一種數(shù)字跟蹤測距模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

一種數(shù)字跟蹤測距模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

　0 引 言

　　雷達(dá)最主要的功能之一就是對目標(biāo)距離的跟蹤和測量。在此首先闡述了雷達(dá)測距跟蹤的基本原理，介紹一種脈沖雷達(dá)數(shù)字跟蹤測距模塊的設(shè)計及實現(xiàn)的新方法，并且敘述了該模塊研制的理論基礎(chǔ)。該模塊利用回波信號相對于發(fā)射脈沖的延遲時間量進(jìn)行目標(biāo)距離的測量，針對跟蹤脈沖的特點，對目標(biāo)回波延遲時間計數(shù)值和跟蹤脈沖計數(shù)值進(jìn)行比較，利用數(shù)字信號處理的方法把比較的結(jié)果反饋到跟蹤控制器，實現(xiàn)了脈沖雷達(dá)的距離跟蹤，具有測距精度高、測距穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)及電路簡便等優(yōu)點。該模塊能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行手動跟蹤測距和自動跟蹤測距。

　　1 該模塊的理論設(shè)計

　　一般雷達(dá)數(shù)字跟蹤是通過時間鑒別器鑒別出回波信號與跟蹤脈沖之間的遲延時間差，然后利用時鐘脈沖對這個時間差進(jìn)行計數(shù)，作為距離誤差反饋至跟蹤處理單元，其本質(zhì)上是把模擬系統(tǒng)輸出量進(jìn)行數(shù)字變換，即在模擬量的基礎(chǔ)上變換的，實質(zhì)上還是模擬量(如圖1所示)。變換之間又有不可避免的系統(tǒng)誤差存在，例如要對跟蹤脈沖計時計數(shù)，而計時計數(shù)的起始時間必須要和雷達(dá)發(fā)射脈沖同步，要做到完全同步是很難的，這之間的誤差在所難免。又如某型雷達(dá)時間鑒別器中回波信號與跟蹤脈沖之間的時間差要轉(zhuǎn)化為帶有極性的電壓(存在誤差)，然后又要將此電壓轉(zhuǎn)化為距離計數(shù)器的計數(shù)脈沖(也存在誤差)，使距離計數(shù)器做加或減計數(shù)，實現(xiàn)對目標(biāo)的距離跟蹤。

　　該模塊只需知道目標(biāo)回波的二進(jìn)制距離數(shù)值，然后與跟蹤脈沖的二進(jìn)制數(shù)值進(jìn)行比較，形成距離誤差作為反饋至距離產(chǎn)生器進(jìn)行跟蹤處理即可，不需要對跟蹤脈沖進(jìn)行專門的時間測量，也不必對回波信號和跟蹤脈沖間的時間差進(jìn)行比較，簡化了電路構(gòu)成、減少了系統(tǒng)誤差。在雷達(dá)全程探測完畢時，由計數(shù)停止脈沖將控制距離計數(shù)器和鎖存器清零。計數(shù)停止脈沖可以由下一個發(fā)射脈沖的前沿產(chǎn)生，也可由火控計算機(jī)提供。圖2是利用以上理論而設(shè)計的該跟蹤測距模塊的數(shù)據(jù)流程圖，該模塊利用數(shù)字技術(shù)可以實現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的自動跟蹤。把目標(biāo)的時延變成數(shù)字量，最基本的辦法就是利用計數(shù)器，并加以適當(dāng)?shù)目刂?。?dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號時，就觸發(fā)T觸發(fā)器，這樣同時啟動了計數(shù)器工作，一旦確定接收到了目標(biāo)回波，就再一次觸發(fā)T觸發(fā)器使其停止計數(shù)器計數(shù)，這樣就在回波到達(dá)的時刻讀出計數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，即得到目標(biāo)距離數(shù)據(jù)，通過與手動測距計數(shù)器輸出的數(shù)值進(jìn)行比較，就得到距離誤差值，送至控制器進(jìn)行跟蹤處理。手動與自動跟蹤測距的轉(zhuǎn)換是通過一個與門進(jìn)行切換的。很明顯，該模塊的控制器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器已經(jīng)不是圖1所示意義上的控制器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器。這時的控制器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器已經(jīng)融合在一起(在此仍用傳統(tǒng)的三部分來區(qū)分整個跟蹤測距模塊，但意義有所不同)。該模塊的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單、易于理解且通用性比較強(qiáng)。不僅可以用在雷達(dá)整個跟蹤系統(tǒng)當(dāng)中，也可以用在通用雷達(dá)訓(xùn)練器的目標(biāo)回波產(chǎn)生器和跟蹤測距訓(xùn)練器上。

　　2 手／自動距離跟蹤測距模塊的設(shè)計

　　該數(shù)字式距離跟蹤模塊由時間鑒別器、距離產(chǎn)生器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器組成。

　　2．1 時間鑒別器的設(shè)計

　　在該模塊中時間鑒別器(距離比較器)由上、下鎖存器及帶有符號位的減法電路組成。上鎖存器輸出目標(biāo)回波的實際距離脈沖計數(shù)值；下鎖存器輸出跟蹤脈沖的距離計數(shù)值；兩距離計數(shù)值同時送至帶有符號位的減法電路，輸出帶有極性的距離誤差值作為反饋量至距離產(chǎn)生器(即控制器)進(jìn)行跟蹤處理。

