一种基于微处理器ARM的数字控制装置及雷达有源校准器

摘要

本发明提供一种基于微处理器ARM的数字控制装置，用于控制雷达有源校准器的微波组件使其工作于自校准和转发两种模式，在所述自校准模式下，根据所述温度监测模块的温度数据对所述微波组件的增益进行调整，并与所述微波组件内置的参考信号进行比较，以实现所述微波组件的自校准，在所述转发模式下，雷达信号由收发天线接收至所述微波组件中，然后经所述微波组件放大后由所述收发天线发射给雷达。该设备为便于野外工作、性能稳定、高集成度和高精度的雷达有源校准设备。

说明书

技术领域

本发明涉及杂波测试的雷达校准技术领域，特别涉及一种基于ARM的数 字控制装置及雷达有源校准器。

背景技术

目前，利用雷达系统录取杂波数据时，为了在后续数据处理时得到杂波数 据的绝对值，需要对雷达系统进行实时有效的校准。

一般情况下，校准方法分为相对校准和绝对校准，相对校准也称为内校准， 采用分别测量系统各个部件的损耗或响应函数来确定发射功率和接收功率，或 者采用只校准接收功率和发射功率的比值的方法来对测量系统进行校准。绝对 校准也称为外校准，采用校准目标的散射信号提供校准电平的方法对测量系统 进行校准。

绝对校准中的校准目标一般分为无源目标（如金属圆球、角反射器和龙伯 透镜反射器）和有源目标（如雷达有源校准器）。采用无源校准目标作为测量 基准的校准称为无源校准，采用有源校准目标作为测量基准的校准称为有源校 准。无源校准的优点是操作简单，技术上易于实现，但由于受体积和重量的限 制，无源校准目标往往很难实现较大的雷达散射截面积（RCS）。相比无源校 准而言，有源校准的优点是RCS可调，在实现较大的RCS的同时可以兼顾校 准目标的体积和重量，校准精度高，记录的信息丰富，但有源校准设备设计复 杂，调试困难，成本相对较高。

因此，在杂波测试中，为了兼顾便携性和信噪比需求，采用有源校准方式 对雷达系统进行校准。雷达有源校准器通常放置于后向散射系数较小的地面杂 波背景中，其作用是为雷达提供参考转发信号，对雷达系统参数进行校准，从 而对获得的地面散射杂波数据进行定量的分析。

常见的雷达有源校准器采用的是单片机控制技术，单片机通过TTL电平 直接控制微波开关、粗调衰减器、微调衰减器和可调衰减器等器件，并对数据 进行采集和处理，然后通过串口传送给计算机，由计算机完成数据的显示和存 储。因此，常见的校准器系统强烈依赖于计算机，没有计算机或与计算机的通 信不畅通就无法进行实际的校准工作，计算机及其连接线缆是校准器系统必不 可少的组成部分，这样就会增加设备负担、供电负担和由线缆连接引起的故障 风险。而且，常见的雷达有源校准器通常采用机械按键的控制方法，这样既增 加了部件间的连接线缆，又增加了单片机程序的复杂性，同时也增加了校准器 的维修难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于ARM的数字控制装置及雷达有 源校准器，该设备为便于野外工作、性能稳定、高集成度和高精度的雷达有源 校准设备。

本发明的基于微处理器ARM的数字控制装置，用于控制雷达有源校准器 的微波组件使其工作于自校准和转发两种模式，在所述自校准模式下，根据所 述温度监测模块的温度数据对所述微波组件的增益进行调整，并与所述微波组 件内置的参考信号进行比较，以实现所述微波组件的自校准，在所述转发模式 下，雷达信号由收发天线接收至所述微波组件中，然后经所述微波组件放大后 由所述收发天线发射给雷达。

其中，所述数字控制装置包括ARM开发板和数据采集电路，其中，所述 ARM开发板，用于获取所述温度监测模块的温度数据，获取所述GPS模块的 经度、纬度、时间和海拔高度数据，获取所述微波组件的输出功率电平数据， 并对获取的数据进行分析处理、存储和显示；所述数据采集电路，用于对所述 温度监测模块的温度数据和所述微波组件输出功率电平数据进行采集，并通过 串口传送给所述ARM开发板。

