CN110412521B - 数字相控阵天线的离散控制信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字相控阵天线的离散信号检测方法，以解决数字相控阵天线中复杂星型拓扑结构的离散控制信号节点设备的检测、维护困难问题。本发明通过下述技术方案实现：雷达系统发起自检流程时，离散控制信号拓扑结构中的源节点设备通过接口通信设备收到自检命令，根据离散控制信号的种类，在FPGA的检测信号波形生成器中产生不同波形格式和数量的训练检测信号，经各中间节点设备透明转发，到达拓扑结构末端；同时各节点设备根据训练检测波形规则，进行波形检测和正确波形数量统计；然后源节点设备依次对其它节点设备进行自检，获取其它节点设备各训练检测波形检测正确数量并与自身产生的数量进行对比，判断各个节点设备工作状态是否正常。

Description

数字相控阵天线的离散控制信号检测方法

技术领域

本发明是关于数字相控阵天线各级离散控制信号节点设备工作状态的故障检测和定位方法，尤其是用于数字相控阵体制的雷达系统中，数字相控阵天线的离散控制信号检测方法。

背景技术

相控阵天线由很多辐射单元排列而成，各个单元的馈电相位由计算机灵活控制，通过改变阵列中各个单元相位实现天线波束指向变化，相控阵雷达具有波束捷变（包括波束空间位置捷变及波束方向图形捷变）能力等独特的优点,可实现波束快速扫描、波束赋形捷变，还具有多波束形成和空间功率合成能力。模拟相控阵天线采用数字移相器与波束合成网络实现波束形成与控制，由于移相器的精度、阻抗不匹配引起的反射、温度变化影响等使得馈线各单元通道之间幅相不一致，存在幅相误差，该误差对天线的波束指向、副瓣电平、波束宽度、增益等指标均有重要影响。数字相控阵天线采用直接数字频率合成器(DDS)、数字上变频器(DUC)、数字下变频器(DDC)和数字控制振荡器(NCO)等对接收和发射波束合成参数精确控制，实现相控阵发射波束合成和接收波束的数字形成(DBF)，提高相控阵天线的数字化程度。

数字相控阵体制的雷达系统根据数字相控阵天线的资源，使用数字多波束形成技术，可同时形成多个发射波束和多个接收波束，具备波束扫描快速、控制灵活,对多个目标同时发现处理和跟踪能力。数字相控阵天线一般由天线辐射单元，数字T/R组件、控制设备、通信设备和功分网络等不同种类和数量的单元和设备构成。其中控制设备根据雷达系统工作流程，产生、接收或者转发不同的离散控制信号，完成对数字T/R组件的发射/接收状态切换控制，完成对校正补偿参数切换控制，完成对数字、模拟波束合成参数精准切换控制，最终实现数字相控阵体制的雷达的系统功能。

数字相控阵天线的控制设备包含了离散控制信号的源节点设备、中间节点设备和终端节点设备。离散控制信号的接收和转发功能主要基于硬件模块中的离散控制信号驱动芯片和可编程门阵列芯片FPGA实现，考虑到其硬件的低复杂度和较高可靠性，一般情况下，只要对应模块或者单元的离散控制信接收和转发功能经过检验且功能正常，设备集成后全系统的离散控制信号接收转发功能也正常。

由于数字相控阵离散控制信号传输节点设备众多，系统节点设备拓扑结构复杂，导致了离散控制信号转发功能故障检测、问题定位和维护困难。实际应用中发现：有多种原因可能导致离散控制信号接收和转发功能异常，例如电缆连接问题，接收/发射驱动芯片损坏，可编程门阵列芯片FPGA损坏等；其次，由于离散控制信号种类众多，且经过中间节点设备多次转发，导致各节点设备构成的网络拓扑结构复杂，一旦系统出现离散控制信号接收和转发功能异常，各个节点设备离散控制信号收发状态检测困难，问题节点设备难以快速有效定位，需要花费大量的时间通过逐个节点设备测试的方法来定位故障节点设备，检测维护效率低下，系统的测试性差。

