基于PowerPC的相控阵雷达模拟器设计

梁　璐

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）

【摘　要】现如今随着雷达技术的不断发展，对雷达的性能测试条件往往会受到限制，然而模拟器的出现大大节省了时间和成本，而在雷达模拟器的发展过程中，基于VxWorks操作系统的PowerpC平台以其运算速度快，实时性稳定，调试方便等特点成为雷达系统设计的主流，主要从模拟器的组成以及实现进行相关的介绍。

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关键词 模拟器；VxWorks操作系统；PowerPC平台

０　引言

在雷达研制过程中，为了给信号处理分系统提供回波信号波形，目标回波模拟器的存在至关重要。随着大规模集成电路和数字电路的发展，雷达模拟器可以产生带有航迹信息且更为逼真的多目标回波信号，模拟的雷达回波信号由目标运动轨迹，噪声，杂波等组成，它为前期验证信号处理分系统以及终端开发跟踪动目标的相关算法提供了回波信号源。同时随着舰载，陆基等雷达性能指标要求的不断提高，对功能实时性要求提出了更高的要求，基于多任务操作系统Vxworks的PowerPc平台在雷达技术软件开发中可以实现实时性、稳定性等方面的要求，应用也越来越广泛，本文针对相控阵雷达的实际应用环境，对雷达软件进行了设计与实现。

1　硬件平台介绍

本文的雷达模拟器是基于飞思卡尔最新AltiVec-enabled处理器MPC8640D的硬件平台，在Vxworks操作系统上进行模拟器回波信号的开发。MPC8640D具有双e600内核，工作主频可达到1GHz,32GFLOPs最高处理能力，有两个DDR2 SDRAM存储器接口，每个CPU连接2个4GBytes DDR2 SDRAM存储器。模块提供了256Mbytes的带有写保护功能选择的 flash，用于存储程序和静态信息，板上连接了32KBytes NVSRAM，用于存储启动信息和高优先级的系统信息，在断电时NVSRAM可以自动将数据转存到片内的EEPROM。

板上主要的通信接口包括RapidIo、RocketIo、PCIE、网口等硬件模块主要结构框图如图1所示。板上主要由四片MPC8640D处理器和FPGA以及PCIE，SRIO，Gige转换芯片构成，板内每片CPU之间通过1路*4速率可达3.125Gbps的SRIO通信，可支持4个CPU之间全双工10Gb/s带宽的数据通信，板上每个CPU集成了1路×8 PCIe接口到8640D处理器和FPGA芯片，传输速率为2.5Gbps，模块对外提供了4路×1 RocketIO接口，默认传输速率为2.5Gbps，可实现板间的数据通信。同时，模块中FPGA具有实现2个独立I2C的功能，可配置为主从设备与VPX接插件相连，当将其设置为从设备时可用来中断4个CPU。TI的6678浮点运算能力较AD的TS101，TS201运算速度快，TI的6678浮点运算能力可达到22.4 GFLOP，而我们应用的MPC8640D可以达到32 GFLOP。

2　模拟器分系统的设计

文中所设计的模拟器产生的功能模块包括：线性调频信号，目标和路、方位差、俯仰差路的方向图，目标运动轨迹产生，目标位置的坐标系转换，求多普勒速度以及叠加背景杂波等。

2.1　相关模块之间通信接口及软件流程设计

本文中模拟器与控制中心机之间采用SRIO接口进行控制模式字及参数通信，最终将产生的目标回波信号通过光纤接口传给信号处理单元。模拟器分系统在PowerPc平台上可通过在实时操作系统上建立多个任务，产生目标回波线调信号，同时还包括与相关分机之间的接口等，具体软件处理流程如图2所示：

在Vxworks操作系统下，首先通过CPUA对硬件进行扫链获取SRIO的 ID号，通过配置SRIO输入输出窗口，可以实现接口SRIO的数据通信。初始化函数中完成对信号量的建立，以及对任务的创建，通过设置任务的数据运算类型、数据量大小以及优先级来配置多个任务函数，优先级的设置可以有效解决任务之间执行中发生的冲突问题。光纤接口是通过FPGA中集成的专用高速串行数据收发模块来实现的，可实现各种数据传输协议，文中涉及的硬件模块上有6路光纤接口，在模拟器部分实际应用中只应用到光纤发送，对此功能进行简单介绍，光纤的接收、发送是通过FPGA实现的，可对前面板引出的2路光口和印制板连接器后出的4路RocketIO进行数据的收、发操作，FPGA为每个RocketIO接口实现32KB的发送缓冲，如果缓冲区为空，则发送中断给CPU，将数据写入所配置通道对应的数据缓冲区，缓冲区非空时，FPGA自动将数据通过RocketIo送出。

2.2　各功能模块原理

雷达是通过目标对电磁波的反射来发现目标，获取目标特征的。无论是船用雷达或是陆基雷达，在其探测范围内不仅有探测目标，同时可能存在很多我们不关心的其他物体，它们都会对发射的电磁波产生反射，进而被雷达接收产生的雷达回波，其中包括有用信息和杂波信息。

