CN106526552B - 一种船舶导航雷达发射机调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶导航雷达发射机调制器，该调制器包括驱动开关电路、驱动触发开关电路、高压触发推挽电路、高压开关电源及整流电路、高压调制变压器、测试功率回路、整流电路、音频变压器、交流电源变压器、磁控管、FPGA模块控制电路、高压尾迹控制电路，所述测试功率回路包含精密电阻和模数转换模块，反馈电流经过精密电阻形成反馈电压，反馈电压经过AD模数装换芯片转换成数字信号，所述测试功率回路向FPGA模块控制电路提供回路信号，FPGA模块控制电路同时调节高压电源的输出电压。本发明采用二次稳压系统，保证收发机脉冲电压稳定，改善高压变压器尾迹的脉宽长度，从而提高雷达的最小探测距离，提高雷达整机性能。
Description
技术领域
本发明属于船舶导航雷达领域，具体涉及一种船舶导航雷达发射机调制器。
背景技术
船舶导航雷达作为船舶航行、进出港、船舶定位及窄航道夜间行驶等不可缺少的导航工具，在船用电子中占据着重要的位置，伴随着造船业的发展，船用电子设备，尤其是船舶导航雷达得到广泛的关注与研究。目前，国内航海雷达存在雷达发设计机技术欠缺，雷达距离分辨率低、近距离探测能力弱、中频漂移严重等一系列问题。针对以上问题，本文开展了船舶导航雷达发射机的设计，探索船舶导航雷达发射机技术，并改善雷达性能，降低生产成本，设计出一款导航雷达发射机调制器模块。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种船舶导航雷达发射机调制器，能够克服国内航海雷达存在雷达发射计机近距离探测能力弱、开关脉冲干扰系列问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种船舶导航雷达发射机调制器，该调制器包括驱动开关电路、驱动触发开关电路、高压触发推挽电路、高压开关电源及整流电路、高压调制变压器、测试功率回路、整流电路、音频变压器、交流电源变压器、磁控管、FPGA模块控制电路、高压尾迹控制电路，所述测试功率回路包含精密电阻和模数转换模块，反馈电流经过精密电阻形成反馈电压，反馈电压经过AD模数装换芯片转换成数字信号，所述测试功率回路向FPGA模块控制电路提供回路信号，FPGA模块控制电路同时调节高压电源的输出电压，
所述高压尾迹控制电路连接在FPGA模块控制电路和高压调制变压器之间，所述高压尾迹控制电路接入FPGA模块控制电路的控制逻辑，控制继电器输出12V电平或0V电平，通过高压脉冲抑制回路来切除高压调制变压器关断瞬间的脉冲尾迹实现雷达的最小探测距离，
所述调制器采用数字脉宽控制方式把电源效率最大化，通过FPGA模块控制电路控制高压高功率开关和高频变压器升压系统启动磁控管的辐射模式并控制辐射脉宽，功率和脉冲频率指标，所述磁控管需要-8kV的负向脉冲，脉冲电流8A，占空比小于1：1000，脉宽小于1.2us 才能启动正规的辐射脉冲，所述调制器为了提供-8kV高压脉冲采用二级升压系统。
所述二级升压系统为：
第一级升压系统从交流220VAC的输入电压采用50Hz交流电源变压器来减压并输出三种交流电压：55VAC、 10VAC 或8VAC，所述交流电压依次通过整流电路高压开关电源及整流电路、音频变压器后，脉宽控制信号通过驱动开关电路在第一级升压产生450VDC 的直流电压，所述450VDC 的直流电压被FPGA模块控制电路和驱动触发开关电路调节，所述FPGA模块控制电路输入功率反馈2-5v直流电压，输出脉宽控制信号，所述驱动触发开关电路接入5v触发信号，通过三极管放大电路增强驱动电流，输出8v触发信号，
