CN106450761A - 基于fpga的集中式相控阵列波束控制装置 - Google Patents

基于fpga的集中式相控阵列波束控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，包括FPGA模块、下位发送模块和下位接收模块，所述FPGA模块通过所述下位接收模块自天线阵列获得数据，并行实现各天线阵列的相位计算，进而通过所述下位发送模块并行实现各天线的波束扫描的配置。

Description

基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置
技术领域
本发明涉及航天控制领域，尤其涉及一种基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置。
背景技术
近年来，相控阵雷达广泛应用于军用和民用领域，其主要特点和优点是天线波束扫描快速、灵活，能实现无惯性快速扫描，从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间，具有较高的数据率，而这种性能是通过固态有源相控阵特有的波束控制装置来实现的。波束控制装置基本功能是根据要求的相控阵天线波束最大值指向的位置，计算每一个天线单元移相器所要求的波控数码，传输至每一个移相器，控制每一个移相器相位状态的转换，产生与波束指向相对应的相位分布，实现对波束指向的控制。整个波束扫描的响应时间主要取决于波束控制装置的响应时间。
目前相控阵雷达的波束控制装置一般采用集中式和分布式两类解决方案。集中式方案由一套波束控制装置对阵面各点的相位进行统一运算，算完后将数据分路传至阵面各点。此方法硬件设备量少，适合于阵面单元较少的相控阵雷达，当天线单元较多时，由于其运算时间增加，影响波束扫描的速度。分布式方案通过将阵面分割，每个子阵对应一个波束控制装置，分别进行本子阵内单元的移相量计算，来减少运算时间，满足波束的快速扫描要求。但是设备量的增加而引起成本上升，可靠性下降，调试、维护工作量大。
发明内容
为了解决以上提到的问题，本发明提供了一种基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，包括FPGA模块、下位发送模块和下位接收模块，所述FPGA 模块通过所述下位接收模块自天线阵列获得数据，并行实现各天线阵列的相位计算，进而通过所述下位发送模块并行实现各天线的波束扫描的配置。
可选的，所述FPGA模块外扩有FLASH模块和SRAM模块，所述FLASH模块被配置成能够存储天线阵列的补偿矫正数据和预存的参数数据，以供所述FPGA模块调取使用，所述SRAM模块被配置成能够存储所述FPGA模块进行计算过程中的中间结果。
可选的，所述FPGA模块外扩有CAN控制器，所述FPGA模块通过所述CAN控制器自中心计算机接收报文信息，所述FPGA模块依据所述报文信息实现对天线阵列中各天线单元的相位计算。
可选的，所述FPGA模块通过所述CAN控制器接收的报文信息至少包括频点、指向信息以及波束形状。
可选的，所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置还包括上位接收模块，所述FPGA模块还通过所述上位接收模块与中心计算机通讯，进而通过所述上位接收模块响应时序调度，实现对天线阵列的相位计算和/或各天线的波束扫描的配置。
可选的，所述FPGA模块还用以对天线阵列进行BIT统计和监测，进而反馈至中心计算机。
可选的，所述FPGA模块中构建有计算单元和配相单元，各计算单元、各配相单元和各天线阵列一一对应，每个所述计算单元对应计算一个天线阵列的相位码，每个所述配相单元根据对应计算单元计算后的相位码对对应的天线阵列进行波束扫描的配置。
可选的，所述FPGA模块中还构建有命令解析单元，所述命令解析模块响应所述中心计算机反馈的命令，解析后控制所述FPGA模块中其他单元的工作。
可选的，所述FPGA模块中构建有监测单元，所述监测单元，对各天线阵列的运行数据信息进行采集、统计、报文装订以及向中心计算机回告。
可选的，所述运行数据包括各阵列的BIT信息以及温度信息。
可选的，所述FPGA模块中构建有接口控制单元，所述FPGA外扩的模块由所述接口控制单元驱动控制。
发明公开一种基于FPGA架构的集中式相控阵波束控制装置，该装置并行完成所有阵列的相位计算和传输配置实现波束的扫描，同时可以对每个天线阵列进行BIT统计和监测等功能。基于FPGA的并行计算技术，解决了传统的基于FPGA+DSP架构的集中式波束控制装置由于天线阵面规模大而引起的配相计算量大实时性难以满足要求的问题；可见，本发明采用了集中式解决方案，克服了分布式波束控制装置由于设备量增加而引起的调试、维护工作量大的缺点，减少了设备量，降低了成本，提高了装置的可靠性。
附图说明
图1是本发明一可选实施例中基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置的示意图；
图2是本发明一可选实施例中FPGA模块的示意图。
具体实施方式
