時間：2023-07-25 17:16:58
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇航天電子技術分析，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
為了滿足現代衛星對數傳發射機更高的設計要求，得益于數字調制技術的不斷發展，本文闡述了星用X頻段數傳發射機的一體化、小型化設計，并與傳統數傳發射機設計進行了比較，詳細介紹了X波段雙機一體化、小型化數傳發射機的組成原理、設計方案和實現方法，最后通過和傳統數傳發射機的性能進行比較，并給出了測試結果。
【關鍵詞】數傳發射機 X波段 數字調制
1 概述
隨著中國衛星事業的蓬勃發展和現代通信技術的迅速發展，衛星所承載的功能越來越多，星上的空間資源越來越緊張，對包括數傳發射機在內的星上產品設計要求也越來越高。產品設計中，需要綜合實現高可靠性、小型化、輕量化和低功耗的要求。因此，研究高頻段、一體化、小型化的星載數傳發射機設計技術，對我國衛星數傳系統技術發展具有積極意義。
2 數傳發射機設計方案
數傳發射機是衛星系統的重要組成部分，承擔衛星星上業務數據向地面傳輸的功能。傳統的衛星數傳發射機，采用“中頻調制+上變頻”設計技術，在變頻環節會產生非線性失真，從而影響產品性能。隨著微波直調以及微波合成技術的發展，本文闡述了采用直接射頻調制技術，實現了X波段一體化、小型化的數傳發射機設計。
X波段一體化、小型化發射機，按照前端輸入時鐘，接收前端輸入的數據進行LDPC編碼，完成電平轉化后直接送入X波段QPSK調制器中進行調制輸出。本地恒溫晶振產生基頻信號，經過65次倍頻器倍頻到X波段，將X波段頻率信號作為QPSK調制的本地載波信號。已調QPSK數據信號，經過匹配微帶板輸出到后級功放后，由天線發射出去，完成數據傳輸。目前方案采用雙機一體化設計，互為工作備份。
X波段一體化、小型化發射機采用QPSK直接調制符合CCSDS技術規范，QPSK調制是目前應用較多的一種調制方式，廣泛用于1.2Gbps以下速率的編碼調制器中。在微波直接調制器的設計中，是兩路BPSK進行合成，載波頻率經過90°功分分成兩路分別與I、Q兩路數據進行BPSK調制，兩路BPSK數據通過0°合成器進行合成輸出。QPSK信號具有頻帶寬，隔離度好和抗干擾強等優點。
設計方案中，微波器件采用微波集成電路模塊，提高了產品設計集成度和可靠性，同時減少了體積和重量。此外，采用了倍頻器直接倍頻技術，不僅避免了傳統倍頻方案帶來的非線性失真，同時改善了發射機輸出的頻譜特性。
3 測試結果
本文設計的X波段一體化、小型化數傳發射機方案，已經成功應用于某衛星型號中，通過數傳發射機的硬件設計、軟件設計和調試后，對產品主要性能指標進行了測試，并與傳統數傳發射機設計進行了比較，測試情況見表1所示。由表可見，測試指標都是符合當初的設計指標的，比傳統的數傳發射機性能指標更加優良。
由表1以及圖2、圖3可以看出，該方案完成了X波段雙機一體化、小型化數傳發射機的設計，實現了一體化、小型化和輕量化的設計目標，相比傳統產品，數傳發射機的調制性能和信道傳輸特性有了較大提升和改進。
4 結論
本文設計的X波段一體化、小型化數傳發射機方案，已經成功應用于某衛星型號中，所設計的數傳發射機，在性能指標上優于傳統產品，在產品重量、體積和功耗等方面獲得了較大提升，對今后星上產品的小型化、輕量化設計工作具有積極意義。
