CN111123258A - 一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置及方法，属于雷达波束调度技术领域，包括CPU芯片、FPGA芯片、RapidIO交换芯片、光收发一体模块与ASAAC接口背板连接器。本发明采用了模块化设计理念，无论是顶层的RapidIO接口，还是底层的差分高速接口、光纤，均可根据天线阵面的规模，灵活配置整个系统；设备集成度高，天线阵面上没有专门用于某种特定功能的装置或设备，减少了大量的直连互连电缆，减少了雷达系统重量和体积，减少了故障点，大大提高了系统可靠性；采用RapidIO通信技术和差分高速接口，极大地减少了本装置到一体化有源模块的传输时间，使得雷达系统可以实现重频高达50KHZ的超高重频布相，从而完成对高速动态目标的实时跟踪。

Description

一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达波束调度技术领域，具体涉及一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置及方法。

背景技术

随着小型化集成化成为有源相控阵雷达的重要发展方向，采用模块化的结构形式，通过扩充和重构，才能满足雷达的多样化任务需求。

其中天线阵列，由若干收发一体模块组成。对于大规模的天线阵面，收发模块的数量可多达数千个，如果采用传统的并行布相策略，将会大大增加设备量和布相时间，无法实现雷达的高重频布相及实时跟踪功能；若对这些控制对象全部采用光纤进行通信，能完成高重频布相和实时跟踪，但是会大幅度增加系统的硬件成本；如果采用并行通信方式，大量的连接线缆会大大增加系统重量体积并增加故障发生率。

雷达包括综合射频单元和综合处理单元，在传统的雷达设计中，综合射频单元的设计必须随着雷达阵面的变化，而重新设计内部的各种插件和设备，设计、调试和维护的成本极高。急需采用一种开放性、综合化和模块化的航空标准，来降低雷达阵面的可扩展可重构的成本，同时必须提高可靠性和维护性。为此，提出一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前高重频有源相控阵雷达的波束调度架构存在的问题，提供了一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括CPU芯片、FPGA芯片、RapidIO交换芯片、光收发一体模块与ASAAC接口背板连接器，所述RapidIO交换芯片具有两路4x RapidIO接口，所述ASAAC接口背板连接器、所述CPU芯片分别通过一路4xRapidIO接口与所述RapidIO交换芯片连接，形成一路4x RapidIO通信通道，所述ASAAC接口背板连接器、所述FPGA芯片分别通过一路4x RapidIO接口与所述RapidIO交换芯片连接，形成一路4x RapidIO通信通道，所述CPU芯片与所述FPGA芯片之间通过本地总线连接，所述光收发一体模块具有四路并行收发接口，所述FPGA芯片通过所述光收发一体模块与所述ASAAC接口背板连接器连接，组成一路4x RapidIO通信通道或四路光纤收发自定义协议通道，所述ASAAC接口背板连接器采用符合航空通用标准ASAAC的结构形式，与高速背板连接。采用ASAAC的结构形式，能够将电源、低频接口、差分高速接口、模拟接口严格分区，具有良好的电磁兼容特性。使用RapidIO通信的优点还在于大大减少了线缆接连，减少了重量和体积，减小了系统延迟，降低了故障率。

更进一步的，所述RapidIO交换芯片的4x RapidIO接口传输速率为5Gbps。RapidIO交换芯片上的两路4x RapidIO接口主要用于雷达系统内部的组网连接。

更进一步的，所述光收发一体模块的并行收发接口单通道的传输速率不低于10Gbps。光收发一体模块主要用于综合处理单元与本波束调度装置之间光纤通信工作。

更进一步的，所述波束调度装置还包括至少两个FLASH芯片，所述FLASH芯片分别与所述CPU芯片、所述FPGA芯片连接，作为配置芯片。FLASH芯片即为存储芯片，用于存储CPU和FPGA芯片的可执行程序。在上电启动时，CPU和FPGA芯片从FLASH芯片中加载可执行程序并运行。

更进一步的，所述波束调度装置还包括DDR3芯片，所述DDR3芯片与所述CPU芯片连接。DDR3芯片即为内存SDRAM，为CPU芯片提供运行程序的内存空间。

更进一步的，所述CPU芯片的外围接口电路配置有RS422收发芯片，所述CPU芯片通过所述RS422收发芯片与上位机通信，所述FPGA芯片的外围接口电路配置有RS422收发芯片，所述FPGA芯片通过所述RS422收发芯片与上位机通信，从而接收上位机的控制指令等。