以下将结合图1对本发明提供的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1，本发明提供了一种基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，包括FPGA模块、下位发送模块和下位接收模块，所述FPGA模块通过所述下位接收模块自天线阵列获得数据，并行实现各天线阵列的相位计算，进而通过所述下位发送模块并行实现各天线的波束扫描的配置。
在本发明优选的实施例中，所述FPGA模块外扩有FLASH模块和SRAM模块，其中：
所述FLASH模块被配置成能够存储天线阵列的补偿矫正数据和预存的参 数数据，以供所述FPGA模块调取使用，也可理解为，用来存储天线单元的补偿校正数据和程序的各种参数。
所述SRAM模块被配置成能够存储所述FPGA模块进行计算过程中的中间结果。
在本发明优选的实施例中，所述FPGA模块外扩有CAN控制器，所述FPGA模块通过所述CAN控制器自中心计算机接收报文信息，所述FPGA模块依据所述报文信息实现对天线阵列中各天线单元的相位计算。其中，所述FPGA模块通过所述CAN控制器接收的报文信息至少包括频点、指向信息以及波束形状。通过CAN控制器与中心计算机互联，利用CAN接口单元，FPGA响应不同的CAN数据和指令。在战斗模式中，根据CAN报文中的波束指向、频点、波束形状等信息，进行阵面收发组件的相位计算，并对接收的阵面BIT信息进行统计和装订，通过CAN控制器向中心计算机进行回告。
在本发明优选的实施例中，所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置还包括上位接收模块，所述FPGA模块还通过所述上位接收模块与中心计算机通讯，进而通过所述上位接收模块响应时序调度，实现对天线阵列的相位计算和/或各天线的波束扫描的配置。
在本发明优选的实施例中，所述FPGA模块还用以对天线阵列进行BIT统计和监测，进而反馈至中心计算机。
以上对FPGA模块对外的硬件扩展和FPGA的主要功能进行了阐述，再进一步具体的实施例中：
构成该装置的硬件上主要由FPGA、SRAM、FLASH、CAN控制器、差分输入输出等芯片构成。FPGA选用Altera公司低成本的Cyclone IV系列FPGA EP4CE115F780作为整个硬件平台的核心。外扩4片SRAM，暂存FPGA进行浮点计算的中间结果、参数、补偿数据，SRAM选择GSI公司高速同步SRAM GS8128436GB-250I，容量大，速度快，驱动开发简单。为了离线存储天线收发组件的补偿数据和计算参数需要在FPGA外部增加FLASH器件，本发明选择深 圳国微公司的32Mb NOR Flash。CAN控制器选择Micorchip公司的MCP2515通过SPI接口接入FPGA，具有硬件走线少，驱动控制简单的优点。系统时序调度信号和阵面监测信号通过差分输入、输出接口接入FPGA。
下文对所述FPGA模块基于软件功能所配置的电路单元进行详细阐述：
在本发明优选的实施例中，所述FPGA模块中构建有计算单元和配相单元，各计算单元、各配相单元和各天线阵列一一对应，每个所述计算单元对应计算一个天线阵列的相位码，每个所述配相单元根据对应计算单元计算后的相位码对对应的天线阵列进行波束扫描的配置。
具体展开来说，在FPGA中构建计算单元，将天线阵面按阵列进行划分，每个阵列对应一个计算单元。根据频点、指向信息、波束形状等参数，计算单元可以并行完成对应阵列的天线单元相位计算。
在FPGA中构建配相单元，每个计算单元对应一个配相单元，将计算后的相位码按约定的格式向阵列传输，写入对应的天线的收发组件后，完成对天线波束的指向控制。
本发明可选的实施例中，所述FPGA模块中还构建有命令解析单元，所述命令解析模块响应所述中心计算机反馈的命令，解析后控制所述FPGA模块中其他单元的工作。具体来说，可以在FPGA中构建命令解析单元来相应来自中心计算机的各种指令，计算参数，工作模式切换。
本发明可选的实施例中，所述FPGA模块中构建有监测单元，所述监测单元，对各天线阵列的运行数据信息进行采集、统计、报文装订以及向中心计算机回告。其中，所述运行数据包括各阵列的BIT信息以及温度信息。具体来说，可以理解为采集对应阵列的收发组件的BIT、温度等信息，完成对天线阵面的监测。
本发明可选的实施例中，所述FPGA模块中构建有接口控制单元，所述FPGA外扩的模块由所述接口控制单元驱动控制。接口控制单元可以包括CAN接口单元、SPAM控制单元和FLASH控制单元。
参见图2，为本发明优选实施例FPGA硬件电路模块框图。在Altera公司FPGA集成开发环境中建立工程，依次实现CAN接口控制单元、命令解析单元、计算单元、配相单元、监测单元等模块。完成对FPGA外围设备的驱动控制，并根据系统时序和报文完成处理和解析，完成波束控制装置的软件设计。