參考文獻
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作者簡介
李廣才（1980-），男。碩士研究生學歷。現為上海航天電子技術研究所工程師。研究方向為衛星通信、數傳通信。
【關鍵詞】導線對接 熱縮焊錫管 對接質量 原因分析 工藝改進
現在使用“熱縮焊錫管”實現導線對接普遍應用在很多產品的生產中尤其應用在質量要求極高的航天產品中，采用正確合理的操作工藝技術，可以提高產品質量，降低故障率，延長使用壽命，降低生產成本。
1 “熱縮焊錫管”導線對接技術介紹
1.1 “熱縮焊錫管”特點
（1）“熱縮焊錫管”一般用于導線對接連接（如圖1、圖2所示），熱縮焊錫管中間自帶焊錫環，對其加熱后焊錫直接滲透到對接的芯線間，保證了對接處的可靠連接。
（2）外層護套管具有保護對接點的作用，當產品受到振動或沖擊等外力時，外層護套能對對接的兩芯線起到可靠固定和支撐的效果。
（3）焊錫管兩端具有熱熔膠，加熱熔融后能保證線纜外絕緣層與熱縮管間無縫隙，起到了防水密封功能，因此對接后的產品可用到戶外高溫高濕環境中。
“熱縮焊錫管”能將以上三功能一次完成，操作簡捷、性能可靠，所以越來越多的產品選用此形式進行對接。
1.2 導線對接出現的質量問題分析
對發生對接問題的線纜進行解剖查看，發現芯線從對接熱縮焊錫管中脫出，說明對接點已斷開；從外觀上看導線端頭沒有光澤，表面為暗黑色，焊點為焊渣堆積狀（如圖3、圖4所示），說明焊接面潤濕性和可焊性差。
1.2.1 故障機理分析
焊點外在的形貌表現為焊點不光滑、有粗糙的顆粒、光澤性差，焊接基材與焊料間實際上是未能完全融合，焊件之間沒有形成合金，這是典型的虛焊焊點。
從外觀上看出導線端頭沒有光澤，表面為暗黑色，說明導線已氧化。若導線焊接前，沒有對導線引線進行去氧化層處理，引線表面被氧化層覆蓋，液態焊料與被焊引線之間不能互相溶解，防礙融化的金屬原子自由地接近，不會產生潤濕作用，熔融焊料粘附在被焊引線表面，遺留下不規則的焊錫疙瘩或錫渣，即焊接面出現半潤濕現象，導致焊接可靠性降低，形成了對接虛焊。
1.2.2 造成對接虛焊的原因分析
（1）焊點不易檢。航天電子電氣產品的焊點和連接部位均需檢，一般采用目測進行焊點外觀檢查，必要時借助4～10倍放大鏡。合格焊點的判定為：焊點表面應光滑明亮、無針孔或非結晶狀態；焊料應潤濕所有焊接表面，形成良好的焊錫輪廓線，潤濕角一般小于30℃；焊點和連接部位間不應有劃痕、尖角、焊劑殘渣或異物；焊料與連接件間不存在裂縫、斷裂或分離等。
一般焊點是在外，焊點及連接部位的焊接質量可視、可觸及，而采用焊錫管對接的焊點在熱縮管內，只能看到連接部位的最外層，觀察焊錫環是否熔融，是否向兩側流動，而不能有效識別焊點潤濕情況，此形式的虛焊不易識別。
（2）導線未進行去氧化層處理。元器件、導線進行焊接前，必須先去氧化層，然后搪錫處理，搪錫過程不但方便焊接，更能直接判定元件和導線是否氧化。部分元件氧化不嚴重時外觀不易發現，但搪錫焊接時若出現元件管腿或芯線不上錫，操作人員能立刻發現，避免了后續的質量問題。用焊錫管對接焊接時，工藝人員開始未意識到此點，沒有要求對接的兩導線先搪錫焊接到一起，只是要求對準焊錫環直接進行熱縮處理。若兩導線先焊接到一起，能盡早發現導線氧化現象。
一般元件或導線搪錫前，用橡皮擦或金相砂紙進行去氧化層處理，氧化層去除2h內要完成搪錫，搪錫后應在7小時內焊接裝聯，暫不裝聯的應放在塑料袋中密封加以保護，若超過7天，需對引線重新搪錫。