其中，所述ARM开发板，用于对校准器系统进行自检，通过发命令给微 波组件、数据采集电路和GPS模块以确认各模块是否工作正常。

其中，所述ARM开发板，进一步用于通过串口对微波组件中的粗调衰减 器和微调衰减器进行控制以实现RCS设置功能。

另外，所述ARM开发板，进一步用于通过串口对微波组件中的可调衰减 器进行控制以实现衰减设置功能。

本发明的基于微处理器ARM的数字控制装置的雷达有源校准器，包括微 波组件，所述微波组件，用于实现在所述数字控制模块的控制下产生特定的增 益，与所述收发天线配合以产生特定的雷达散射截面积RCS。

其中，所述微波组件采用自校准和转发两种工作模式，其中，所述自校准 工作模式用于对所述微波组件进行自校准；所述转发工作模式用于对雷达系统 进行外校准。

其中，所述微波组件包括信号源、前端微波开关、低噪声放大器LNA、 滤波器、粗调衰减器、微调衰减器、功率放大器、定向耦合器、可调衰减器、 后端微波开关和检波器，其中，

所述信号源，用于产生特定频率特定功率的参考信号，以供系统自校准使 用；

所述前端微波开关，用于选通所述微波组件输入端和所述信号源out1输 出端的信号；

所述低噪声放大器，用于前置放大，提高所述微波组件的灵敏度；

所述滤波器，用于滤除频带外的干扰信号；

所述粗调衰减器和所述微调衰减器，用于调整所述微波组件的增益，使校 准器系统满足特定RCS值的需要；

所述功率放大器，用于提供校准器的增益；

所述定向耦合器，用于传输所述功率放大器的信号给所述发射天线，同时 耦合部分信号给所述检波器用于监测所述功率放大器的输出功率；

所述可调衰减器，用于调整耦合信号的输出功率；

所述后端微波开关，用于选通所述可调衰减器输出端和所述信号源out2 输出端的信号；

所述检波器，用于将所述后端微波开关的微波信号转化为电压信号。

进一步地，还可以包括收发天线，所述收发天线采用收发分置的角锥喇叭 天线，用于接收雷达信号和发射信号给雷达。

进一步地，还可以包括温度监控模块、指向单元，其中，

所述温度监控模块，用于实时监测当前系统的工作温度；

所述指向单元，包括三角架、指北针和云台，用于调整所述收发天线的方 位和俯仰角度，使所述收发天线的波束指向对准雷达的收发天线。

本发明的有益效果是：依照本发明的基于ARM的数字控制装置及雷达有 源校准器，实现了数据采集、数据存储和数据显示的本机集成，将原来交由计 算机才能完成的系统校时、数据存储和数据显示等功能集成在校准器内部，这 样既节约了成本，又减少了外围设备数量，提高了系统的集成度，方便用户在 野外使用；通过采用温度监控模块、一个信号源、一个检波器、前端微波开关 和后端微波开关组合的自校准方式，消除了信号源的不稳定性造成的误差，同 时也消除了多检波器的不一致性和环境温度不一致性造成的误差，提高了自校 准精度的同时也提高了整个系统的测试精度；通过采用模块化设计，模块与模 块之间采用串口方式进行数据传输，模块与模块之间采用接头为SMA-50J的 同轴电缆进行微波信号传输，降低了设备间的干扰，减少了各模块间的硬件连 接，提高了设备的可维修性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统组成框图；