第二升压级为高功率高压触发开关电路：所述高压触发推挽电路接入450VDC 的直流电压，所述驱动触发开关电路输出的8v触发信号通过控制MOSFET功率器件的导通，产生高频450v交流信号输入高压调制变压器，所述高压调制变压器接入高频450V交流电源 ，输出-8kV 的负向脉冲，所述高压调制变压器的输出端接磁控管的阴极端口，所述磁控管接入高压调制变压器输出的-8kV 的负向脉冲，对外发射出电磁波；FPGA模块控制电路输出的触发脉冲通过驱动触发开关电路控制脉冲宽度和脉冲频率指标，所述磁控管的电流通过功率反馈电路来判断当前辐射脉冲功率，从而实现功率的自动控制。
本发明中所述驱动开关电路接入5v高压电源脉宽控制信号，通过三极管放大电路增强驱动电流，输出8V脉宽控制信号；所述驱动触发开关电路接入5v触发信号，通过三极管放大电路增强驱动电流，输出8v触发信号；所述高压触发推挽电路接入450V直流电压，触发信号通过控制MOSFET功率器件的导通，产生高频450v交流信号输入高压调制变压器；所述高压开关电源及整流电路接入60V直流电压，触发信号通过控制MOSFET功率器件的导通，产生高频60v交流信号输入音频变压器，音频变压器输出380交流电源经过整流电路输出450V直流电源；高压调制变压器接入高频450V交流电源 ，输出-8kV 的负向脉冲；所述测试功率回路输入调制变压器反馈信号，输出2-5V电压信号；所述整流电路输入交流55V信号输出60V直流电源；所述音频变压器输入60V高频电源，输出380v高频电源；交流电源变压器输入220V交流电源输出55V 10V，8V交流电源，磁控管接入-8kV 的负向脉冲，对外发射出电磁波，所述FPGA模块控制电路输入功率反馈2-5v直流电压，输出脉宽控制信号，所述高压尾迹控制电路接入FPGA的控制逻辑控制继电器输出12V电平或0V电平。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
①本发明船舶导航雷达发射机调制器模块通过实船验证，装有本发明的雷达探测距离优于25米，最小探测距离满足了国际雷达标准的要求，最小探测距离可以减小船舶对近距离目标的获取，达到很好的船舶安全避碰的效果；②本发明采用二次稳压系统，添加自动稳压控制功能 ，保证收发机脉冲电压稳定，改善高压变压器尾迹的脉宽长度，从而提高雷达的最小探测距离，提高雷达整机性能；③本发明测试功率回路的设置，使其通过测试高频调制变压器的电流来判断电压是否达标，当FPGA通过检测功率回路的反馈电流小于标准值时 ，FPGA增加高压电源的控制脉宽来达到符合磁控管正常工作的电压，当FPGA通过检测功率回路的反馈电流小于标准值时，FPGA就会减小高压电源的控制脉宽来达到符合磁控管正常工作的电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明调制器的模块功能原理框图。
图2为本发明的功率控制程序图。
图3为本发明的P0模式接入高压尾迹抑制电路的波形图。
图4为现有技术中P4模式未接入高压尾迹抑制电路的波形。
具体实施方式
下面结合实施举例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1-图4所示，本实施例船舶导航雷达发射机调制器，该调制器包括驱动开关电路1、驱动触发开关电路2、高压触发推挽电路3、高压开关电源及整流电路4、高压调制变压器5、测试功率回路6、整流电路7、音频变压器8、交流电源变压器9、磁控管10、FPGA模块控制电路11、高压尾迹控制电路12，所述测试功率回路6包含精密电阻和模数转换模块，反馈电流经过精密电阻形成反馈电压，反馈电压经过AD模数装换芯片转换成数字信号，所述测试功率回路6向FPGA模块控制电路11提供回路信号，FPGA模块控制电路11同时调节高压电源的输出电压，