2 導線對接操作工藝技術改進
用“熱縮焊錫管”實現導線對接的優勢是明顯的，但因前期對對接工藝技術的了解和認識不全面，出現了些質量問題。但隨著對質量問題的原因定位、機理分析、問題復現等環節的研究，掌握了對導線對接工技術的操作要點、難點，對導線對接操作技術進行了改進，梳理出了對接工藝的正確操作流程。
2.1 導線對接操作流程
用“熱縮焊錫管”實現導線對接的正確操作流程為：導線脫頭穿套“熱縮焊錫管”對接的兩芯線先焊接焊錫環移至芯線絞合處熱縮槍加熱（如圖5～圖9）。
2.2 導線對接注意事項
（1）熱縮焊錫管規格的選用：若使焊錫管實現可靠對接，選用的焊錫管規格必須與對接導線相匹配，匹配原則是導線應能順暢穿過熱縮焊錫管，且選擇與管壁間隙小的規格，導線直徑不應小于熱縮焊錫管內徑的1/2；
（2）導線脫頭長度：搭接的兩導線脫頭長度應參照熱縮焊錫管內兩熱熔膠環間距，應小于環間距3～5mm；
（3）對接位置確定：將對接兩芯線對插裝到焊錫管內，對接部位要重合，焊錫環對中，然后將導線端頭捻緊合并焊接在一起；
（4）熱縮溫度和距離要求：將對接部位平行放置，熱縮槍控制溫度調至330℃～350℃，距熱縮錫管表面約30～40mm均勻對其進行加熱，使其口徑均勻縮小，目視套管口徑貼緊導線（圖9示）。錫環融化后再延續10～15秒停止加熱，讓其自然冷卻；
（5）若一束芯線需對接，對接時應錯開，避免局部堆積在一起，但要保證長度一致（如圖10）。
3 結語
本文對“熱縮焊錫環”實現導線對接特點和對接操作工藝進行了介紹，尤其對發生的質量問題進行了原因定位和機理分析，實現了問題共享，希望大家引以為戒，避免后續重復質量問題的發生。
參考文獻
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關鍵詞:單片機；電子技術；應用研究
20個世紀70年代,單片機得到快速的發展,形成一個品種較為全面,功能更加強大的技術產品,開始在各生產領域中運用。隨著近半個世紀的發展,單片機取得更優質的成果,科技水平更加先進,在眾多領域中實現高效運用,提升這些領域的發展程度。單片機現在在電子技術領域中得到廣泛的使用,如在通信功能、儀表儀器等方面實現高效的運用,促進這些企業實現優質的發展。同時,隨著單片機運用程度的增加,應用領域的擴展,其技術呈現創新發展趨勢。
1單片機的科學分析
1.1概述
單片機是嵌入式系統的一個組成部分,它采用規模較大的電路技術將CPU、RAM、ROM以及定時器等眾多功能集成在一個硅片上,繼而形成一個具有完善功能的,微型的計算機系統[1]。單片式是1970年左右開始在生產中運用,隨著多年技術的革新和使用程度的加深,當前它在汽車電子,醫療器械,工業控制以及儀表儀器中得到運用。單片式發展速度較快,由最開始的4位單片機發展成8位單片機,到目前300M具有高速運轉和處理能力的單片機。
1.2主要特點
單片機是當前計算機發展的一個重要組成部分,隨著計算機水平的增長,單片機也呈現高效革新的態勢,且呈現不同用途的,不同型號的單片機產品。以AT89S52型號單片機為例,單片機目前重要的發展特點有6個方面。第一,單片機具有使用方便的特點,單片機整體體積較小,系統構成較為簡單,整體呈現模塊化;第二,對環境的要求較低,單片機具有較強的環境適應能力,可以在不同的環境得到運用;第三,控制能力較強大,單片機有著較強的科技力量,通過眾多功能的集成,其具有很強的控制功能;第四,功能消耗較低,單片機在運行的時候只需要較低的電壓,整體對功能的消耗低;第五,速度快,單片機具有極強的處理功能,對各項數據和信息有著極快的處理速度;第六,可靠性高,單片機可以實現長時間的工作,提升整體系統的運轉能力。
