CN203275646U - 一种船舶导航雷达发射机控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新的船舶导航雷达发射机控制装置，其构成主要包括：FPGA控制电路、缓冲级电路、高压产生电路。通过FPGA产生触发脉冲，经过缓冲级电路和驱动电路之后由脉冲变压器将触发脉冲提升为脉冲高压供给磁控管，磁控管再以相应的雷达工作频率混频后发射雷达电磁波。该方法可以产生多组不同参数的触发脉冲，不同参数的脉冲输出可以通过与FPGA相连的按键自由切换，每组触发脉冲的参数可通过程序自由设定。本实用新型实现简单，产生的脉冲精准，控制响应速度快，可移植性和易调节强，能够使雷达系统设计更加紧凑。

Description

一种船舶导航雷达发射机控制装置

技术领域

本实用新型属于雷达系统领域，特别是涉及雷达发射分系统领域，具体地说是一种新的雷达发射机控制装置。 

背景技术

雷达被广泛应用于国防军事、民航管制、地形测量、气象、航海等众多领域。在航海方面，装于船舶上用于航行避让、船舶定位、狭水道引航的雷达，即船舶导航雷达。当能见度低时，该雷达能提供必需的观察手段。船舶导航雷达一般工作于X波段(8～12GHz)或S波段(2～4GHz)，少数工作于C波段(4～8GHz)或Ka波段(12～18GHz)，脉冲发射功率一般在几千瓦至几十千瓦之间。 

目前船舶导航雷达在我国应用广泛，但出于市场和技术等方面的原因，国内普遍使用的船舶导航雷达还是国外八九十年代的产品，整个市场与国际水平严重脱节。国内也有许多单位在从事船舶导航雷达的研发工作，但由于系统设计、器件加工工艺以及算法实现等方面还存在问题，最终推出的产品都不能完全代替国外产品，导致市场占有率很低。 

船舶导航雷达是一个复杂的系统，涉及诸多关键技术，其中技术难点主要集中在天馈系统、发射分系统、接收分系统、信号处理等方面。在发射分系统方面，船舶导航雷达往往采用单脉冲体制，在近距离档用较短脉冲，以提高距离分辨力；在远距离档用较长脉冲，以增大作用距离。船舶导航雷达发射机往往采用磁控管发射机，在磁控管发射机之前接调制板和相关控制电路构成发射分系统。目前民用市场上广泛使用的国外进口雷达均采用上述体制，多方面的调研也表明其他雷达生产厂商在发射分系统的设计方面也与上述体制类似。 

目前国内外船舶导航雷达发射分系统中的调制板由诸多子电路构成，主要包括脉冲宽度转换电路、驱动电路及刚性开关调制电路、充放电电路、频带宽度控制电路等。从相关雷达的使用说明和技术维护手册中的调制板原理图可以发现，脉冲宽度转换电路设计比较复杂，主要由厚膜集成电路和相关外围电路构成，雷达发射脉冲宽度主要由厚膜电路内的电容以及厚膜电路外的电阻决定，发射脉冲重复频率和脉冲宽度的切换通过调制板上外接的两个端口取不同的逻辑值(0或1)来决定。然而，上述的电路结构会由于器件制造工艺以及使用环境的变化而造成雷达发射脉冲宽度、脉冲重复频率的不准确，降低了系统的可靠性，且完全硬件的构成方式也导致该电路的可移植性和易调节性变差。基于上述不足，采用新的方法代替原本调制板上的脉冲宽度转换电路，提高整个发射分系统的简洁性、可靠性、可移植和易调节性，显得极具研究前景和实用意义。 

实用新型内容

本实用新型提供一种新的船舶导航雷达发射机控制装置，该装置能够提高雷达发射分系统的简洁性、可靠性、可移植性和易调节性。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：船舶导航雷达发射机控制装置包括FPGA控制电路、缓冲级电路、驱动电路、脉冲高压产生电路，将该控制装置与磁控管级联 就可以构成雷达发射机。其中脉冲高压产生电路和磁控管部分与传统的船舶导航雷达发射机相差不大，FPGA控制电路以及用FPGA控制雷达发射机的方法是本实用新型的核心部分。FPGA控制电路取代了传统雷达发射机调制板上的脉冲宽度转换电路，由该部分产生触发脉冲信号，根据不同的雷达探测量程调制成相应的脉冲宽度和脉冲重复频率，调制后的触发脉冲先经过一个缓冲级电路，再经过一个驱动电路后加到脉冲高压产生电路，脉冲高压产生电路中的开关管和脉冲变压器将触发脉冲转换为脉冲高压供给磁控管，从而驱动磁控管以相应的工作频率发射雷达电磁波。其中，由FPGA产生的触发脉冲的调制方式可以由软件自由更改；各个量程对应的脉冲宽度和脉冲重复频率可以通过与FPGA相连的按键快速切换；缓冲级电路位于FPGA与和驱动电路之间，由非门或者光耦隔离电路构成；驱动电路是由两个三极管组成的互补放大电路，用于将FPGA产生的触发脉冲放大，以驱动脉冲高压产生电路中的开关管。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用FPGA代替传统磁控管雷达发射机调制板中的脉冲宽度转换电路，通过数字电路的方式控制雷达发射脉冲的脉冲宽度和脉冲重复频率，使雷达发射分系统的设计大大简化，发射机工作性能大幅度提高，(由FPGA提供的触发脉冲，脉冲上升沿和下降沿宽度小于10ns，脉冲宽度误差小于20ns，不同脉冲宽度和脉冲重复频率调节响应速度优于15ms)，工作可靠性提高(在对控制电路加适当保护措施情况下，发射机工作状态不易受使用环境影响)，控制部分可移植性和易调节性强(控制参数主要由VerilogHDL软件程序实现，便于在不改变硬件电路的条件下调整发射机工作参数)。本实用新型也使得整个雷达系统的设计更加紧凑，因为FPGA可以作为整个雷达系统的主控芯片，既可以用于发射机的控制，也可以用于整机时序的控制，还可以用于伺服系统的控制，更能够作为信号处理和显示部分的核心。 

