CN103744064A - 机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟测试方法，包括：中央控制单元，用于给定姿态角度值，数字信号处理器，用于读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，可编程逻辑器件，将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，数模转换器，接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号，信号放大变换电路，用于对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。本发明的机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟测试方法，实现信号的幅度和相位的精确控制，可消除通道误差。

Description

机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟测试方法

技术领域

本发明属于雷达姿态信号模拟器技术领域，具体地说，是涉及一种机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟方法。

背景技术

雷达天线安装在飞机上，当工作时它的扫描平面与水平面必须保持平行，但由于飞机飞行过程中的俯仰或横滚运动，使得雷达天线的扫描平面与水平面成了某一的角度，这样将影响对目标的探测。为使天线扫描平面在飞机运动过程中始终平行于水平面，就必须对雷达天线在俯仰和横滚方向进行修正，这就是要保证天线空域稳定性。雷达天线空域稳定性的测试在地面中进行，通过仿真飞机姿态（俯仰和横滚）信号的变化来测试雷达天线角度变化的情况。

传统的雷达姿态信号模拟器多为模拟姿态信号模拟器，大多采用硬件乘法器的方式来仿真飞机的姿态信号，姿态信号的输出变换大都通过自整角机、旋转变压器来完成，模拟机上姿态同步发生器产生的交变信号。主要存在的缺点有:(1)精度低。模拟姿态信号模拟器中常采用的精度控制方式是硬件电路控制，因而调节范围小且控制精度低。(2)通用性差。主要表现在姿态信号模拟器中的一套乘法器电路通常只能仿真一种对象的信号输出。(3)不易于与自动测试系统ATE平台接口。

发明内容

本发明为了解决现有模拟姿态信号模拟器精度低、通用性差的问题，提供了一种机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟测试方法，提高了精度以及通用性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种机载气象雷达姿态信号模拟器，包括：

中央控制单元，用于给定姿态角度值，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，

数字信号处理器，用于读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，

可编程逻辑器件，将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，

数模转换器，接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号，

信号放大变换电路，用于对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。

进一步的，还包括同步触发电路，用于产生参考信号并输出至数字信号处理器。

进一步的，所述的同步触发电路包括参考信号发生器以及过零检测电路，参考信号发生器通过过零检测电路与数字信号处理器的中断请求端子连接。

进一步的，所述的数模转换器为3个，分别用于转换航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，所述3个数模转换器的地址线、输出寄存器引脚分别与可编程逻辑器件的选址端、输出寄存器信号端一一对应连接，3个数模转换器的输入寄存器引脚分别连接可编程逻辑器件的3个不同的输入寄存器信号端。

进一步的，还包括上电复位电路，所述的电复位电路分别与数字信号处理器、3个数模转换器的复位端子连接。

进一步的，每个数模转换器分别连接一个信号放大变换电路。

优选的，所述的信号放大变换电路包括放大器和隔离变压器。

又进一步的，还包括天线分机，用于接收信号放大变换电路输出的模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号，并对上述信号响应。

又进一步的，所述天线分机内设置有俯仰控制信号形成电路，用于计算天线阵的俯仰修正量，还包括倾角传感器和比较单元，倾角传感器用于检测天线分机当前的姿态角度值，比较单元将天线分机当前的姿态角度值与参考值比较，判断天线分机对俯仰方向的修正是否正确。

基于上述的一种机载气象雷达姿态信号模拟器，本发明同时提供了一种机载气象雷达姿态信号模拟测试方法，包括以下步骤：

（1）、中央控制单元给定姿态角度值，并发送至数字信号处理器，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ；