发明内容

本发明的任务是针对上述现有技术的不足之处，提出一种快速、可靠、精准、能够提高数字相控阵天线离散控制信号检测维护效率和故障定位精度的数字相控阵天线离散控制信号检测方法。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于包括如下步骤：在由处理器和与其相连的可编程门阵列芯片FPGA以及离散控制信号驱动芯片组成的离散控制信号源节点设备中，雷达系统发起自检流程，离散控制信号拓扑结构中的离散控制信号源节点设备通过接口通信设备收到自检命令，将训练检测波形启动信号通过控制总线、地址总线和数据总线送给FPGA，根据离散控制信号的种类，在FPGA的检测信号波形生成器中产生不同波形格式和数量的训练检测信号，经各离散控制信号中间节点设备透明转发离散信号，到达拓扑结构末端的离散控制信号终端节点设备；同时各离散控制信号节点设备根据训练检测波形规则进行解析检测和波形格式正确离散信号波形数量统计；然后离散控制信号源节点设备根据内置数字相控阵天线离散控制信号检测软件依次对其它离散控制信号节点设备进行自检，获取其它离散控制信号节点设备各训练检测波形检测正确数量，并与自身产生的数量进行对比，判断各个离散控制信号节点设备工作状态是否正常；离散控制信号源节点设备将各级离散控制信号节点设备离散控制信号的收发状态编码，生成故障代码并打包为自检结果，回传给雷达控制台，从而实现对数字相控阵天线所有离散控制信号节点设备收发状态的检测。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明基于已有的硬件架构，在由处理器和与其相连的可编程门阵列芯片FPGA以及离散控制信号驱动芯片组成的离散控制信号源节点设备中，处理器通过接口通信设备接收到雷达控制台发送的自检命令时，将训练检测波形启动信号通过控制总线、地址总线和数据总线送给FPGA，FPGA中的波形生成器根据离散控制信号的种类产生不同波形和数量的训练检测信号，并由离散控制信号源节点设备中的离散控制信号驱动芯片发送到下一级离散控制信号节点设备。可以有效地用于基于数字相控阵体制的雷达系统中，通过对离散控制信号的源节点设备、中间节点设备和终端节点设备的FPGA和处理器程序进行软件升级，增加训练波形生成、训练波形规则检测、正确波形数目统计、自检结果上报等功能，实现对数字相控阵天线的各级离散控制信号节点设备的接收和发射状态检测。可以快速、可靠、精准地对数字相控阵天线中的离散控制信号各级节点设备收发状态进行检测，得到可靠的检测结果，并对故障节点设备进行精确定位，从而提高数字相控阵天线离散控制信号检测维护效率和故障定位精度。

本发明采用离散控制信号源节点设备在所有训练检测波形数量均产生后，通过接口通信设备依次下发自检命令，获取各级节点设备正确检测的不同离散控制信号数量，并与离散控制信号源节点设备自身产生的各种离散控制信号数量进行对比，以此判断除离散控制信号源节点设备外的各级离散控制信号节点设备的离散控制信号的接收状态和前级节点设备的发射状态是否正常；可以解决离散控制信号传输节点设备众多，系统节点设备拓扑结构复杂导致离散控制信号转发功能故障检测、问题定位和维护困难的问题，能有效提高复杂系统中的离散控制信号节点设备故障定位精度和检测维护效率。

附图说明

下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。

图1是本发明数字相控阵天线的离散控制信号检测系统的工作原理框图。

图2是本发明数字相控阵天线离散控制信号检测波形时序图。

图3是本发明数字相控阵天线离散控制信号检测软件控制流程图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在由处理器和与其相连的可编程门阵列芯片FPGA以及离散控制信号驱动芯片组成的离散控制信号源节点设备中，雷达系统发起自检流程，离散控制信号拓扑结构中的离散控制信号源节点设备通过接口通信设备收到自检命令，将训练检测波形启动信号通过控制总线、地址总线和数据总线送给FPGA，根据离散控制信号的种类，在FPGA的检测信号波形生成器中产生不同波形格式和数量的训练检测信号，经各离散控制信号中间节点设备透明转发离散信号，到达拓扑结构末端的离散控制信号终端节点设备；同时各离散控制信号节点设备根据训练检测波形规则进行解析检测和波形格式正确离散信号波形数量统计；然后离散控制信号源节点设备根据内置数字相控阵天线离散控制信号检测软件依次对其它离散控制信号节点设备进行自检，获取其它离散控制信号节点设备各训练检测波形检测正确数量，并与自身产生的数量进行对比，判断各个离散控制信号节点设备工作状态是否正常；离散控制信号源节点设备将各级离散控制信号节点设备离散控制信号的收发状态编码，生成故障代码并打包为自检结果，回传给雷达控制台，从而实现对数字相控阵天线所有离散控制信号节点设备收发状态的检测。

