T/R单元的布相控制，并完成通道幅相校正；

3)光纤数据复用：位于相控阵天线阵面，用于T/R单元相位控制码的分发、光导前信号的同步，并实时采集组件的健康数据。

2 远程通信链路设计

在调度中心，调度计算机根据任务系统下发的指令产生波束编排结果，再利用接口电路与时钟同步后产生导前脉冲和光纤控制字送往波控机房。如图1所示，远程通信链路包括数据源节点设备(调度计算机)、数据宿节点设备(波控机房)，二者之间通过光缆连接，组成实时双向光通信系统。

上图中，调度计算机为源节点，下发到波控机房的信号有：1路20MHz同步时钟、3路TTL导前脉冲、1路850nm光纤控制字及1路网络信号。波控机房通过网络回传阵面状态及BIT数据，同时分发一路射频IQ信号供系统波形监视。

光传输设备采用波分复用和掺铒光放技术，利用一根光纤实现模数混合双向和远程无中继传输，便于系统维护。主要指标有：

1)光功率及链路损耗

·输出光功率：≥10dBm

·链路损耗：≥40dB

2)20MHz模拟时钟技术参数

·输入输出1dB压缩点： 10dBm

·增益：0dB±1dB

·相位噪声：≤-145dBc/Hz @1kHz频偏

·杂波抑制：≥65dB

·谐波抑制：≥30dB

·输入输出驻波：≤2

3)时序及控制信号技术参数

·边沿抖动：≤±1.5ns

·误码率：≤1×10-9

对于远程链路的测试，数字信号比较简单，设置CRC校验即可；对于时钟的测试，则需要借助嵌入式仪表实现，通过网络获取输出时钟的幅度和频谱数据，并上报调度中心[2]。

3 波控机房组成

由于阵面规模庞大、T/R组件数以万计，波束控制采用级联的方式实现。如图2所示，系统主要有以下三级：第一级为导前脉冲、调度控制字的初分发，并完成校正控制和初相解算，在硬件上组成上包括第一个分机的零槽计算机和交叉开关板；第二级为各T/R单元的相位计算、波形控制，并完成数据融合后通过光纤接口发往天线阵面，由两个波控分机共同完成；第三级设备为128个数据复用模块，在天线阵面完成波控数据至T/R组件的分发，并将多路组件的健康数据合成1路光纤后下传。

此外，波控机房还包括AC/DC电源、环控及本地频率源等附属设备。

3.1 交叉开关设计

在图2中，交叉开关板完成导前脉冲、调度控制字的分发及校正I/Q数据解析。对于导前信号的分发，采用245驱动器外加等长布线设计即可；校正I/Q是在调度计算机发起校正指令后，接收I/Q数据送零槽计算机，由波控软件完成解算；对于调度控制字的分发，及内部各计算节点的高速通信，都需要通过交换模块来完成。

如图3所示，交换模块以VSC3系列高速异步交叉点开关芯片为核心实现。该芯片采用PixEQ技术，最多支持72×72个高速接口的矩阵选择，单通道最高通信速率可达6.5Gbps，支持点对点、点对多点开关切换，并支持及在线通道切换。VSC3系列电路支持3种控制接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI 总线，接口操作非常简单，就像访问外部存储器一样。

在交叉开关板内部，由FPGA实现PCI总线端口译码，从而波控软件可以灵活控制矩阵开关的拓扑结构，最大限度的利用高速口硬件资源，实现调度控制字、波束形成系数、波形码的分发。

3.2 波束形成算法

根据相控阵天线原理，对于任意一个平面天线，图4所示结构任意两行、两列单元的相位差是相等的。

因此，在(X，Y)平面上，第(m，n)个单元相对单元(0，0)的相位为[1]：

ψ(m,n)=mΔα(θ,φ)+nΔβ(θ,φ)+α0(m,n)

(1)

其中:

(2)

在式(1)、(2)中，α0为(m，n)单元的初始相位值，由校正获得。θ、φ分别为平面天线波束指向的方位角和俯仰角，λ为工作波长。dx和dy分别表示方位和俯仰平面(即x轴和y轴)上相邻阵元之间的距离。

3.3 射频IQ校正

由于阵元位置误差、传输线不等长以及各频率源激励的不同等原因会引起各T/R单元幅相不一致，导致综合出的天线方向图产生明显畸变，因此对T/R组件的幅相误差进行校正是波控系统的一项重要功能。