（2）、数字信号处理器读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，并发送至可编程逻辑器件；

（3）、可编程逻辑器件将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，并发送至数模转换器；

（4）、数模转换器接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号并发送至信号放大变换电路；

（5）、信号放大变换电路对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的机载气象雷达姿态信号模拟器及模拟测试方法，(1)基于ATE平台，输出信号与参考信号的同步；实现信号的幅度和相位的精确控制，可在一定程度上消除了通道误差，并且当模拟器被用于雷达ATE时，该方法可以使ATE的系统计量校准工作更为简便。这一实现方法比传统的姿态信号模拟器单纯通过硬件方法来实现精度控制的方式，更简单、精确并且精度调节的范围更广。（2）该系统能适应需要不同电压幅度的各种对象，能针对航向、横滚、俯仰这三种不同对象，模拟其信号的输出且幅度能根据需要进行自动快速调节。（3）同时便于与计算机接口，比传统模拟器采用硬件平台方法更简单、精确，而且该系统能适应需要不同电压幅度的各种对象。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的机载气象雷达姿态信号模拟器的一种实施例结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本发明提供了一种机载气象雷达姿态信号模拟器，包括：中央控制单元，用于给定姿态角度值，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，数字信号处理器，用于读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，可编程逻辑器件，将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，数模转换器，接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号，信号放大变换电路，用于对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。本发明的机载气象雷达姿态信号模拟器基于雷达ATE平台，以数字信号处理器为核心，利用ATE平台计算机直接给定姿态角，然后在参考信号的同步下，通过多路数模转换器（DAC）产生与自整角机或旋转变压器相同的信号，该信号经过放大、隔离后，作为模拟姿态信号输出，相对于模拟式姿态信号模拟器，数字姿态信号模拟器使用灵活，控制精度高，同时便于与计算机接口，在ATE系统中应用广泛。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以一种机载气象雷达姿态信号模拟器为例，结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一，参见图1所示，本实施例的一种机载气象雷达姿态信号模拟器，包括：中央控制单元，用于给定姿态角度值，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，数字信号处理器，用于读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，可编程逻辑器件，将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，数模转换器，接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号，信号放大变换电路，用于对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。其中，数字信号处理器、可编程逻辑器件、数模转换器、以及信号放大变换电路共同组成气象雷达姿态适配器，可以适配雷达ATE（自动测试）接口，通用性强。

中央控制单元可以采用工控机实现，负责整个测试系统的配置、控制、监视、数据处理、人机对话和测试数据的读取、处理、存储与显示。整个系统中，以气象雷达姿态适配器为核心，其中数字信号处理器可以采用DSP:TMS320F2812实现、可编程逻辑器件采用CPLD95144实现、信号放大变换电路由运算放大器和隔离变压器组成，气象雷达姿态适配器的主要功能是按要求产生所需姿态信号。

模拟转换器可以采用AD5547芯片实现，该转换器采用并行输入,16位精度,4M带宽，每块芯片中包含A、B两个通道,能同步转换和输出，除数据线外,其主要控制引脚有WR、LDAC,RS,A0,A1等。其中WR为写DAC输入寄存器引脚,低电平有效。LDAC为写DAC输出寄存器引脚,高电平有效。A0、A1为地址线,用以选择通道。RS为复位脚,上电时RS=0,DAC输出清零。工作时,DSP首先依次将数据写入各通道(WR=0,LDAC=0),等所有DAC输入寄存器写完后,DSP将给出命令(WR=1,LDAC=1),同时刷新所有DAC输出。整个姿态模拟系统中共采用了4片DAC,其中一片的输出向其余三个通道提供直流基准，其余3片输出6个信号输出通道。其中两个通道输出姿态信号中的俯仰信号，又两个通道输出姿态信号中的横滚信号，剩下两个通道输出航向信号。在应用中，要求这三个信号同时输出，为保证这点，DAC的控制引脚A0、A1必须满足：A0=1、A1=0，即是每片DAC的A、B通道同时启动输出信号。

参见图1所示，姿态信号共有3路输出，能同时产生航向、横滚和俯仰三组信号，分别输出至3个数模转换器U1、U2、U3。工作时，工控机首先将给定的数字姿态角度值写入数字信号处理器的SARAM中，数字信号处理器读取给定的角度值并进行数字计算处理后触发可编程逻辑器件，可编程逻辑器件通过数字信号处理器发来的控制命令控制各组数模转换器接收数字信号处理器发来的姿态角数据，并按照要求产生姿态信号，该信号经过功率放大器放大及隔离变压器隔离变换后输出。

为了使姿态信号与参考信号同步，数字信号处理器在生成姿态信号时，需要跟踪参考信号周期的变化。对于该功能的实现，在模拟器采用了同步触发电路来完成，用于产生参考信号并输出至数字信号处理器。过零检测电路是同步触发电路的核心部分，它的主要功能是:使400Hz正弦参考信号通过过零检测电路，产生过零脉冲串，然后将脉冲串接入数字信号处理器的INT0引脚，这样当每个过零脉冲的下降沿到来时，即可产生数字信号处理器外部中断，通过这样的设置，每当数字信号处理器外部中断来到时，即可在中断服务程序中对输出信号的频率进行调整，使之与参考信号同步。