2電子技術中單片機的應用情況分析
2.1手機通信中的運用
單片機在電子通訊中得到運用,主要體現在手機語音功能的建設中,單片機對手機語音信息進行識別,并開展相關操作。在手機的音頻入口安置單片機可以使其收集眾多的音頻信息,系統分辨工作開展之后,向各個部件下具體的指令和信息,實現語音信息中的手機操作[2]。
2.2單片機提升醫療器械診斷正確性
人們在實現溫飽之后,更加關注自身的健康,對醫療水平有著越來越高的需求。但是,在醫療建設的過程中總會出現一些問題,檢測手段以及消毒水平存在一定的不足,影響整體醫療建設的質量。單片機在醫療器械中得到運用之后,大大減少了醫療問題的出現,使醫療工作得到一定程度的提升。單片機的使用增加了醫療設備的診療準確性,提升了診斷的精準性。同時,隨著單片機在醫療器械中的運用,整體醫療設備朝著更加智能化、自動化的發展方向前進,使醫療診斷的結果更加精準,更好地為人們的健康提供醫療保障。
2.3單片機使儀表儀器的使用更加智能化
單片機因其集成度高等特點被用于儀表儀器的生產,隨著單片機科研水平的不斷革新,儀表儀器的發展更加智能化,更加符合當前人們的使用需求。同時,隨著單片機使用程度的增加,儀表儀器設備朝著數字化方向發展,整體測試水平較高,儀表儀器控制和處理的功能建設更加優質。例如,在航天儀器制造的時候,使用單片機這種先進的技術可以使儀器的精準性和集成性更強,提升航天電子系統的數字化程度,大大降低航天事故發生的幾率。
2.4家電中普遍使用單片機
單片機不僅在高科技的領域中實現運用,如醫療器械、儀表儀器等領域,同時也在日常生活中得到運用,例如在家電行業中。隨著科研水平的發展,單片機越來越多地在生活中得到運用,提升人們生活的質量和幸福感。當前人們家庭生活中使用的洗衣機、微波爐以及電視機等家電都運用了單片機這項技術。在電視機的運用中,通過使用單片機使其系統控制技術更加先進,功能操作更加便捷。例如,人們可以通過遙控器自由切換不同的電視頻道,選擇自己想看的電視節目。單片機在微波爐建造中,通過系統信息的處理,可以根據食材的不同進行科學的、自動的選擇工作,主要是選擇加熱時所需要的溫度和具體時間。單片機在洗衣機的系統控制中,可以根據衣物的材質以及臟污程度進行自動洗滌,對洗衣液的使用量、洗滌的強度控制以及詳細的洗滌時間有著科學的控制和選擇。
3單片機在未來電子技術領域中開發趨勢分析
隨著社會生產實力的增強,科研技術程度更加深入,單片機型號和技能革新的速度會越來越快,其在電子領域的應用開發主要從以下3個方面進行。
3.1對單片機程序開發
隨著單片機自身開發程度的加深,其在嵌入式系統的建設中得到越來越全面的運用,目前已經不在裸機的環境中實現開發和使用。單片機已經實現一定程度的自動執行,可以對數據進行較強的儲存,科學處理和傳輸數據。單片機具有較強的環境使用能力,可以保障計算機在不同的環境中實現正常的運轉和數據的處理,對外界的物理參數實現高質量的采集,并對其進行邏輯分析和正確的處理[3]。
3.2優化C語言系統程序
C語言有著強大的數據處理能力,可以以簡易的方式對編程語言開展編譯、處理等工作,有著強大的編程能力。為了使單片機在復雜的計算數據和控制數據的環境中實現正常的使用,提升系統的集成和控制能力,一定要加強C語言在單片機中的運用程度[4]。通過對C語言更深度的開發,可以加大單片機的開發程度和力度,進而拓展單片機使用和運用的范圍和領域。