本发明还提供了一种高重频有源相控阵雷达的波束调度方法，包括以下步骤：

S1：将至少一个所述波束调度装置设置在雷达的综合射频单元内，利用多个所述波束调度装置完成阵面布相工作；

S2：将一个所述波束调度装置设置在雷达的综合处理单元内，利用所述波束调度装置接收上位机的指令并下发给综合处理单元内部的各设备，同时接收各设备回馈的工作状态和参数，并发送给上位机进行显示。

更进一步的，在所述步骤S1中，所述综合射频单元包括多个一体化有源模块，位于其内部的所述波束调度装置依次通过所述ASAAC接口背板连接器、高速背板与多个所述一体化有源模块分别连接；

所述综合射频单元还包括低功率射频模块、延迟放大组件与开关校正网络，所述波束调度装置依次通过所述ASAAC接口背板连接器、高速背板分别与低功率射频模块、延迟放大组件、开关校正网络进行连接。

更进一步的，在所述步骤S2中，所述综合处理单元包括信号接口设备、信号处理设备、数据处理设备、数据记录设备，位于其内部的所述波束调度装置依次通过所述ASAAC接口背板连接器、高速背板分别与上述各设备连接。

更进一步的，RapidIO通信技术，主要作为雷达系统内各模块统一使用的通信方式。各模块和机箱单元之间的信息交互使用RapidIO通信方式能降低延迟，增大带宽，提高系统可靠性，并作为雷达系统的RapidIO顶层通信。通过增加RapidIO交换机设备，可以实现RapidIO通信的星形组网，极大地增强了系统的交互能力和可扩展能力。本波束调度装置与一体化有源模块也采用RapidIO通信方式，使用点对点连接，作为RapidIO底层通信。

本发明相比现有技术具有以下优点：应用该高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，使雷达系统的综合射频单元和综合处理单元符合ASAAC航空标准，从而让该雷达系统具有开放性、综合化、模块化的特点，有利于扩展、测试和维护，能有效降低测试和维护成本；采用了模块化设计理念，无论是顶层的RapidIO接口，还是底层的差分高速接口、光纤，均可根据天线阵面的规模，灵活配置整个系统，不会因为雷达系统阵面不同和一体化有源模块的数量变化，而改变整个系统的架构；设备集成度高，天线阵面上没有专门用于某种特定功能的装置或设备，减少了大量的直连互连电缆，减少了雷达系统重量和体积，既简化了系统连线，减少了故障点，又大大提高了系统可靠性；采用RapidIO通信技术和差分高速接口，极大地减少了本装置到一体化有源模块的传输时间，使得雷达系统可以实现重频高达50KHZ的超高重频布相，从而完成对高速动态目标的实时跟踪；采用背板差分高速接口和光纤，二者均具有体积小、使用环境温度宽、抗电磁干扰能力强等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中波束调度装置的原理示意图；

图2是本发明实施例中高重频有源相控阵雷达的波束调度架构的结构示意图；

图3是本发明实施例中RapidIO通信节点组网示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～3所示，本实施例提供一种技术方案：一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，包括一枚CPU芯片、一枚FPGA芯片、一枚RapidIO交换芯片、一枚光收发一体模块、DDR3芯片、FLASH芯片、一组ASAAC接口背板连接器以及422收发芯片等。

本实施例中使用的CPU芯片为PowerPC芯片，型号为P2020或者P4040，FPGA芯片的型号为XC7V690T，RapidIO交换芯片的型号为TSI578，光收发一体模块型号为HTA8525。

CPU芯片通过RapidIO交换芯片、ASSAC背板连接器组成1路4x RapidIO通信通道，FPGA芯片通过RapidIO交换芯片、ASSAC背板连接器组成1路4x RapidIO通信通道，这两路RapidIO通信通道成为图2和图3中的RapidIO通信节点。

FPGA芯片通过光收发一体模块，可以组成1路4x RapidIO通信通道，或者4路光纤收发自定义协议通道。当组成1路4x RapidIO通信通道时，可以成为图2和图3中的RapidIO通信节点。