所述高压尾迹控制电路12连接在FPGA模块控制电路11和高压调制变压器5之间，所述高压尾迹控制电路12接入FPGA模块控制电路11的控制逻辑，控制继电器输出12V电平或0V电平，通过高压脉冲抑制回路来切除高压调制变压器5关断瞬间的脉冲尾迹实现雷达的最小探测距离，
所述调制器采用数字脉宽控制方式把电源效率最大化，通过FPGA模块控制电路11控制高压高功率开关和高频变压器升压系统启动磁控管的辐射模式并控制辐射脉宽，功率和脉冲频率指标，所述磁控管10需要-8kV的负向脉冲，脉冲电流8A，占空比小于1：1000，脉宽小于1.2us 才能启动正规的辐射脉冲，所述调制器为了提供-8kV高压脉冲采用二级升压系统。
本实施例所述二级升压系统为：第一级升压系统从交流220VAC的输入电压采用50Hz交流电源变压器9来减压并输出三种交流电压：55VAC、 10VAC 或8VAC，所述交流电压依次通过整流电路7高压开关电源及整流电路4、音频变压器8后，脉宽控制信号通过驱动开关电路1在第一级升压产生450VDC 的直流电压，所述450VDC 的直流电压被FPGA模块控制电路11和驱动触发开关电路2调节，所述FPGA模块控制电路11输入功率反馈2-5v直流电压，输出脉宽控制信号，所述驱动触发开关电路2接入5v触发信号，通过三极管放大电路增强驱动电流，输出8v触发信号，
第二升压级为高功率高压触发开关电路：所述高压触发推挽电路3接入450VDC 的直流电压，所述驱动触发开关电路2输出的8v触发信号通过控制MOSFET功率器件的导通，产生高频450v交流信号输入高压调制变压器5，所述高压调制变压器5接入高频450V交流电源，输出-8kV 的负向脉冲，所述高压调制变压器5的输出端接磁控管10的阴极端口，所述磁控管10接入高压调制变压器5输出的-8kV 的负向脉冲，对外发射出电磁波；FPGA模块控制电路11输出的触发脉冲通过驱动触发开关电路2控制脉冲宽度和脉冲频率指标，所述磁控管10的电流通过功率反馈电路来判断当前辐射脉冲功率，从而实现功率的自动控制。
本实施例中船舶导航雷达发射机调制器的调制原理，包括以下步骤：
步骤一， 调制器中FPGA模块控制电路、音频变压器、交流电源变压器和磁控管组成雷达收发机系统；
步骤二，450V电源系统说明交流电源通过整流电路为调制板提供60V直流电源，通过FPGA实现数字脉宽调制技术将60V直流以推挽逆变电源转换成450V直流电源；
步骤三，第二升压级为高功率高压触发开关电路，此电路用高压电源的输出来驱动高压变压器的输入端，高压变压器的输出端接磁控管的阴极端口，高压电源开关及整流电路提供的450VDC 经过推挽电路输出-8kV 的负向脉冲，FPGA输出的触发脉冲通过驱动电路控制脉冲宽度和脉冲频率指标，当雷达量程（P0脉宽）在0.125海里之内时，由于高压变压器的尾迹脉冲周期比较长，本发明通过高压脉冲抑制回路来切除高压变压器关断瞬间的脉冲尾迹来实现雷达的最小探测距离的指标，P0 脉冲下降沿以后的尾迹时间长度为500ns，相当于75m的距离，尾迹在时间的10~20%带有效的电压幅度能发生明显的干扰，等于10~15m的距离。因为P4 模式不使用在近距离量程下，所以不必要抑制尾迹的干扰，因此也不接饱和电感。这情况下能看出来，尾迹的时间长度为3us，等于450m 的距离，干扰有效距离在50米内，就是说在50m之内的目标不能正常的被探测到。因为P4 模式不使用在6nm 以下的量程，在雷达显示器上的大量程50m的近距离图像不明显也不重要，所以也不必要保持近距离的小干扰，所以通过高压脉冲抑制回路来切除高压变压器关断瞬间的脉冲尾迹来实现雷达的最小探测距离的指标是一个非常有效的方法，如图3为P0模式接入高压尾迹抑制电路的波形，图4中P4模式未接入高压尾迹抑制电路的波形，P4模式是在6海里的远距离探测模式，所以对近距离的回波要求不高；
