基于FPGA的雷达波束控制

这里展开介绍一种有源相控阵雷达波束控制系统的硬件平台及软件设计。

l 系统原理

为降低电路成本和增加系统可靠性，该系统采用设备量少、维修方便、可靠性高的集中式运算、分布式驱动体系。也就是，波束控制算法用一块电路板(称之为运算板)实现。
对工作方式，运算板接收来自雷达控制台的控制指令(包括主天线的方位和俯仰增量代码、工作频率、工作模式代码等)，进行波束控相位码的计算、传输、分配与格式重排。运算板把处理后的串行波束控制码通过驱动器发往阵面的波束控制组件驱动板。在波束控制组件驱动板内再进行译码、驱动，然后送给组件单元作为控制码，从而实现波束控制系统的功能。波束控制系统的组成如图1所示。

2 系统硬件平台

该相控阵雷达系统要求波束控制系统准确可靠地控制512个天线单元，波束转换时间不大于1 ms。在此分析运算板需要哪些关键器件。运算板要在500μs内完成从雷达控制台接收指令、波束控制算法及运算结果传输的功能，必须选用FPGA器件。参与运算的补偿数据是运算的主要对象之一，要能够实时参与波束控制算法的运算过程，也可以被雷达控制台在线更新，这就需要运算板具有存储器。系统采用自定义总线接收雷达控制指令和上报阵面返回的信息。

关于驱动板的硬件设计，不仅要实现驱动、译码、系统自检等功能，还要考虑组件在单独调试时驱动板的控制功能是否可以方便实现。由于设备数量较大，在满足功能的基础上，要尽可能降低设备成本。基于这些需求，选用一片单片机和一片EPLD。图1中虚线左侧部分所示运算板硬件组成。其中，雷达控制台发送的是波束控制指令、接收的是阵面自检和检测信息；传输模块产生和发送串行波束控制码、传送所需要的时钟、定时信号。

图l中虚线右侧部分所示组件驱动板的硬件组成。其中接口电路接收波束控制运算板发来的串行波束控制码；组件单元接收的是TTL电平的控制码(包括发射移相码、接收移相码、衰减码、T／R开关控制码)。EPLD完成译码和控制分发代码，SCU完成联机自检和脱机控制调试的功能。控制和调试方式比其他提供的系统设计方法，更加多样化和灵活。

3 软件设计

3．1 运算板FPGA程序设计

波控运算板基本用途就是为满足阵面天线单元控制的需要。在此，整个天线阵面等分成四个子阵面。每个子阵面包括a×b个天线单元，如图2所示。

天线分时实现全孔径SAR模式和子孔径GMTI模式两种工作模式。雷达对空探测或者在SAR工作方式时，利用天线全阵面，形成一个波束进行发射和接收，阵面的物理中心就是阵面天线单元的坐标原点；GMTI工作方式时，全阵面形成一个发射波束，而接收时则在方位上等分四个子阵面，形成四个接收波束，此时形成四个坐标系：每个子阵面的物理中心就是每个阵面天线单元的坐标原点。

根据天线单元此分布特点的控制需求，这里选用两片FPGA，传输采用四路差分串行码(两路数据码、一路地址码、一路8 MHz时钟码)，就可完成阵面天线单元对波束控制的要求。FPGA内部程序的逻辑功能框图如图3所示。其中的串口核、SRAM、FIFO全是调用FPGA 内部的资源。串口核的功能是在波束控制运算板单机调试和雷达近场测试时，接收来自调试计算机的控制指令。SRAM用于当雷达工作在阵面监测方式时，存储来自雷达控制计算机的控制码；FIFO用于存储运算器计算的结果(运算板单板调试时用)或组件驱动板自检结果，此结果可以通过串口返回调试计算机，以此来判断FPGA计算的中间结果或者送出的最终结果是否正确和判断组件单元及相应的信号通路是否良好。运算、传输时钟产生和运算结果传送、读／写FLASH都在运算器中，做在同一个状态机里。波控运算状态机如图4所示。

图4中：S1为运算使能控制和状态转换条件控制及变量初始化；S2完成波束控制算法和按照格式排布计算结果；S3产生被传送数据的地址和时钟及将并行的计算结果转为串行；S4对FLASH进行写操作；S5对FLASH进行读操作；S6对SRAM进行写操作；S7先对SRAM读操作，然后按照预定格式拼位，以便跳入S3状态将SRAM中的数据传出。S1中状态机的状态转换条件即为译码得到的来自雷达控制台的控制指令。状态机将根据不同的控制指令进入相应的状态处理程序段。

其中的S2状态机实现的阵面第(m，n)个组件的移相值运算如下：

式中：m为行坐标值；n为列坐标值。当雷达工作在SAR方式和GMTI的发射方式时m=-2a，-2a+1，…，-1，0，1，…，2a- 2，2a-1；n=-b／2，-b／2+1，…，-1，0，1，…，b／2-2，b／2-1。对GMTI的接收方式，m=-a／2，-a／2+1，…，-1，O，1，…，a／2-2，a／2-1；n=-b／2，-b／2+1，…