所述的同步触发电路包括参考信号发生器以及过零检测电路，参考信号发生器通过过零检测电路与数字信号处理器的中断请求端子连接。

优选设置数模转换器为3个，分别用于转换航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，该3个数模转换器U1、U2、U3的地址线（A0-A1）、输出寄存器引脚（LDAC）分别与可编程逻辑器件的选址端（A0-A1）、输出寄存器信号端（LDAC）一一对应连接，3个数模转换器的输入寄存器引脚（WR)分别连接可编程逻辑器件的3个不同的输入寄存器信号端（WR)。以及该3个数模转换器的数据输入端子（D0-D15）与数字信号处理器的数据输出端子（D0-D15）相连接。数模转换器在来自可编程逻辑器件的控制指令的控制下，从数字信号处理器接收姿态信号数据。

基准电源用于向DAC7、DAC8提供稳定的直流基准，而DAC7、DAC8的输出则作为DAC1-DAC6的直流基准。由于DAC7、DAC8的输出可控，所以可以方便地调整DAC1-DAC6的满度输出值，这样既保证了DAC输出信号的分辨率，又能适应不同对象对电压范围的要求。此外，利用ATE平台的交流电源输出400Hz信号经过限幅后输至R1、R2端，作为参考信号。

还包括上电复位电路，所述的电复位电路分别与数字信号处理器的复位端子nreset、3个数模转换器的复位端子RS连接。RS为复位脚,上电时RS=0,数模转换器输出清零。

每个数模转换器分别连接一个信号放大变换电路，优选的，所述的信号放大变换电路包括放大器和隔离变压器，用于对姿态信号进行功率放大和负载隔离、变换，本数字姿态信号模拟器具有通过改变DAC输出来适应不同对象的特点。

下面介绍关于航向信号的输出变换情况（第一个通道）。

当DAC输出为：

V_DAC1=Asinθsinwt

$V_{\mathrm{DAC}2}=\frac{\sqrt{3}}{2}A\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{wt},$

经过放大器放大和隔离器输出，在输出端的三个接头A1、B1、C1测得的电压V_C1A1、V_B1C1、V_A1B1，代表三相自整角机信号输出，用来模拟航向信号的产生。

当要求输出俯仰信号时，可使V_DAC3与V_DAC1相同，即

V_DAC3=Asinθsinwt

V_DAC4输出为下式：

V_DAC4=A（cosθ+0.5sinθ）sinwt

则模拟器输出V_A2C2、V_B2C2为旋转变压器信号，用来模拟俯仰信号。

当要求输出横滚信号时，可使V_DAC5与V_DAC1相同，即

V_DAC5=Asinθsinwt

V_DAC6输出为下式：

V_DAC6=A（cosθ+0.5sinθ）sinwt

则模拟器输出V_A3C3、V_B3C3为旋转变压器信号，用来模拟横滚信号。

其中sinθ与cosθ的计算，在姿态角θ给定后，可以通过查表求得。查表方式精度高、速度快且程序简单，但需要占据较多的内存。考虑到正弦函数的象限对称性，对于0°-360°区间，只需建立0°-90°的函数表即可。且余弦函数可与正弦共用一张表。这样可以节省大量内存。本系统以0.1°为步进建表，采用双精度字，也仅有1K字左右的内存。

接着需要考虑的是正弦载波信号sinwt的运算，要产生正弦载波信号sin wt，通过DSP内部定时器来完成。用定时中断控制DAC逐点进行输出，随着定时中断周期性产生，从而可以得到稳定的信号波形。具体如下：

首先对wt进行量化，将sin wt变为sin k△。这里△为角度步进值，k为当前输出点的量化序号，k=0,1,...,N-1。其中N为产生一周的正弦波形需要的量化点数。例如按每1度输出一个点计算，△=1°，则N=360°。对于气象雷达参考信号为400Hz的情况，信号周期T=1/400秒=2500微秒，则此时DAC每两个输出点之间的时间间隔为2500/360=6.944微秒。因此，DSP2812工作时每隔时间6.944微妙便产生一个中断，每当中断一到便进入中断服务程序，然后再根据当前输出点的量化序号k，从正弦函数表中提取出sin k△的值，然后控制DAC输出，而在下一个定时器中断到来时，k自动加1，再重复上述过程，从而生成稳定的正弦波形。