在由处理器和与其相连的可编程门阵列芯片FPGA以及离散控制信号驱动芯片组成的离散控制信号源节点设备中，处理器通过接口通信设备接收到雷达控制台发送的自检命令时，将训练检测波形启动信号通过控制总线、地址总线和数据总线送给FPGA，FPGA中的波形生成器根据离散控制信号的种类产生不同波形和数量的训练检测信号，经过发送驱动芯片后送到下一级离散控制信号节点设备；各级离散控制信号节点设备中的FPGA透明转发离散信号，同时按训练检测波形规则进行解析检测，统计波形格式正确的离散信号的数量，并分别存储在各自的FPGA寄存器中；离散控制信号源节点设备在所有训练检测波形数量均产生后，通过接口通信设备依次下发自检命令，获取各级节点设备正确检测的不同离散控制信号数量，并与离散控制信号源节点设备自身产生的各种离散控制信号数量进行对比，以此判断除离散控制信号源节点设备外的各级离散控制信号节点设备的离散控制信号的接收状态和前级节点设备的发射状态是否正常；离散控制信号源节点设备将各级节点设备离散控制信号的收发状态编码生成故障代码并打包为自检结果，回传给雷达控制台，从而实现对数字相控阵天线所有离散控制信号节点设备收发状态的检测。

在下述提供的一个最佳实施例中，雷达信号处理设备是离散控制信号源节点设备，它根据雷达系统工作流程在设备内部的FPGA中产生所需的不同种类的离散控制信号，例如收发切换信号、参数切换信号等；并通过FPGA对应的驱动芯片将信号发出，离散控制信号的电平根据系统需求定义，电平可以是RS422、RS232、TTL、LVTTL、lvpecl等。

离散控制信号中间节点设备包括负责雷达系统综合流程调度的综合控制设备、波控设备、控制分配设备。综合控制设备接收和转发离散控制信号至波控设备，波控设备接收综合控制设备转发的离散控制信号并转发给控制分配设备，同时完成与数字m个数字T/R组件的通信和数模参数设置，实现对数字相控阵天线波束调度和控制功能；控制分配设备接收波控设备转发的离散控制信号，并将一组多种离散控制信号复制成多组并转发给离散控制信号的所有终端节点设备。数字T/R组件是离散控制信号的终端节点设备。接收控制分配设备转发的离散控制信号，完成对数字T/R组件接收和发射状态控制，多组数模参数精确切换等功能，实现收发波束形成。

接口通信设备通过通信总线分别连接离散控制信号源节点设备、中间节点设备、终端节点设备和雷达控制台。通信总线种类根据数字相控阵雷达系统需求进行选择，可以是以太网、RapidIO、异步串口UART和SPI等等。

雷达控制台发送自检命令，离散控制信号源节点设备的处理器收到自检命令，将第一次训练检测波形启动信号通过控制总线、地址总线和数据总线送给FPGA，由FPGA中的训练波形生成器按照规则，根据不同的离散信号种类，产生第一次不同数量和波形的训练检测波形，并发送给下一级离散控制离散控制信号中间节点设备；离散控制信号中间节点设备和离散控制信号终端节点设备正常接收和转发离散控制信号的同时，并行对各种离散控制信号，按照对应的训练检测波形进行检波和正确波形数量统计，将后者存储在缓存中并作为自检命令结果；离散控制信号源节点设备发送完成离散控制信号训练检测波形发送并延时等待一段时间后，离散控制信号源节点设备依次向第1个至第k个离散控制信号中间节点设备发送第1条至第k条自检命令并接收其自检结果回传，然后依次向第1个至第m个离散控制信号终端节点设备发送第k+1条至第k+m条自检命令并接收其自检结果回传，从而获取其他离散控制信号节点第一次训练检测波形的正确数量。

离散控制信号源节点设备此时产生第二次训练检测波形启动信号，并按照上述流程完成第二次对各离散控制信号节点设备的自检，获得第二次训练检测波形的正确数量。离散控制信号源节点设备将第二次获取的各离散控制信号节点设备上报的训练检测波形正确数量与第一次获取的数量求差，如果差值与离散控制信号源节点设备中训练检测波形生成规则的数量相等，说明该离散控制信号节点设备离散控制信号接收状态正常，前级离散控制信号节点设备离散控制信号发射状态正常。

离散控制信号源节点设备生成能表征各级节点设备接收和发射工作状态错误代码，作为本离散控制信号节点设备的自检结果上报给雷达控制台，完成对数字相控阵天线复杂拓扑网络的所有离散控制信号节点设备离散控制信号检测和故障定位。