步骤四，测试功率的回路通过测试高频调制变压器的电流来判断电压是否达标，首先系统初始化，FPGA接收上位机发送的控制命令，FPGA输出脉宽调制信号启动高压电源，功率反馈电路开始工作，当反馈电压大于标准值V时，FPGA减小输出脉宽调制信号占空比，直至反馈电压达到标准值V。
装有本实施例的调制器的导航雷达的探测距离与国内外雷达厂商的最小探测距离指标的对比见表1：
表1为本实施例雨国内外的几家雷达厂商的最小探测距离指标的对比
| 技术指标 | 国标 | 本实施例 | Sperry | 古野 |
| 最小探测距离（单位：m） | ≤40 | ≤25 | ≤25 | ≤25 |
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (2)
1.一种船舶导航雷达发射机调制器，其特征在于，该调制器包括驱动开关电路（1）、驱动触发开关电路（2）、高压触发推挽电路（3）、高压开关电源及整流电路（4）、高压调制变压器（5）、测试功率回路（6）、整流电路（7）、音频变压器（8）、交流电源变压器（9）、磁控管（10）、FPGA模块控制电路（11）、高压尾迹控制电路（12），所述测试功率回路（6）包含精密电阻和模数转换模块，反馈电流经过精密电阻形成反馈电压，反馈电压经过AD模数转换芯片转换成数字信号，所述测试功率回路（6）向FPGA模块控制电路（11）提供回路信号，FPGA模块控制电路（11）同时调节高压电源的输出电压，
所述高压尾迹控制电路（12）连接在FPGA模块控制电路（11）和高压调制变压器（5）之间，所述高压尾迹控制电路（12）接入FPGA模块控制电路（11）的控制逻辑，控制继电器输出12V电平或0V电平，通过高压脉冲抑制回路来切除高压调制变压器（5）关断瞬间的脉冲尾迹实现雷达的最小探测距离，
所述调制器采用数字脉宽控制方式把电源效率最大化，通过FPGA模块控制电路（11）控制高压高功率开关和高频变压器升压系统启动磁控管的辐射模式并控制辐射脉宽、功率和脉冲频率指标，所述磁控管（10）需要-8kV的负向脉冲，脉冲电流8A，占空比小于1：1000，脉宽小于1.2us 才能启动正规的辐射脉冲，所述调制器为了提供-8kV高压脉冲采用二级升压系统。
2.根据权利要求1所述的船舶导航雷达发射机调制器，其特征在于，所述二级升压系统为：
第一级升压系统从交流220VAC的输入电压采用50Hz交流电源变压器（9）来减压并输出三种交流电压：55VAC、 10VAC 或8VAC，所述交流电压依次通过整流电路（7）、高压开关电源及整流电路（4）、音频变压器（8）后，脉宽控制信号通过驱动开关电路（1）在第一级升压产生450VDC 的直流电压，所述450VDC 的直流电压被FPGA模块控制电路（11）和驱动触发开关电路（2）调节，所述FPGA模块控制电路（11）输入功率反馈2-5v直流电压，输出脉宽控制信号，所述驱动触发开关电路（2）接入5v触发信号，通过三极管放大电路增强驱动电流，输出8v触发信号，
第二升压级为高功率高压触发开关电路：所述高压触发推挽电路（3）接入450VDC 的直流电压，所述驱动触发开关电路（2）输出的8v触发信号通过控制MOSFET功率器件的导通，产生高频450v交流信号输入高压调制变压器（5），所述高压调制变压器（5）接入高频450V交流电源 ，输出-8kV 的负向脉冲，所述高压调制变压器（5）的输出端接磁控管（10）的阴极端口，所述磁控管（10）接入高压调制变压器（5）输出的-8kV 的负向脉冲，对外发射出电磁波；FPGA模块控制电路（11）输出的触发脉冲通过驱动触发开关电路（2）控制脉冲宽度和脉冲频率指标，所述磁控管（10）的电流通过功率反馈电路来判断当前辐射脉冲功率，从而实现功率的自动控制。
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