3.3加強對計算機的研發
目前,單片機的制作中使用眾多的通信接口,通過接口的連接可以和計算機進行數據的交流和溝通。可以說,單片機通過通信接口可以讓通信設備和計算機形成一定的聯系,可以使雙方進行精準的數據支持,提升設備對數據的使用程度和運用程度[5]。為此,要想對單片機進行深度的開發,應該對計算機進行系統的分析和運用,提升數據連接和傳輸的質量。
我國航天事業在近年來處于穩定發展階段，載人航天飛行、深空探測以及火箭衛星發射等領域都在不斷尋求著突破與創新，不斷取得令世界矚目、令國人為之自豪的成就。隨著我國航天軍工科研事業單位的不斷發展與完善，面對競爭日益激烈的市場環境，如何在市場競爭中進一步的提升航天軍工科研事業單位的綜合實力，己經成為我國航天軍工科研領域急需探宄與解決的重要問題。
1.航天軍工科研事業單位成本管理與控制中存在的問題情況
(1) 在我國現階段航天軍工科研事業單位的運營過程中，定價模式與成本加成的補償方式己經極大的影響到了事業單位的運營狀況，成本加成上存在的補償問題和定價模式的落后，己經嚴重削弱了航天軍工科研事業單位的成本管理與控制工作，致使大量的交易項目出現成本管理問題，嚴重影響我國眾多航天軍工科研事業單位的發展，更對我國航天軍工科研領域今后的發展造成極大的負面影響[1]。成本加成上存在的補償問題和定價模式的落后更會導致相關的經濟市場出現誤導情況，致使大量事業單位在生產與運營階段出現虧損情況，從而給不法分子以可趁之機，對我國整體經濟市場造成嚴重危害。
(2) 在我國現階段航天軍工科研事業單位的運營過程中，企業成本管理與控制相關的制度矛盾己經極大的影響到了事業單位的正常運營狀況，成本的開支范圍與價格形成機制不統一，更接連引發了諸多市場經濟問題，對我國航天軍工科研事業單位的運營與發展造成了極大的干擾。我國航天軍工科研事業單位受制于國家經濟主管部門和財務政策出臺相關部門，在市場運營過程中需要依賴于統一化的成本開支范圍與價格形成機制，航天軍工科研事業單位的成本管理制度更是生產與運營的重要指標與內容。因此，成本管理與控制相關的制度矛盾、成本的開支范圍與價格形成機制不統一，這些問題情況都會直接導致航天軍工科研事業單位出現成本管理與控制問題，嚴重影響事業單位今后的成本管理與制度創新。
(3) 在我國現階段航天軍工科研事業單位的運營過程中，現行的經費管理辦法及計價辦法己經嚴重影響到了事業單位的發展與運營情況，計價和經費管理中存在的問題情況在很大程度上約束著航天軍工科研事業單位的成本管理和控制工作，致使企業會計人員在實踐工作中難以有效發揮自身的職能效用，更會對企業的運營狀況產生嚴重的負面影響。
2.加強航天軍工科研事業單位成本管理與控制的具體措施
2.1計價模式與成本補償方式的完善與創新
針對我國現階段航天軍工科研事業單位存在的問題情況，科研人員及相關管理人員應積極采取相應的解決措施，通過完善航天軍工科研事業單位成本管理與控制中的計價模式與成本補償方式，進一步提高航天軍工科研事業單位成本管理與控制的有效性，幫助事業單位更好的運營與發展。