图2为本发明实施例的系统工作示意图；

图3为本发明实施例的ARM开发板功能框图；

图4为本发明实施例的系统校时功能示意图；

图5为本发明实施例的自校准功能示意图；

图6为本发明实施例的转发功能示意图；

图7为本发明实施例的数据显示功能示意图；

图8为本发明实施例的数据存储功能示意图。

具体实施方式

以下，参考附图1~8详细描述本发明的基于ARM的数字控制装置及雷达 有源校准器。

本发明基于ARM的雷达有源校准器采用ARM控制技术，实现不同温度 下的可靠自校准，并具备本机实时控制，实时数据采集、存储和显示的功能。

如图1所示，本发明基于ARM的雷达有源校准器由数字控制模块、微波 组件、温度监测模块、GPS模块、指向单元、收发天线和供电单元组成。

其中数字控制模块包括ARM开发板和数据采集电路，用于实现对微波组 件进行控制以产生特定的增益，并从微波组件、温度监测模块和GPS模块获 取相应的数据，然后对数据进行分析处理、存储和显示；微波组件包括信号源、 前端微波开关、低噪声放大器（LNA）、滤波器、粗调衰减器、微调衰减器、 功率放大器、定向耦合器、可调衰减器、后端微波开关和检波器，用于实现在 数字控制模块的控制下产生特定的增益，与收发天线配合以产生特定的雷达散 射截面积（RCS）；温度监测模块用于监测当前系统的工作温度，为数字控制 模块提供当前系统的温度数据；GPS模块用于为校准器系统提供当前的经度、 纬度、时间和海拔高度信息；指向单元包括三角架、云台、水平仪和指北针， 用于调整收发天线俯仰和方位角度；收发天线用于接收雷达信号和发射信号给 雷达；供电单元用于为校准器系统提供电力保障。

本发明工作于两种模式：自校准工作模式和转发工作模式。

自校准工作模式用于实现微波组件的增益自校准，使微波组件的增益及增 益精度满足测试需要。信号源产生两路参考信号，一路通过前端微波开关输入 至转发通路（即LNA、滤波器、粗调衰减器、微调衰减器、功率放大器、定 向耦合器和可调衰减器组成的通路）中，然后通过后端微波开关选通进入检波 器；另一路直接通过后端微波开关选通进入检波器。然后对两路信号进行比较， 用以控制粗调衰减器和微调衰减器，使转发通路的增益保持在设定值。

转发工作模式用于实现雷达系统的外校准。转发工作模式下，数字控制模 块首先控制微波组件的前端微波开关使其掷向接收天线，然后控制微波组件的 后端微波开关使其掷向可变衰减器，接着控制可变衰减器使其输出功率电平处 于检波器的动态范围以内，这样，微波组件便将接收到的雷达信号按特定增益 放大后转发给雷达，同时，数字控制模块将转发出去的雷达信号的电压值采样 后存储在内置存储芯片中，并以画图方式进行显示。

转发工作模式一般在自校准工作模式后启动，可以为雷达系统提供标准的 雷达散射截面积点目标。转发工作模式也可以单独或先于自校准工作模式启 动，这种情况一般不能保证系统精度，仅限于精度要求不高或距离上次自校准 时间较短时使用。

本发明主要用于野外试验，因此，设备的架设是极为重要的工作之一，而 架设工作的重点便是天线的架设。首先根据雷达与架设地点的相对位置，计算 出收发天线的连线方位，然后将架设天线用的三角架相隔3米左右放置，并将 三角架调整在同一高度上，约1.2米左右，可由皮尺量出；利用水平仪对三角 架进行调整，使三角架的安装面大致处于水平状态，并将三角架固定于地面上； 将云台安装在三角架上，并确保安装牢固后，利用云台自带的气泡对云台进行 调整，使云台的安装面处于水平状态，并固定好；将收发天线安装在云台上， 如图2所示连接接收天线到微波组件的接收端，连接发射天线到微波组件的发 射端；根据雷达与架设地点的相对位置，计算出收发天线的方位角和俯仰角， 并将收发天线的方位和俯仰调整到相应角度，至此，便完成了天线的架设。

为节约成本考虑，发电机应在试验开始前50分钟左右开启，然后按图2 所示连接发电机的供电输出端到校准器的电源输入端，打开校准器，启动测试 软件，待自检通过后对校准器进行预热，预热时间应在30分钟以上，然后点 击“校时”按钮对系统校时，校时完成后设置RCS、设置衰减，点击“自校” 按钮，系统便处于自校准工作状态，系统将对转发通路进行校准，校准完成以 后会在状态栏给出“自校通过”字样，最后点击“转发”按钮，校准器便处于 转发工作状态，这时，校准器会产生特定的RCS参考信号发送给雷达，并将 接收到的雷达信号采样并存储，同时以图形化的方式对采样数据进行显示，直 观的表达接收的信号大小。

如上所述，本发明实施例的基于ARM的雷达有源校准器由数字控制模块、 微波组件、温度监测模块、GPS模块、指向单元、收发天线和供电单元组成， 以下结合附图对各部分详细构成和功能做进一步说明。

