火控雷達天線角度信息數(shù)字化研究

1、 火控雷達天線角度信息數(shù)字化研究 火控雷達天線角度信息數(shù)字化研究張恒，韓壯志，何強，尚朝軒(軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，河北石家莊050003)Reference：介紹基于正切式算法的火控雷達天線角度信息的數(shù)字化方案。方案采用了峰值采樣和查表求角，給出了其設(shè)計原理及軟硬件實現(xiàn)方法。雷達實驗證明該方案穩(wěn)定、可靠，精度較高，成本較低，有利于推廣應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)變壓器接口的軸角測量系統(tǒng)。Keys：正切式算法；火控雷達；角度信息；數(shù)字化TM930：B：1006-2394(2009)08-0029-03Research on the Digitization of Fire Control Radar?

2、s Angle InformationZHANG Heng, HAN Zhuang?zhi, HE Qiang, SHANG Chao?xuan(Ordnance Engineerring College, Shijiazhuang 050003, China)Abstract: A solution to digitize the antenna?s angle information of the fire control radar based on tangent algorithm is proposed in this paper. To avoid overflow and im

3、prove precision, samplin來自Www.lW5g at the signal peak and two tables are adopted. The principle is analyzed and the configuration of software and hardware is presented. The experiments show that the solution is steady, reliable, high?accuracy, and low?cost. It can also be applied to various kinds of

4、 angle measuring systems based on resolvers.Key words: tangent algorithm; fire control radar; angle information; digitization0、引言火控雷達天線角度信息轉(zhuǎn)換通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。當(dāng)前的多數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換器基本上都參照美國ADI公司的設(shè)計，由高速乘法器、相敏解調(diào)器、壓控振蕩器和可逆計數(shù)器等組成閉環(huán)回路，輸出的數(shù)字轉(zhuǎn)角是對輸入模擬轉(zhuǎn)角的跟蹤；這種方式內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重制約了旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。本文采用正切式算法實現(xiàn)，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本，

5、并采用峰值采樣和查表求角的方法，解決了正切式算法精度低、不連續(xù)的問題，保證了軸角轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性。1、原理分析旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號為正、余弦形式，且其幅度受到天線轉(zhuǎn)角的調(diào)制，即：設(shè)計基準(zhǔn)信號形成電路,生成基準(zhǔn)信號作為采樣觸發(fā)信號，被采樣信號的峰值時刻距基準(zhǔn)信號有一個固定的延時時間，計算出這個延時時間，適時啟動A/D轉(zhuǎn)換，則可實現(xiàn)峰值采樣。為解決正切算法實現(xiàn)中存在的不連續(xù)和溢出等問題，提高精度和穩(wěn)定性，上述正切算法采用正余弦單值查表方式實現(xiàn)，即首先將6000mil分為8個區(qū)間，每個區(qū)間為750mil，再根據(jù)數(shù)字化后的正弦軸角信號V1、余弦軸角信號V2及V2-V1的符號，確定旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)前轉(zhuǎn)角所處區(qū)

6、間，如表1所示。將V1、V2歸一化，并將絕對值比較后較小者除以較大者，求得正切值，由該正切值進行反正切運算計算，查表獲得0mil750mil內(nèi)的基準(zhǔn)偏角；最后由基準(zhǔn)偏角和轉(zhuǎn)角所處區(qū)間確定輸出角度，如表2所示。2、硬件組成硬件電路主要由單片機及其附屬電路組成，包括軸角信號調(diào)理電路、基準(zhǔn)信號形成電路、串行通信電路、JTAG接口電路、電源及濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。單片機是整個轉(zhuǎn)換器的核心部件，其定時器用來計算旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號和基準(zhǔn)信號的延時時間，按照正切式方案則可求雷達當(dāng)前角。具體工作過程在控制程序中詳細介紹。2.1軸角信號調(diào)理電路旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出通常為交流信號，例如，某火控雷達的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號

7、幅度為10V左右，而單片機的ADC模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍為0VRFE,通常VRFE要小于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓，所以，在進行A/D轉(zhuǎn)換之前，必須對該模擬信號進行降幅和去負(fù)值處理。該功能由軸角信號調(diào)理電路完成，如圖2所示，保證輸出信號在單片機ADC模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)。2.2基準(zhǔn)信號形成電路旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電壓可以作為峰值采樣的時間基準(zhǔn)。由于單片機比較器的輸入驅(qū)動電壓小于激磁電壓，例如，某火控雷達的旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電壓為15V左右，而單片機的比較器可設(shè)為上升沿中斷，承受-0.25V+0.25V的驅(qū)動電壓，所以，設(shè)計基準(zhǔn)信號形成電路對激磁信號進行降幅和整形處理，如圖3所示。3、控制程序的設(shè)計程序流程如圖4