首先，航天軍工科研事業單位科研人員與管理人員應積極建立分類定價的模式，對傳統壟斷式的運營方式進行調整，以成本作為計價的唯一標準，根據我國當下市場經濟的實際情況與市場上的供應需求，結合自身航天軍工科研事業單位的承受能力，制定出符合市場要求，并且能夠進一步提升自身發展狀況的計價模式，以此實現航天軍工科研事業單位多元化的成本補償模式，通過這種補償方式，使事業單位在生產與運營的過程中能夠逐步實現階梯式的經濟增長。同時，航天軍工科研事業單位科研人員與管理人員更需要在成本管理與控制的過程中實行浮動收益率，通過將事業單位商品的定價范圍與最高限價范圍進行明確界定，進一步降低航天軍工科研事業單位的運營風險。
2.2完善商品定價模式與經費管理方法
針對我國現階段航天軍工科研事業單位存在的問題情況，科研人員及相關管理人員應積極采取相應的解決措施，通過完善商品定價模式與經費管理方法，使航天軍工科研事業單位在運營過程中能夠根據全新的管理模式來進行生產與運作，大大提高了商品生產的效率，逐步降低商品生產成本，運用科學化的評價與經費管理方法，使事業單位的整體經濟效益能夠得到穩步增長。同時，航天軍工科研事業單位科研人員及相關管理人員在逐步改革商品價格機制的基礎上，還應該積極制定出更加科學化的定價管理模式，通過對成本加彈性利潤等多種定價方式進行研宄與分析，結合我國現有的經費管理辦法，研宄出更加符合我國航天軍工科研事業單位的商品配套定價模式與經費管理辦法。
2.3實現作業成本管理與價值鏈分析的融合
針對我國現階段航天軍工科研事業單位存在的問題情況，科研人員及相關管理人員應積極采取相應的解決措施，通過實現作業成本管理與價值鏈分析相融合的方法，幫助航天軍工科研事業單位在運營過程中充分發揮作業成本法的積極效用，實現事業單位產品定價與成本核算工作的統一，以此提升事業單位的整體經濟效益與運營狀況。
航天軍工科研事業單位科研人員及相關管理人員應以我國現有的事業單位作業成本管理辦法為基礎，在價值鏈分析的基礎上，根據我國市場動向制定出更加科學化的成本管理體系，實現作業成本管理與價值鏈分析相融合，幫助航天軍工科研事業單位在運營過程中獲得更加準確的信息，消除不增值或者逐步減少的作業，以此實現降低航天軍工科研事業單位生產成本的目的，最終實現航天軍工科研事業單位經濟運營體系的全面提升。
3.結語
【關鍵詞】FPGA 可靠性設計
脈沖發生器是某航天產品的核心部件，脈沖發生器能否穩定產生正確的脈沖，直接影響產品性能。
在某次試驗過程中，該產品出現了脈沖時序不穩定的現象。經過分析、研究、試驗最終發現了問題的原因，確定了有效的解決方案，提出了一種提高脈沖發生器可靠性的設計方法。
本文從脈沖發生器設計原理進行剖析，說明原設計存在的問題，詳細介紹優化后的設計原理和設計實現，可作為同類型設計的參考。
1 脈沖發生器工作原理
脈沖發生器接收主機發送的RS-232串口通信指令數據，經過數據解析得到脈沖參數，并產生相應的脈沖波形。脈沖發生器功能框圖如圖1所示。
2 原脈沖發生器設計原理
原脈沖發生器設計原理如圖2所示。
2.1 主機向單片機發送脈沖參數數據幀
主機以RS232串口通信方式將脈沖參數數據幀發送給脈沖發生器中的單片機（MCU），單片機將接收到的數據保存在內部RAM存儲器中。
2.2 單片機向FPGA發送脈沖參數數據幀
當接收完一幀數據后，單片機將數據原樣寫入FPGA內部雙端口RAM。單片機工作頻率為11.0592MHz，單片機以11.0592MHz的刷新速率對FPGA內部雙端口RAM地址總線和數據總線進行數據更新；FPGA工作頻率為100MHz，FPGA內部雙端口RAM以100MHz的采樣速率讀取地址總線和數據總線上的數據，并將采樣數據寫入RAM相應存儲單元內。