FPGA芯片使用4对差分高速接口可以组成1路4x RapidIO通信通道。由于XC7V690T具有80路GTP高速接口，当本实施例中使用其中64路GTP高速接口组成16路4x RapidIO通信通道或者组成64路1xRapidIO通信通道，直接通过ASSAC背板连接器、高速背板连接到一体化有源模块。当组成4x RapidIO通信通道时，单一本波束调度装置最多可以与16块一体化有源模块连接，当组成1xRapidIO通信通道时，单一本波束调度装置最多可以与64块一体化有源模块连接。这种基于RapidIO和ASSAC标准的RapidIO通信通道的建立和使用，不仅大大减少了传统设计中大量的线缆，同时增大了传输带宽，提高了传输速度，提高了系统模块化、集成化程度。

由于阵面波控(波束调度1～N)与一体化有源模块使用RapidIO通信通道进行通信，以传输速率5Gbps为例，传输1024字节数长度的协议，仅需要2us时间，一体化有源模块完成布相需要10us。留有余量的情况下，将重频周期设置为20us，即重频50KHZ，一体化有源模块的控制码值由CPU芯片提前计算并由FPGA芯片存储起来，发送时每20us发送一次，这样就可以实现重频高达50KHZ的实时布相。雷达系统在这种超高重频模式下，可以实时跟踪动态高速目标，在战斗机对空作战中，能给战斗机带来巨大优势。

使用RapidIO通信通道进行通信的优点还在于大大减少了线缆接连，减少了重量和体积，减小了系统延迟，降低了故障率。

如图2所示，为本实施例的高重频有源相控阵雷达的波束调度架构的结构示意图，由两种波束调度装置组成。波束调度0、波束调度1、波束调度2等都是本发明所述的波束调度装置，硬件组成完全相同，软件功能不同。

波束调度0下发雷达功能指令到综合射频单元内的波束调度1、波束调度2等，由综合射频单元内的波束调度1到波束调度N实时完成阵面布相功能。综合射频单元包括一体化有源模块、波束调度模块、阵面电源、低功率射频模块、延迟放大组件、开关校正网络、SRIO交换机(即RapidIO交换机)等。波束调度0位于综合处理单元内，该单元包括波束调度、信号接口、信号处理、数据处理、数据记录等设备。

其中，SRIO交换机属于可选设备。一般情况下，RapidIO节点较少且交互较少的情况下，不需要增加该设备，就可以实现RapidIO设备之间的相互通信，这时候采用点对点的通信方式。当RapidIO节点较多且相互之间交互频繁的情况下，使用SRIO交换机可实现星形组网，这样极大地方便了设备之间的信息交互，增加可靠性并降低了故障率。当雷达阵面增大，阵面波控(波束调度1～N)数量较多时，还可以增加SRIO交换机的数量来扩展RapidIO节点和网络。

所述阵面电源，主要用于给综合射频单元机箱内部的所有设备提供工作时所需的电源。不同的雷达中阵面电源功率与设备要求的功率不可能完全一致，一般情况下，一个阵面电源可为多个设备提供电源。在阵面较大，用电设备增加的情况下，可以增加阵面电源数量来满足供电需求。

所述一体化有源模块，包括信号分配驱动模块、收发组件(T/R组件)、T/R组件腔体、天线单元，是一种集成电源、数字、射频与T/R组件和天线单元的射频前端。一体化有源模块在阵面波控(波束调度1～N)的控制下，完成T/R组件的收发功能，当多个一体化有源模块按照阵列排布时，受到阵面波控(波束调度1～N)的控制完成整个雷达阵面的布相扫描功能。

如图3所示，为RapidIO通信节点组网示意图，是本实施例选用的RapidIO组网方式，每个设备的RapidIO接口都连接到SRIO交换机，当设备之间信息交互时，先发送协议数据到SRIO交换机，经SRIO交换机分配给对应目标设备。当雷达系统设备较多，设备间信息交互较多时，采用RapidIO星形组网，结构简单，连接方便，管理维护相对容易，并且扩展性强。网络延迟时间较小，传输误差率低，网络节点及SRIO交换机的故障状态实时采集并传送至显示控制界面，便于分析查找故障。