　　2．2 跟蹤脈沖產(chǎn)生器的設(shè)計

　　跟蹤脈沖產(chǎn)生器由手動脈沖輸出器、加／減計數(shù)單元以及寄存器組成，所以嚴(yán)格來講應(yīng)該是手動跟蹤脈沖產(chǎn)生器，它對手動脈沖進(jìn)行汁數(shù)形成跟蹤脈沖，跟蹤脈沖產(chǎn)生器輸出的數(shù)據(jù)是送給控制器的一端。其中加／減計數(shù)單元由4片74LS191(單時鐘4位二進(jìn)制可逆計數(shù)器)構(gòu)成的串行可逆計數(shù)。計數(shù)器的計數(shù)方向和計數(shù)方式受工作方式控制電路控制，手動脈沖輸出器產(chǎn)生兩組相位相差90°的脈沖，當(dāng)工作在手動時，脈沖1作為可逆計數(shù)器的時鐘脈沖，脈沖2通過JK觸發(fā)器 74HC107變成控制計數(shù)器進(jìn)行加／減計數(shù)的控制脈沖，兩組手動脈沖通過加／減計數(shù)單元形成跟蹤脈沖的進(jìn)退，等到跟蹤脈沖與目標(biāo)回波距離數(shù)值相差在一定范圍時就可轉(zhuǎn)入對目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤和測距(當(dāng)然這時也可以不進(jìn)行自動跟蹤測距)，當(dāng)進(jìn)入自動跟蹤狀態(tài)時加／減計數(shù)器停止計數(shù)，這時就不能對目標(biāo)進(jìn)行手動跟蹤和測距，控制器在原來加／減計數(shù)器已經(jīng)輸出的數(shù)值的基礎(chǔ)上根據(jù)送來的距離誤差值進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤處理。

　　寄存器的作用是輸出數(shù)據(jù)到控制器，它起著選擇輸出的作用，當(dāng)進(jìn)行手動跟蹤時，選擇輸出加／減計數(shù)單元的數(shù)據(jù)；而當(dāng)進(jìn)行自動跟蹤時，選擇輸出控制器輸出的數(shù)據(jù)，等待和時間鑒別器輸出的數(shù)據(jù)一起到加／減單元進(jìn)行跟蹤處理。

?　　2．3 距離產(chǎn)生器的設(shè)計

　　距離產(chǎn)生器(即控制器)有兩個輸入端，分別輸入跟蹤脈沖產(chǎn)生器的送來的數(shù)值和距離誤差寄存器送來的數(shù)值，距離產(chǎn)生器主要由加減／法單元及距離誤差寄存器組成，它利用距離比較器送來的一定范圍內(nèi)距離誤差值對跟蹤脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的跟蹤脈沖進(jìn)行修正，從而達(dá)到?jīng)Q定手動跟蹤還是自動跟蹤以及對目標(biāo)距離的測量。例如：當(dāng)距離誤差值小于750 m時就觸發(fā)誤差寄存器輸出為距離誤差值，即進(jìn)行自動跟蹤和測距處理；當(dāng)距離誤差值大于750 m時就觸發(fā)誤差寄存器輸出為0，從而只能進(jìn)行手動跟蹤和測距。加減／法單元是由4片74HC381(具有8種二進(jìn)制算法的算術(shù)邏輯單元的運(yùn)算器) 及1片超前位產(chǎn)生器74HC182組成的16位全超前進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算電路。運(yùn)用74HC182是為了使運(yùn)算器能夠進(jìn)行并行運(yùn)算，這樣可以大大提高控制器的運(yùn)算速度。距離產(chǎn)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)下鎖存器，再輸出到時間鑒別器和火控及終端顯示器，就能夠在顯示終端看到雷達(dá)跟蹤的情況和所測到的目標(biāo)距離了。

　　距離誤差寄存器是由3片74LS174單向正沿觸發(fā)的6位集成寄存器構(gòu)成。它的主要作用是提供自動跟蹤時的距離誤差數(shù)據(jù)，送給加／減法單元，其還能夠決定手動跟蹤還是自動跟蹤，當(dāng)各片74LS174的清零端置0時，距離誤差寄存器輸出為0，整個模塊進(jìn)入手動跟蹤測距狀態(tài)；當(dāng)清零端置1時進(jìn)入自動跟蹤測距狀態(tài)，距離誤差寄存器輸出距離誤差值。

　　3 結(jié) 語

　　這里對雷達(dá)跟蹤測距模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計，提出了雙路距離計數(shù)再進(jìn)行距離比較的辦法(而不是對跟蹤脈沖和目標(biāo)回波時間差進(jìn)行距離比較的方法)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測距，該設(shè)計方法不是根據(jù)回波超前或滯后跟蹤波門來判定時間鑒別器輸出距離誤差的極性，也不是根據(jù)回波與前后波門重合面積的比較來輸出距離誤差的，是一種創(chuàng)新的設(shè)計方法，在節(jié)省費用、簡化電路結(jié)構(gòu)和故障維修方面可以有比較大的挖掘空間。