附图说明

图1是船舶导航雷达发射机原理图 

其中由①所指的FPGA控制板和②所指的缓冲级电路两部分是本实用新型提出的船舶导航雷达发射机控制装置的核心。 

图2是FPGA产生触发脉冲的程序原理图 

该图描述了下载并固化到FPGA中的程序的基本构成，各个模块可以通过硬件描述语言来实现。 

图3是具体电路实现的电路原理图 

其中①即对应于图1中①所指的FPGA控制板，②即对应于图1中②所指的缓冲级电路。 

图4是FPGA控制板产生的触发脉冲图 

其中(a)是触发脉冲整体效果图；(b)是近量程条件下的触发脉冲，此时的脉冲宽度为80ns，脉冲重复频率为2000Hz；(c)是中量程条件下的触发脉冲，此时的脉冲宽度为400ns，脉冲重复频率为1000Hz，(d)是远量程条件下的触发脉冲，此时的脉冲宽度为800ns，脉冲重复频率为500Hz。由图可见，FPGA产生的触发脉冲性能优越。 

具体实施方式

参照图1。上述雷达发射机采用FET(场效应管)为开关控制的刚性开关脉冲调制器，配 以1∶16脉冲变压器，使整个调制器工作在低压状态。当磁控管不工作时，高压通过电阻R加到电容C上，当触发脉冲作用于MOS-FET时，激励磁控管振荡。以上部分与传统雷达发射机使用的方法类似，本实用新型与现有技术的不同之处在于采用了FPGA作为触发脉冲的产生装置，触发脉冲经过一个缓冲级后再通过驱动电路加到开关管上，控制开关管的通断。 

参照图2。FPGA产生触发脉冲的程序主要由图中的几个功能模块组成，图中各个模块均可以由Verilog HDL或者VHDL硬件描述语言编写并实例化形成，本实用新型实施时使用Verilog HDL编写程序。图中按键检测模块和按键消抖模块能够准确检测按键对应的I/O口电平的变化，并输出到按键控制模块，按键控制模块协调三个按键的信号，使每个按键驱动一种脉冲调制模块，并保证三种脉冲调制模块的工作状态能够通过按键自由切换，三种脉冲调制模块的输出均接到输出控制模块，该模块能够判断当前情况下哪个脉冲调制模块正在工作并将正在工作的脉冲调制模块产生的触发脉冲通过FPGA的I/O口输出。 

图2中的三个按键与FPGA的I/O口相连，主要用于雷达在不同探测量程之间切换，也可以根据实际的距离档位数量增加或减少按键个数。除了用于切换挡位的按键之外，还可以在FPGA上加一个复位按键，当复位按键按下，三个脉冲调制模块都停止工作，整个电路无触发脉冲输出。由FPGA芯片输出的触发脉冲先经过一个缓冲级，缓冲级主要起到保护FPGA的作用，该缓冲级可以由非门构成，本次实施时选用74LS04，值得注意的是，在选用非门做缓冲级情况下，FPGA需产生负脉冲作为驱动，这样通过非门之后变为正脉冲加到高压产生电路中。当然也可选用光耦隔离电路等其他的电路形式，若用其他形式的缓冲电路，FPGA需直接产生正脉冲。正负脉冲的产生主要取决于程序的输出端口是否添加反相器，实际中可以通过修改程序轻松实现。缓冲级之后再经过一个由两个三极管(SA1244-Y和SC3074-Y)组成的互补放大电路后加到开关管，详细电路如图3所示。 

Claims (3)

1.一种船舶导航雷达发射机控制装置，包括FPGA控制电路、缓冲级电路、驱动电路、脉冲高压产生电路，其特征在于：通过FPGA控制电路产生触发脉冲信号，根据不同的雷达探测量程调制成相应的脉冲宽度和脉冲重复频率，调制后的触发脉冲通过缓冲级电路、驱动电路后加到脉冲高压产生电路将触发脉冲转换为脉冲高压供给磁控管，从而驱动磁控管发射雷达电磁波。 

2.根据权利要求1所述的船舶导航雷达发射机控制装置，其特征在于：所述的缓冲级电路位于FPGA和驱动电路之间，由非门或者光耦隔离电路构成。 

3.根据权利要求1所述的船舶导航雷达发射机控制装置，其特征在于：所述的驱动电路是由两个三极管组成的互补放大电路，用于将FPGA产生的触发脉冲放大，以驱动脉冲高压产生电路中的开关管。 

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