2.3 FPGA解析脈沖參數，生成脈沖波形
單片機向FPGA發送完一幀數據后，向FPGA發送“寫完成”信號，FPGA收到“寫完成”信號后，讀取內部雙端口RAM中的數據，進行數據解析得到脈沖參數，生成相應的脈沖波形。
3 原設計存在的問題
單片機對FPGA內部雙端口RAM地址總線和數據總線刷新速率為11.0592MHz，雙端口RAM對地址總線和數據總線的采樣速率為100MHz，FPGA內部雙端口RAM的寫操作頻率和讀操作頻率為異步頻率，存在跨時鐘域問題，如圖3所示。
EDA設計中，穩定可靠的數據采樣必須遵從以下兩個基本原則：
（1）在有效時鐘沿到達前，數據輸入至少已經穩定了采樣寄存器的Setup時間之久，這條原則簡稱滿足Setup時間原則；
（2）在有效時鐘沿到達后，數據輸入至少還將穩定保持采樣寄存器的Hold時間之久，這條原則簡稱滿足Hold時間原則。
當觸發器的Setup時間或者Hold時間不滿足，比如觸發器時鐘沿在數據變化沿口時，就可能產生亞穩態，此時觸發器輸出端Q在有效時鐘沿之后比較長的一段時間內處于不確定的狀態，在這段時間內Q端產生毛刺并不斷振蕩，最終固定在某一電壓值，此電壓值并不一定等于原來數據輸入端D的數值，這段時間稱為決斷時間（Resolution time）。經過Resolution time之后Q端將穩定到0或1上，但究竟是0還是1，這是隨機的，與輸入沒有必然的關系。亞穩態有可能會導致邏輯誤判，如圖4所示。
根據上述分析，由于FPGA內部雙端口RAM數據輸入時鐘和數據采樣時鐘異步，當采樣時鐘偏離到數據的沿口時，最終可能對數據進行誤判，造成FPGA內部雙端口RAM存儲數據出錯，從而導致最終產生的脈沖波形時序錯誤。
同時，原設計中將單片機作為中間橋梁實現主機與FPGA之間RS232通信的設計方法不是常規的、成熟的、定型的設計方法，沒有充分發揮FPGA的功能，浪費了資源，使得RS232通信設計復雜化，降低了通信的可靠性。
4 脈沖發生器優化設計
針對原設計存在的不足，對脈沖發生器原設計方案進行優化。優化后的設計原理如圖5所示。
如圖5所示，優化后的脈沖發生器取消了單片機的使用，通過FPGA實現RS232通信功能、脈沖參數解析功能和脈沖波形發生功能，達到了以下目的：
（1）取消單片機與FPGA的通信，規避了異步時鐘域導致的邏輯誤判的技術風險。
（2）取消單片機后，脈沖發生器硬件電路得到簡化，元器件種類數量減少，提高了脈沖發生器的基本可靠性，降低了維修工作量和成本。
（3）取消單片機后，單片機嵌入式軟件也隨即取消，精簡了脈沖發生器配套軟件數量，減少了軟件配置項維護的工作量，有利于軟件研制過程中對技術狀態的控制與管理。
4.1 基于FPGA的RS232通信接口電路設計
基于FPGA的RS232通信接口電路原理圖如圖6所示。
圖6中MAX3232是RS232通信電平轉換芯片，其工作電壓為3V～5.5V，外部僅需4個0.1μF的電容就能實現RS232標準電平和FPGA TTL電平之間的雙向轉換，在數據傳輸速率方面，MAX3232能夠保證120kbps的波特率。TTL_IN為FPGA RS232通信發送信號，信號電平為3.3V；TTL_OUT為FPGA的RS232通信接收信號，信號電平為3.3V信號。
4.2 基于FPGA的RS232通信軟件設計
4.2.1 RS232通信數據格式