参阅图2。数字相控阵天线的离散控制信号源节点设备接收到雷达控制台自检命令后，产生第一次训练检测波形启动脉冲，其中第j（1≤j≤n）种离散控制信号的检测训练波形由p_j个脉宽为△T_j的脉冲组成。在离散控制信号中间节点设备和离散控制信号终端节点设备的FPGA中按照检测训练波形脉宽规则进行检波，并对正确检波的脉冲数量进行统计，当一个脉冲的脉宽检测结果满足要求时，检波正确计数器累加一。

若第j（1≤j≤n）种离散控制信号的检测训练波形的最后一个脉冲下降沿为n组训练检测波形中的最后脉冲下降沿，则在经过固定时延T_d后，离散控制信号源节点设备发送自检命令，对离散控制信号中间节点设备和离散控制信号终端节点设备依次进行一般自检，获得其一般自检结果，固定时延T_d的取值为100µs，确保所有中间节点设备和终端节点设备的检波流程完整性。

离散控制信号源节点设备收到各级离散控制信号节点设备回传的一般自检结果回传命令后，获得如下第一次训练检测波形的检测结果：

（1）第k(k≥1)个中间节点设备的训练波形正确译码检测的结果表示为集合

{N_k,1,N_k,2,…,N_k,j,…,N_k,n}，1≤j≤n，式中N_k,j为该离散控制信号节点设备第j种离散控制信号接收并正确检波的数量；

（2）第m(m≥1)个终端节点设备的训练波形正确译码检测的结果表示为集合

{N_m,1,N_m,2,…,N_m,j,…,N_m,n}，1≤j≤n，式中N_m,j为该离散控制信号节点设备第j种离散控制信号接收并正确检波的数量。

离散控制信号源节点设备启动生成第二次训练检测波形启动信号，然后对各级中间节点设备和终端节点设备发送一般自检命令，获得第二次训练检测波形的检测结果：

（1）第k(k≥1)个中间节点设备的训练波形正确译码检测的结果表示为集合{M_k,1,M_k,2,…,M_k,j,…,M_k,j}，1≤j≤n，式中M_k,j为该离散控制信号节点设备第j种离散控制信号接收并正确检波的数量；

（2）第m(m≥1)个终端节点设备的训练波形正确译码检测的结果表示为集合{M_m,1,M_m,2,…,M_m,j,…,M_m,n}，1≤j≤n，式中M_m,j为该离散控制信号节点设备第j种离散控制信号接收并正确检波的数量。

参阅图3。数字相控阵天线中的离散控制信号源节点设备是离散控制信号检测方法的控制核心，主要完成雷达控制台自检命令接收、训练检测离散控制信号产生、各级离散控制信号节点设备自检流程控制、各级离散控制信号节点设备收发状态判决和最终离散控制信号各级节点设备自检结果上报功能，设置在离散控制信号源节点设备中的离散控制信号检测软件控制流程如下：

（1）离散控制信号源节点设备的处理器通过接口通信设备接收到来自雷达控制台的一般自检命令，训练检测启动脉冲次数值变量初始化为0；

（2）离散控制信号源节点设备通过处理器控制总线、地址总线和数据总线发送训练检测脉冲启动脉冲给离散控制信号源节点设备连接的FPGA，FPGA根据训练检测波形的规则生成n组相应数量和脉宽的波形，训练检测启动脉冲次数变量累加1，进入步骤（3）；

（3）当所有n组训练检测波形中的最后一个脉冲下降沿延时T_d后，离散控制信号源节点设备依次对所有离散控制信号中间节点设备和终端节点设备进行一般自检，进入步骤（4）；

（4）离散控制信号源节点设备获取所有中间节点设备和终端节点设备一般自检结果后，判断训练检测脉冲次数是否小于3，若满足要求进入步骤（5）；否则进入步骤（2）；

（5）离散控制信号源节点设备将两次获取的第j（1≤j≤n）种离散控制信号正确计数值做减法，判断其差值是否与训练检测波形规则的第j（1≤j≤n）种离散控制信号数量是否相等，判断该离散控制信号节点设备第j种离散控制信号接收状态和前级节点设备发射状态是否正常，进入步骤（6）；