1）数字控制模块

数字控制模块包括ARM开发板和数据采集电路。

ARM开发板主要由系统对时、微波组件控制、数据存储和数据显示四个 功能，其功能框图如图3所示，微波组件控制包括RCS设置、衰减设置、自 校准和转发。

开机以后，ARM开发板首先对校准器系统进行自检，主要通过发命令给 微波组件、数据采集电路和GPS模块以确认各模块是否工作正常。待各模块 确认正常工作后便启动自动对时操作，如果ARM开发板接收到GPS信息并 确认信息有效后便通过串口从GPS模块中读取经度、纬度和高度等位置信息 和时间信息，然后更新当前的系统时间，并保存当前的GPS信息，同时在状 态栏给出GPS的经度、纬度和海拔高度等信息，并显示“已校时”字样，这 样便完成了校时操作；如果ARM开发板接收不到GPS信息或接收到的GPS 信息无效，ARM开发板会重新读取GPS信息，待重试几次仍不能获取正确的 GPS信息后便进入待机状态，并在状态栏显示“未校时”字样。ARM开发板 的校时功能示意图如图4所示。ARM开发板允许用户在空闲时间随时进行系 统校时操作。

ARM开发板通过串口对微波组件中的粗调衰减器和微调衰减器进行控制 以实现RCS设置功能。ARM开发板通过串口向微波组件中的粗调衰减器和微 调衰减器发送指令，粗调衰减器和微调衰减器接收指令后对衰减进行设置并在 设置成功后返回信息，即完成RCS设置功能。

ARM开发板通过串口对微波组件中的可调衰减器进行控制以实现衰减设 置功能。ARM开发板通过串口向微波组件中的可调衰减器发送指令，可调衰 减器接收指令后对衰减进行设置并在设置成功后返回信息，即完成衰减设置功 能。

ARM开发板通过人机交互获取RCS设置指令以后，首先获取当前环境温 度，然后根据当前温度查找数据表中RCS值对应的粗调衰减器和微调衰减器的 数据，并将查找到的数据写入粗调衰减器和微调衰减器；ARM开发板获取自 校准指令后，首先控制前端微波开关使其指向接收天线，控制后端微波开关使 其指向信号源，由数据采集电路获得当前的电压值（V₁），然后控制前端微波 开关使其指向信号源，控制后端微波开关使其指向可调衰减器，由数据采集电 路获得当前的电压值（V₂），将获得的两个电压值相减得到差值V，即V=V₂- V₁；在当前温度下查找数据表中的差值V₀，将V与V₀进行比较，如果比较结果 在要求的误差以内，则自校准成功；如果比较结果在要求的误差以外，ARM 开发板便根据比较得到的差值对粗调衰减器和微调衰减器进行调整，然后再次 获取电压值V₁和电压值V₂，然后计算差值V，并将差值与当前温度下数据表中 的差值进行比较，如果可以满足误差需要，则自校准成功，如果不能满足误差 需要，则要继续对粗调衰减器和微调衰减器进行调整，当调整10次以上仍不 能满足误差需要时，ARM开发板会根据当前的差值情况给出相应结果，并给 出当前的电压值V₁和电压值V₂。自校准完成以后，ARM开发板会将系统当前 温度、粗调衰减器的的衰减值、微调衰减器的衰减值、可调衰减器的衰减值、 自校电压值、环路的电压值和直通路的电压值等信息自动保存到相应的文件 中。ARM开发板的自校准功能示意图如图5所示。

转发工作模式为校准器的主要工作模式，一般在自校准成功以后便将校准 器设置为转发工作模式。ARM开发板获取转发指令后便控制前端微波开关使 其指向接收天线，控制后端微波开关使其指向可调衰减器，并按获取的衰减指 令对可调衰减器进行操作，这样就完成了转发操作。值得注意的是，转发指令 并不对粗调衰减器和微调衰减器进行操作，仍然使用前面自校准的数据。转发 工作模式下，数据采集电路具备一个比较器，只要输入电平超过噪声电平就会 被采集到，然后通过串口发送给ARM，由ARM完成数据显示和数据存储功 能。ARM开发板的转发功能示意图如图6所示。

ARM开发板将转发工作模式下获取的数据经分析处理后以图形化的方式 输出至显示屏进行显示，使数据显示得更加直观。纵轴表示转发信号的电压值 大小，单位为伏特，横轴表示显示的数据个数，ARM开发板的数据显示功能 示意图如图7所示。