综上所述，本实施例的高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，使雷达系统的综合射频单元和综合处理单元符合ASAAC航空标准，从而让该雷达系统具有开放性、综合化、模块化的特点，有利于扩展、测试和维护，能有效降低测试和维护成本；采用了模块化设计理念，无论是顶层的RapidIO接口，还是底层的差分高速接口、光纤，均可根据天线阵面的规模，灵活配置整个系统，不会因为雷达系统阵面不同和一体化有源模块的数量变化，而改变整个系统的架构；设备集成度高，天线阵面上没有专门用于某种特定功能的装置或设备，减少了大量的直连互连电缆，减少了雷达系统重量和体积，既简化了系统连线，减少了故障点，又大大提高了系统可靠性；采用RapidIO通信技术和差分高速接口，极大地减少了本装置到一体化有源模块的传输时间，使得雷达系统可以实现重频高达50KHZ的超高重频布相，从而完成对高速动态目标的实时跟踪；采用背板差分高速接口和光纤，二者均具有体积小、使用环境温度宽、抗电磁干扰能力强等优点。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：包括CPU芯片、FPGA芯片、RapidIO交换芯片、光收发一体模块与ASAAC接口背板连接器，所述RapidIO交换芯片具有至少两路RapidIO接口，所述ASAAC接口背板连接器、所述CPU芯片分别通过RapidIO接口与所述RapidIO交换芯片连接，形成一路RapidIO通信通道，所述ASAAC接口背板连接器、所述FPGA芯片分别通过RapidIO接口与所述RapidIO交换芯片连接，形成一路RapidIO通信通道，所述CPU芯片与所述FPGA芯片之间通过本地总线连接，所述光收发一体模块具有多路并行收发接口，所述FPGA芯片通过所述光收发一体模块与所述ASAAC接口背板连接器连接，组成一路RapidIO通信通道或多路光纤收发自定义协议通道，所述ASAAC接口背板连接器与高速背板连接。

2.根据权利要求1所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：所述RapidIO交换芯片的4x RapidIO接口传输速率为5Gbps。

3.根据权利要求1所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：所述光收发一体模块的并行收发接口单通道的传输速率不低于10Gbps。

4.根据权利要求1所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：所述波束调度装置还包括DDR3芯片，所述DDR3芯片与所述CPU芯片连接。

5.根据权利要求1所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：所述波束调度装置还包括至少两个FLASH芯片，所述FLASH芯片分别与所述CPU芯片、所述FPGA芯片连接。

6.根据权利要求1所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：所述CPU芯片上设有RS232收发芯片，所述CPU芯片通过所述RS232收发芯片与上位机通信，所述FPGA芯片上设有RS422收发芯片，所述FPGA芯片通过所述RS422收发芯片与上位机通信。

7.根据权利要求1所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度装置，其特征在于：所述ASAAC接口背板连接器采用符合航空通用标准ASAAC的结构形式。

8.一种高重频有源相控阵雷达的波束调度方法，其特征在于，利用如权利要求1～7任一所述的高重频有源相控阵雷达的波束调度装置进行波束调度工作，包括以下步骤：

S1：将至少一个所述波束调度装置设置在雷达的综合射频单元内，利用多个所述波束调度装置完成阵面布相工作；

S2：将一个所述波束调度装置设置在雷达的综合处理单元内，利用所述波束调度装置接收上位机的指令并下发给综合处理单元内部的各设备，同时接收各设备回馈的工作状态和参数，并发送给上位机进行显示。

9.根据权利要求8所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述综合射频单元包括多个一体化有源模块，位于其内部的所述波束调度装置依次通过所述ASAAC接口背板连接器、高速背板与多个所述一体化有源模块分别连接；

所述综合射频单元还包括低功率射频模块、延迟放大组件与开关校正网络，所述波束调度装置依次通过所述ASAAC接口背板连接器、高速背板分别与低功率射频模块、延迟放大组件、开关校正网络进行连接。

10.根据权利要求8所述的一种高重频有源相控阵雷达的波束调度方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述综合处理单元包括信号接口设备、信号处理设备、数据处理设备、数据记录设备，位于其内部的所述波束调度装置依次通过所述ASAAC接口背板连接器、高速背板分别与上述各设备连接。

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