8、所示，以雷達天線方位角的數(shù)字化轉(zhuǎn)換為例說明。為了得到數(shù)字化的天線方位角，需要四路信號，分別為：粗正弦軸角信號V1、粗余弦軸角信號V2、精正弦軸角信號V1、精余弦軸角信號V2。當(dāng)程序啟動后，首先進行初始化操作，與此同時，V1,V2,V1,V2經(jīng)過軸角信號調(diào)理電路后被送入A/D轉(zhuǎn)換器；激磁信號被送往基準(zhǔn)信號形成電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)信號送給比較器。比較器在基準(zhǔn)信號上升沿產(chǎn)生中斷；在比較器中斷服務(wù)子程序里，定時器被啟動。定時器定時至輸入軸角信號的1/4和3/4周期處溢出；在定時器溢出中斷服務(wù)子程序里，A/D轉(zhuǎn)換器被啟動。完成V1,V2,V1,V2的數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，8個峰值信號被存儲在一個數(shù)組里。因為軸角信號經(jīng)

9、過軸角信號調(diào)理電路后，其負(fù)半周被削掉，所以，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，每一個周期必然有一個峰值為0。為了計算基準(zhǔn)偏角，設(shè)計峰值比較程序取每一周期不為零的峰值；在函數(shù)求角子程序里，按照正切算法求得粗精軸角；最終的天線方位角經(jīng)過粗精結(jié)合子程序求得，通過串口發(fā)送出去。反復(fù)如此，即可完成雷達天線角度信息的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。4、粗精結(jié)合糾錯原理多數(shù)情況下雷達的旋轉(zhuǎn)變壓器都采用粗軸帶動精軸，即粗精結(jié)合的方法提高測角精度。其基本思想是利用傳速比將精軸角進行放大后測量，達到提高精度的目的。采用粗精結(jié)合提高測角精度是建立在粗軸角不能有差錯的基礎(chǔ)上的。但實際應(yīng)用中，由于粗精機械軸之間的的傳動誤差、軸角變換誤差等影響，導(dǎo)致粗精通道

10、不能理想配合，以至于使角度產(chǎn)生粗大誤差?？偟膩碚f，有兩種情況會導(dǎo)致粗大誤差的發(fā)生：(1)粗n精，即“粗碼超前”。(2)粗n精，即“粗碼滯后”。這種誤差是原理性的，僅僅依靠提高器件和電路的精度是不能消除的，所以必須進行程序的糾錯。經(jīng)過分析，得出如下糾錯規(guī)則：(1)若精/n+(18-粗的余數(shù))，此時“粗碼滯后”。粗碼的整數(shù)讀數(shù)少1，N精應(yīng)加1；(2)若(18-精/n)+粗的余數(shù)，此時“粗碼超前”。粗碼的整數(shù)讀數(shù)多1，N精應(yīng)減1。其中為最大容許誤差，粗、精分別為粗精軸角，n為傳動比。5、性能測試針對某火控雷達進行實驗，實驗內(nèi)容包括數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換能力和轉(zhuǎn)換誤差。圖5為雷達置圓掃時的天線方位角數(shù)字化轉(zhuǎn)

11、來自WwW.L換曲線，從圖上可以看出曲線規(guī)律、平滑。圖6為雷達天線高低角數(shù)字化轉(zhuǎn)換曲線，其高低角由高低手輪控制。為了保護雷達天線，在天線作俯仰運動時通常有上下止檔，天線在上下止檔時作鐘擺運動。雷達實驗表明該數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠完成天線角度信息的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，對其誤差作統(tǒng)計表明轉(zhuǎn)換誤差不超過1mil，滿足角度轉(zhuǎn)換要求。6、總結(jié)語該旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用正切算法實現(xiàn)了雷達角度的數(shù)字化，避免了跟蹤式數(shù)字轉(zhuǎn)換器的反饋、鎖相等硬件環(huán)節(jié)，解決了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、不便于推廣應(yīng)用等問題。已成功運用在雷達模擬訓(xùn)練器中，而且還適用于其他具有旋轉(zhuǎn)變壓器的場合，具有較高的工程應(yīng)用價值。Reference：1Hoseinnezhad R,Harding P.“A Novel Hybrid Angle Tracking Observer for Resolver to D