对于二维平面阵，移相器数量成百上千，且要求实时计算，由于阵面单元常采用三角形排列，单元间间距固定，做固定的乘加运算来完成波束码的实现。单个收发组件相位码计算框图，根据指令中的工作模式、波束指向、波束宽度和工作频率等参数，单个收发组件相位控制包括波控码计算、相位码修正、浮点数取整量化、波控码校验和拼合等步骤。利用FPGA的并行工作特性，根据天线阵列的个数，在FPGA中例化对应数量的计算模块，构成计算单元，同时完成每个阵列中同一位置收发组件的相位控制，提高了系统的实时性。
综合以上描述可见：
本发明可选方案可以采用一个装置根据固态有源相控阵中心计算机的命令和时序，实现对的天线中各个收发组件的相位控制和检测；整体上采用基于FPGA外扩SRAM、FLASH、CAN控制器、差分输入输出等芯片的硬件架构；细节上来说FPGA上由接口控制单元、命令解析单元、计算单元、配相单元、监测单元等模块构成；实际应用中根据中心计算机的CAN报文和时序调度，利用FPGA内部乘法器、加法器构建天线阵列相位计算单元，并行完成所有阵列的相位计算和传输配置实现波束的扫描，同时对每个天线阵列进行BIT监测并向中心计算机回告BIT监测信息；在测试模式，中心计算机可以单独控制阵面每个T/R组件的开关状态，移相角度、频点在内状态，方便天线阵列测试和维修。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
对于二维平面阵，移相器数量成百上千，且要求实时计算，由于阵面单元常采用三角形排列，单元间间距固定，做固定的乘加运算来完成波束码的实现。其优点是阵面走线简单，控制灵活，设备量较少，此种方法已经成功应用于多部大型相控阵雷达，技术先进可靠。
综上所述，发明公开一种基于FPGA架构的集中式相控阵波束控制装置，该装置并行完成所有阵列的相位计算和传输配置实现波束的扫描，同时可以对每个天线阵列进行BIT统计和监测等功能。基于FPGA的并行计算技术，解决了传统的基于FPGA+DSP架构的集中式波束控制装置由于天线阵面规模大而引起的配相计算量大实时性难以满足要求的问题；可见，本发明采用了集中式解决方案，克服了分布式波束控制装置由于设备量增加而引起的调试、维护工作量大的缺点，减少了设备量，降低了成本，提高了装置的可靠性。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：包括FPGA模块、下位发送模块和下位接收模块，所述FPGA模块通过所述下位接收模块自天线阵列获得数据，并行实现各天线阵列的相位计算，进而通过所述下位发送模块并行实现各天线的波束扫描的配置。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块外扩有FLASH模块和SRAM模块，所述FLASH模块被配置成能够存储天线阵列的补偿矫正数据和预存的参数数据，以供所述FPGA模块调取使用，所述SRAM模块被配置成能够存储所述FPGA模块进行计算过程中的中间结果。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块外扩有CAN控制器，所述FPGA模块通过所述CAN控制器自中心计算机接收报文信息，所述FPGA模块依据所述报文信息实现对天线阵列中各天线单元的相位计算。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块通过所述CAN控制器接收的报文信息至少包括频点、指向信息以及波束形状。
5.如权利要求1所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：还包括上位接收模块，所述FPGA模块还通过所述上位接收模块与中心计算机通讯，进而通过所述上位接收模块响应时序调度，实现对天线阵列的相位计算和/或各天线的波束扫描的配置。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块还用以对天线阵列进行BIT统计和监测，进而反馈至中心计算机。
7.如权利要求1至6任意之一所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块中构建有计算单元和配相单元，各计算单元、各配相单元和各天线阵列一一对应，每个所述计算单元对应计算一个天线阵列的相位码，每个所述配相单元根据对应计算单元计算后的相位码对对应的天线阵列进行波束扫描的配置。
8.如权利要求7所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块中还构建有命令解析单元，所述命令解析模块响应所述中心计算机反馈的命令，解析后控制所述FPGA模块中其他单元的工作。
9.如权利要求7所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块中构建有监测单元，所述监测单元，对各天线阵列的运行数据信息进行采集、统计、报文装订以及向中心计算机回告；所述运行数据包括各阵列的BIT信息以及温度信息。
10.如权利要求7所述的基于FPGA的集中式相控阵列波束控制装置，其特征在于：所述FPGA模块中构建有接口控制单元，所述FPGA外扩的模块由所述接口控制单元驱动控制。
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