2.2.1　雷达方程

雷达性能的诸多因素可通过雷达方程来描述，如式（１）所示，此系统中的天线为接收和发射共用的，假设接收增益等于发射增益等于G。

式中Pr为雷达接收信号功率，Pl为雷达发射信号功率，G为接收、发射天线功率增益，δ为目标截面积，λ为波长，R为目标和雷达之间的距离。由式（１）得到以下有用信息：雷达接收功率与目标到雷达的距离R4成反比，随着距离R的不断增加，接收功率会逐渐减小，当接收功率达到一定值且小于最小可检测信号功率时，超出了检测距离范围。

2.2.2　天线方向图的模拟

对于跟踪目标需要通过和、差波束来获取，和、差波束方向图的计算需要通过求出目标与天线中心之间的方位俯仰角度差，当目标与天线重合时，和路回波 信号幅度达到峰值，而差路幅度为零。

通过中心机传递的目标位置信息，可通过将直角坐标系下的位置(x,y,z）转换为极坐标系下，可得到给定目标的方位俯仰角，并根据给定的天线波位值，得到其方位角，俯仰角，可求得两者之间的离轴角，利用和路与差路方向图与离轴角之间的关系求出目标在当前波位下的方向图信息。

雷达天线增益取决于天线方向图，而常用的天线方向图有多种，本文采用高斯型方向图，公式如式（2）所示：

G(θ)=exp(k(θ/θb))（2）

式（2）θb为3db波束宽度，θ为目标偏离雷达波束轴线的夹角，系数k的计算通过确定G(θ)、离轴角、3db角求得，这里我们采用k=-0.795。仿真图

图3　和路、差路方向图仿真图（红色代表差路，蓝色代表和路）

如图3所示为天线方向图和路差路仿真图，在和路方向图因子为最大值式，差路方向图因子为零，并且在轴向上始终保持和路大于差路。

具体实现时，雷达模拟器已知天线波束的转动规律。而目标的方位俯仰角根据目标位置信息可以得到，同时依据已知的天线波束运动规律可以得到天线和目标之间的夹角，可根据式（２）求出和路的方向图。

2.2.3　坐标系转换

通常情况下模拟器已知大地坐标系下的目标参数，文中模拟器的应用对象为船用雷达，因此需要将大地坐标系下的目标位置转换为雷达阵面坐标系下的值，方便最终求得目标径向距离和径向速度以及多普勒速度。

大地直角坐标系(oexeyeze)是以球心oe为坐标原点，oeze指向北极，oexe为起始天文子午面与地球赤道的交线，oeye为满足oexe到oeye右手坐标系（绕Z轴x->y）。

首先需要将大地坐标直角坐标系平移到雷达放置点，之后通过连续三次的旋转与雷达阵面坐标系重合，便可得出连坐标系之间的转换关系。

要将雷达坐标系转换到阵面坐标系上，通过对坐标轴的旋转来实现：

3　软件流程的实现

为了能够满足系统对实时性的要求，在软件设计中我们建立了多个并行任务和流水线任务，尽量节省运算时间，并且建立切换函数以满足调试过程中随时对不同波形信号进行切换调试，这样只需调用切换参数的函数便可随时切换不必重新启动目标机，能够方便及时的实现各种功能之间的切换。

首先完成对硬件的初始化，创建一片CPU的SRIO的输入窗口设置。创建任务taskSpawn(“Rapidio_R”, ,0,Rapidio_A_Rec,0,0,…)设置优先级为210，数字越大优先级越低，进入函数Rapidio_ A_Rec()；当收到中心控制计算机的每个PRT周期中断信号量的触发后，RapidIo接收来自中心机的通信协议信息，取工作状态模式字判断是否进入模拟方式，是模拟工作模式则调用模拟目标运动的函数，否则继续等待中断信号量。目标运动函数中调用方向图任务，求解接收信号功率函数，此函数中调用了大地直角坐标转换到阵面直角坐标系的任务函数，任务与任务之间的调度通过设置任务优先级以及释放中断信号量来控制，通过中断方向图任务函数求出给定目标的和路、方位差、俯仰差路的幅度增益，同时可以根据目标信息求解径向速度，进而求出多普勒频率以及相移，利用库函数中自带的随机函数，将产生的数据叠加在最终生成的回波信号上，这里通过调用库函数的复数加对地址上的数据进行叠加，耗时短。随后通过调用光纤发送函数rocketIoTxDataAndK(UINT8 channel, UINT32 baseAddr, UINT32 size,UINT16 sofK,UINT16 eofK,UINT16 dmaChan)；驱动底层逻辑将产生的目标回波数据发送到信号处理分机。

4　结束语

基于PowerPC平台的雷达模拟器设计，能实时便捷的产生各种波形信号。Vxworks操作系统的多任务操作，可有效提高多任务之间的调度效率，避免了以往DSP等单核平台的流水线执行函数的形式，大大节省函数执行时间。板内集成的光纤以及千兆网络接口能快速完成大数据量的通信，目前随着基于Vxworks操作系统的PowerPC硬件平台的不断发展，在雷达系统中的应用越来越广泛，处理数据的能力较传统方式快，是应时代需求的产物，基于Vxworks操作系统的PowerPC硬件平台必将成为雷达设计中的发展趋势。

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参考文献

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［２］全厚德,王春平,孙书鹰,张卫杰.雷达模拟器的设计与实现[J].太原:火力与指挥控制,2002:79-81.

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［责任编辑：汤静］