如图5所示，在实际应用中，调度计算机根据任务系统的指令定时下发校正模式，交叉开关板首先判断是否为校正模式，分发校正导前信号和校正指令控制字，用于通道和收发开关的状态切换。再根据系统采样率完成32点I/Q数据采集，调用模块化FFT运算IP，将结果写入SRAM[3]。当校正流程结束后，交叉开关即产生一个硬件中断，通知波控软件进行校正I/Q解算，并更新各控制插件的初相表。

4 光数据复用设计

在本系统中，由于T/R组件数量众多，如果每个组件都接1根光纤到波控机房，不仅会造成光纤资源的浪费，而且会极大提高整机的成本。因此，波控子系统在设计时采用了数据复用设计，在阵面上由数据复用单元完成上行数据转发和下行数据合成。

4.1 复用模块结构

如图6所示，采用两片FPGA加外围电路方式控制各T/R单元，不仅可以节省光纤资源，还可以缩短整机走线，提高系统可靠性。

在上图中，串行控制信号(SC、SD、SYN、TRIG)分别为T/R单元所需的控制信息[4]。当数据复用模块收完一帧数据后，如检验正确，FPGA内部启动数据分发，并完成各单元对应32位控制信息的并串转换(一个时钟上升沿对应一个数据位)。在转换结束后，产生一个SYN 信号用于控制信息的一级锁存。在下一个导前时刻输出TRIG信号，用于波控数据的二级锁存，所有组件在TRIG信号的上升沿同步更新相位码和衰减码，即可实现整机的时序同步。

4.2 光纤数据同步

由于阵面距离波控设备机房较远，并且复用单元数量众多，本文采用一种利用光纤在传输数据的同时提供同步触发(即软导前)的方式，实现各组件同步控制。

光纤数据同步首先要确保FPGA 发送端从并行数据产生到数据以串行方式从TRANSCEIVER接口输出，各高速口的处理要严格时钟和时序同步；各接收模块串行数据从FPGA 的TRANSCEIVER接口输入，及同步时钟输入的传输延时是一致的。只有当这两个条件都满足时，光纤同步才具有可行性。

具体程序设计时，可以在光纤收发两端设置一组固定的K字符用于数据对齐。接收端收到连续的串行数据后，以滑窗的方式将窗口内的数据与作为对齐特征边界的K字符比较，如果相同则表示串行数据已经对齐，此时产生一个触发信号，并将此触发信号与同步时钟对齐，即可恢复出导前脉冲[5]。导前信号产生模块时序如图7所示。

在调试过程中，将各复用模块恢复的导前全部回送到波束控制模块，利用Signaltap监测各模块的导前，如图8所示。可以看到，各导前信号偏差不超过1个采样时钟，满足相控阵系统使用要求。

5 工程应用效果

设计一个方位向分辨率为0.10的远场测试系统，利用校正接收机采集接收信号。如图9所示，可以看出峰值和主副比均满足设计要求，验证了本文所设计波控系统的正确性。

6 优化和改进方向

综上所述，基于光通信技术方案的波控系统，已在整机试验中得到验证，证明方案切实可行，并具有可靠性高、调度速度快等特点。本方案适用于规模较大的相控阵系统，在性能与成本之间选择了一个比较折中的方案，如何研发一种低成本的全光传输波控系统，才能使得系统布线更加简化、调度时间更短，并使该技术在大型相控阵系统中推广应用。

[1] 张光义.相控阵雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2009.

[2] 覃朝坚,黄敏,柯有强.光通信技术在相控阵雷达系统中的综合应用[J].光通信研究,2015(4):30-32.

[3] 陈之涛,王雨阳,刘浩.一种发射通道校正技术的实现[J]. 雷达科学与技术,2012,10(3): 332-335.

[4] 郭立俊.基于查表方式的雷达波束扫描技术[J].火控雷达技术,2015,44(1): 75-78.

[5] 吴长瑞,岑凡,徐建清.多通道光纤同步算法的设计与FPGA实现[J]. 测控技术,2014,33(2): 36-42.

DesignofFiber-opticCommunicationTechnologyBasedBeamSteeringSystemforPhasedArrayRadar

Ye Mingao1,2, Li Hui2

(1. The No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230031;2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088)

Based on beam scanning characteristics of phased array radar, a beam steering control system based on fiber-optic communication technology is proposed. Optical transmission of remote timing signals and clock synchronization signals, crossing switch matrix technology, as well as beam-forming and element correction algorithm are described. Design of system synchronization is introduced in detail. It provides a valuable reference for wide application of the optical transmission technology in phased array radar systems.

fiber-optic communication; phased array radar; beam steering control; synchronization design

2017-03-06

叶明傲(1979-)，男，高级工程师。主要研究方向为雷达波控系统设计及测试技术。

TN95

A

1008-8652(2017)03-026-05