ARM开发板存储的数据包括从GPS模块中获取的经度、纬度和海拔高度 数据，从RCS设置功能中获取的RCS参数数据，从衰减设置功能中获取的衰 减参数数据，从自校功能中获取的自校准数据和从转发功能获取的转发数据， ARM开发板的数据存储功能示意图如图8所示。

数据采集电路采用工业级的单片机、ADC、比较器及其外围电路组成， 用于实现将检波器的电压信号和温度监测模块的电压信号进行采样，并通过串 口将采样后的数据传输给ARM开发板，由ARM开发板进行分析处理后进行 相应的操作。

2）微波组件

微波组件主要由信号源、前端微波开关、低噪声放大器（LNA）、滤波器、 粗调衰减器、微调衰减器、功率放大器、定向耦合器、可调衰减器、后端微波 开关和检波器组成。微波组件内置单片机控制电路，在组件内部对信号源、前 端微波开发、粗调衰减器、微调衰减器、可调衰减器和后端微波开关进行控制 和设置，对外通过串口与ARM开发板进行数据传输，这样做的好处是减少了 硬件与硬件的干扰，并减轻了ARM开发板的工作负担。信号源的作用是产生 特定频率特定功率的参考信号，以供系统自校准使用；前端微波开关的作用是 选通接收天线和信号源的信号；低噪声放大器的作用是前置放大，提高校准器 的灵敏度；滤波器的作用是滤除频带外的干扰信号；粗调衰减器和微调衰减器 的作用是调整校准器的增益，使校准器系统满足特定RCS值的需要；功率放 大器的作用是提供校准器的增益；定向耦合器的作用是传输功率放大器的信号 给发射天线，同时耦合部分信号给检波器用于监测当前功率放大器的输出功 率；可调衰减器的作用是调整耦合信号的输出功率，使之处于检波器的动态范 围以内；后端微波开关的作用是选通耦合端和信号源的信号；检波器的作用是 将微波信号转化为电压信号。

3）温度监测模块

温度监测模块的核心器件是低电压温度传感器，具有低电压工作 (2.7V~5.5V)、电压输出、±0.5℃的典型线性、摄氏温度下直接校准、小于50μA 的静态电流和低自热等特点。温度监测模块输出的电压被数据采集电路采样后 通过串口送给ARM开发板，然后ARM开发板根据当前的温度数据对微波组 件进行控制以完成相应的操作。

4）指向单元

指向单元由三角架、指北针和云台组成，天线单元通过云台与三脚架连接 起来的，并固定于地面上。天线的方位指向由指北针来完成，云台上有俯仰调 平指示气泡，便于天线调整水平，云台上有俯仰和方位的调节装置，最小刻度 为1°，精度小于±0.5°，对于较宽的方向图波瓣来说，精度完全可以满足要求。

5）收发天线

收发天线采用角锥喇叭形式，主要是考虑到其波瓣可以做得较宽，便于捕 捉信号，且体积较小，便于架设和运输。天线的口径尺寸为515.27×244.88mm²， 长度为476.81mm，波导采用BJ14，尺寸为165×85.5mm²，增益为14.16dB，3dB 波瓣宽度E面为23°，H面为45°。馈电处采用波导同轴转换，内置圆柱形探 针，驻波比在全频带内在1.2以下。

综上所述，依照本发明的基于ARM的雷达数字控制装置及雷达有源校准 器，具有如下优点：

1）实现了数据采集、数据存储和数据显示的本机集成，将原来交由计算 机才能完成的系统校时、数据存储和数据显示等功能集成在校准器内部，这样 既节约了成本，又减少了外围设备数量，提高了系统的集成度，方便用户在野 外使用；

2）采用温度监控模块、一个信号源、一个检波器、前端微波开关和后端 微波开关组合的自校准方式，消除了信号源的不稳定性造成的误差，同时也消 除了多检波器的不一致性和环境温度不一致性造成的误差，提高了自校准精度 的同时也提高了整个系统的测试精度。

3）采用模块化设计，模块与模块之间采用串口方式进行数据传输，模块 与模块之间采用接头为SMA-50J的同轴电缆进行微波信号传输，降低了设备 间的干扰，减少了各模块间的硬件连接，提高了设备的可维修性。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细 描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其 它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。