（6）离散控制信号源节点设备形成可以表征每个节点设备、每种离散控制信号接收和发射工作状态的故障代码，通过一般自检回答命令，上报给雷达控制台，完成数字相控阵天线的离散控制信号检测流程。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于包括如下步骤：在由处理器和与其相连的可编程门阵列芯片FPGA，以及离散控制信号驱动芯片组成的离散控制信号源节点设备中，雷达系统发起自检流程，离散控制信号拓扑结构中的离散控制信号源节点设备通过接口通信设备收到自检命令，将训练检测波形启动信号通过控制总线、地址总线和数据总线送给FPGA，根据离散控制信号的种类，在FPGA的检测信号波形生成器中产生不同波形格式和数量的训练检测信号，经各离散控制信号中间节点设备透明转发离散信号，到达拓扑结构末端的离散控制信号终端节点设备，同时各离散控制信号节点设备根据训练检测波形规则进行解析检测和波形格式正确离散信号波形数量统计；然后离散控制信号源节点设备，根据内置数字相控阵天线离散控制信号检测软件，依次对其它离散控制信号节点设备进行自检，获取其它离散控制信号节点设备各训练检测波形检测的正确数量，并与自身产生的数量进行对比，判断各个离散控制信号节点设备工作状态是否正常；离散控制信号源节点设备将各级离散控制信号节点设备离散控制信号的收发状态编码，生成故障代码并打包为自检结果，回传给雷达控制台，从而实现对数字相控阵天线所有离散控制信号节点设备收发状态的检测。

2.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号源节点设备中的处理器，通过接口通信设备接收到雷达控制台发送的自检命令时，将训练检测波形启动信号送给FPGA，FPGA中的波形生成器根据离散控制信号的种类产生不同波形和数量的训练检测信号，并由离散控制信号源节点设备中的离散控制信号驱动芯片发送到下一级离散控制信号节点设备。

3.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号源节点设备在所有训练检测波形数量均产生后，通过接口通信设备依次下发自检命令，获取各级离散控制信号节点设备正确检测的不同离散控制信号数量，并与离散控制信号源节点设备自身产生的各种离散控制信号数量进行对比，以此判断除离散控制信号源节点设备外的各级离散控制信号节点设备的离散控制信号的接收状态和前级节点设备的发射状态是否正常。

4.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：雷达信号处理设备是离散控制信号源节点设备，它根据雷达系统工作流程通过设备内部的FPGA产生雷达系统所需的不同种类的离散控制信号，并通过离散控制信号驱动芯片发送出去。

5.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号中间节点设备包括：负责雷达系统综合流程调度的综合控制设备、波控设备和控制分配设备，离散控制信号终端节点设备为数字T/R组件；综合控制设备接收和转发离散控制信号至波控设备，波控设备接收综合控制设备转发的离散控制信号并转发给控制分配设备，同时完成与m个数字T/R组件的通信和数模参数设置，实现对数字相控阵天线波束调度和控制功能；控制分配设备接收波控设备转发的离散控制信号，并将一组多种离散控制信号复制成多组并转发给离散控制信号的所有终端节点设备即数字T/R组件；数字T/R组件接收控制分配设备转发的离散控制信号，完成对数字T/R组件接收和发射状态控制，多组数模参数的切换，实现收发波束形成。

6.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号中间节点设备和离散控制信号终端节点设备正常接收和转发离散控制信号的同时，并行对各种离散控制信号，按照对应的训练检测波形进行检波和正确波形数量统计，将后者存储在缓存中并作为自检命令结果。

7.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号源节点设备发送完成离散控制信号训练检测波形发送并延时等待一段时间后，离散控制信号源节点设备依次向第1个至第k个离散控制信号中间节点设备发送第1条至第k条自检命令并接收其自检结果回传，然后依次向第1个至第m个离散控制信号终端节点设备发送第k+1条至第k+m条自检命令，并接收其自检结果回传，从而获取其它离散控制信号节点第一次训练检测波形的正确数量。

8.如权利要求7所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号源节点设备产生第二次训练检测波形启动信号，完成第二次对各离散控制信号节点设备的自检，获得第二次训练检测波形的正确数量。

9.如权利要求8所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号源节点设备将第二次获取的各离散控制信号节点设备上报的训练检测波形正确数量与第一次获取的数量求差，如果差值与离散控制信号源节点设备中训练检测波形生成规则的数量相等，则离散控制信号节点设备离散控制信号接收状态正常，前级离散控制信号节点设备离散控制信号发射状态正常。

10.如权利要求1所述的数字相控阵天线的离散控制信号检测方法，其特征在于：离散控制信号源节点设备生成能表征各级节点设备接收和发射工作状态错误代码，作为本离散控制信号节点设备的自检结果上报给雷达控制台，完成对数字相控阵天线复杂拓扑网络的所有离散控制信号节点设备离散控制信号检测和故障定位。

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