根据以上方案，DSP上电复位以及加载程序后，需要完成初始化的设置，其中包括DSP的工作时钟设置、DSP定时中断设置(定时器控制器TCR、定时器周期寄存器PRD)、外部中断设置等内容。然后，开放定时器中断及外部中断。接着构建新的输出数值表，其操作步骤如下:查询正弦函数表，计算最终将输出的信号的数据值，然后将其逐点存入另一个输出数值表中待用。在完成以上设置及计算后，待定时中断到来开始输出数据。此后，定时中断一直处于开放状态，可持续的产生定时中断，在每两个相邻的两个定时中断之间，就从输出数值表中的输出一点数据值，周而复始，这样就输出了稳定的信号波形。

此外，本机载气象雷达姿态信号模拟器还包括天线分机，用于接收信号放大变换电路输出的模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号，并对上述信号响应。

天线分机内设置有俯仰控制信号形成电路，用于计算天线阵的俯仰修正量，还包括倾角传感器和比较单元，倾角传感器用于检测天线分机当前的姿态角度值，比较单元将天线分机当前的姿态角度值与参考值比较，判断天线分机对俯仰方向的修正是否正确，完成姿态模拟测试。

实施例二，基于实施例一的机载气象雷达姿态信号模拟器，本发明同时提供了一种机载气象雷达姿态信号模拟测试方法，包括以下步骤：

S1、中央控制单元给定姿态角度值，并发送至数字信号处理器，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ；

S2、数字信号处理器读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，并发送至可编程逻辑器件；

S3、可编程逻辑器件将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，并发送至数模转换器；

S4、数模转换器接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号并发送至信号放大变换电路；

S5、信号放大变换电路对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，包括：

中央控制单元，用于给定姿态角度值，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，

数字信号处理器，用于读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，

可编程逻辑器件，将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，

数模转换器，接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号，

信号放大变换电路，用于对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。

2.根据权利要求1所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，还包括同步触发电路，用于产生参考信号并输出至数字信号处理器。

3.根据权利要求2所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，所述的同步触发电路包括参考信号发生器以及过零检测电路，参考信号发生器通过过零检测电路与数字信号处理器的中断请求端子连接。

4.根据权利要求1所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，所述的数模转换器为3个，分别用于转换航向角α、横滚角β、和俯仰角γ，所述3个数模转换器的地址线、输出寄存器引脚分别与可编程逻辑器件的选址端、输出寄存器信号端一一对应连接，3个数模转换器的输入寄存器引脚分别连接可编程逻辑器件的3个不同的输入寄存器信号端。

5.根据权利要求4所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，还包括上电复位电路，所述的电复位电路分别与数字信号处理器、3个数模转换器的复位端子连接。

6.根据权利要求4所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，每个数模转换器分别连接一个信号放大变换电路。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，所述的信号放大变换电路包括放大器和隔离变压器。

8.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，还包括天线分机，用于接收信号放大变换电路输出的模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号，并对上述信号响应。

9.根据权利要求8所述的机载气象雷达姿态信号模拟器，其特征在于，所述天线分机内设置有俯仰控制信号形成电路，用于计算天线阵的俯仰修正量，还包括倾角传感器和比较单元，倾角传感器用于检测天线分机当前的姿态角度值，比较单元将天线分机当前的姿态角度值与参考值比较，判断天线分机对俯仰方向的修正是否正确。

10.一种机载气象雷达姿态信号模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、中央控制单元给定姿态角度值，并发送至数字信号处理器，所述姿态角度值包括航向角α、横滚角β、和俯仰角γ；

（2）、数字信号处理器读取姿态角度值，将姿态角度值进行数字计算处理转换为数字信号，以及生成控制信号，并发送至可编程逻辑器件；

（3）、可编程逻辑器件将控制信号转换成为用于控制数模转换器工作的控制指令，并发送至数模转换器；

（4）、数模转换器接受控制指令的控制，将数字信号处理器输出的数字信号进行数模转换，生成姿态角度值的模拟信号并发送至信号放大变换电路；

（5）、信号放大变换电路对姿态角度值的模拟信号进行功率放大和负载隔离、变换，分别生成模拟航向信号、模拟俯仰信号、以及模拟横滚信号并输出。