RS232通信屬于異步通信，異步通信數據傳送的特點是同一字符內是同步的，而字符間是異步的，因此收發雙方取得同步的方法，是字符格式中設置起始位（低電平）和停止位（高電平）。脈沖發生器RS232通信數據格式如圖7所示。
脈沖發生器RS232通信每個字符包含10位數據，波特率為9.6kbps。起始位為邏輯“0”，表示一個字符傳輸開始。數據位緊接著起始位之后，共有8位，低位在前。停止位為邏輯“1”，表示一個字符傳輸結束。空閑位始終處于邏輯“1”狀態，表示當前線路上無數據傳輸。
一組完整的脈沖參數數據幀包含38個字符，第1個字符為幀頭，表示一幀數據傳輸開始，第38個字符為幀尾，表示一幀數據傳輸結束，中間36個字符為有效數據，解析后得到脈沖參數。
4.2.2 FPGA實現RS232通信數據接收
FPGA接收RS232數據的大致過程為：空閑狀態，線路處于高電平；當檢測到線路的下降沿時表示接收到字符起始位，按照9.6kbps的速率從低位到高位接收8位數據位。當接收到的字符為幀頭時，開始接收36字符有效數據，當接收到的第38個字符是幀尾時，完成1組脈沖參數數據幀的接收。
（1）RS232接收數據采樣時鐘。為了提高數據采樣的分辨能力和抗干擾能力，FPGA對接收數據的采樣頻率設置為波特率的16倍（可以更高），即1個字符的每1位采樣16次，并且取每1位第8個采樣點作為該位邏輯值的判決點。每個字符從檢測到起始位下降沿開始，共采樣160次。
FPGA采樣頻率與16倍波特率可以存在一定的偏差，工程上常要求滿足1%以下，能夠保證不會因采樣頻率偏差的累計導致錯位，并且字符每1位的判決點都能落在數據判決的有效位置。
由于FPGA的工作主時鐘頻率為100MHz，按照上述原則，對主時鐘進行651分頻，作為RS232接收數據的采樣時鐘。
（2）單個字符接收。按照接收數據采樣時鐘頻率對傳輸線上的數據進行采樣，當檢測到邏輯值由“1”變為“0”時，表明接收到字符起始位，計數器cnt1和字符接收標志置為“1”，之后每隔1個采樣周期cnt1加1。字符接收標志為“1”時，說明正在接收字符，此時如果檢測到邏輯值由“1”變為“0”時，不作響應。當cnt1的值為24時，采樣值為D0；當cnt1的值為40時，采樣值為D1；以此類推，當cnt1的值為136時，采樣值為D7。當cnt1為152時，采樣到停止位，此時將字符接收標志置為“0”，等待下一個字符出現。
（3）一幀數據接收。當單個字符接收完畢后，判斷該字符是否為幀頭，若為幀頭，將計數器cnt2和幀接收標志置為“1”，之后不再判斷幀頭，每接收完一個字符，cnt2加1。當cnt2的值為38時，判斷該字符是否為幀尾，若為幀尾，將幀接收標志置為“0”，等待下一幀數據，同時將接收到的有效數據字符送給后級脈沖參數解析功能模塊。若不為幀尾，則該幀數據無效，將幀接收標志置為“0”后等待下一幀數據。
5 脈沖發生器優化設計驗證
5.1 FPGA軟件驗證
對優化后的FPGA軟件進行了以下驗證工作：
（1）對軟件RS232串口通信功能模塊進行人工走查，通過人工走讀的方式對軟件編碼規則和軟件邏輯功能進行檢查；
（2）對FPGA軟件進行仿真測試，通過ModelSim仿真工具對軟件RS232串口通信功能、性能以及串口通信功能模塊與后級脈沖參數解析功能模塊之間接口關系正確性進行測試；
（3）對FPGA軟件進行硬件確認測試，將軟件固化在FPGA中，在常溫及高低溫條件下，對脈沖發生器提供測試激勵，通過示波器觀察輸出波形。
經測試，FPGA軟件RS232串口通信功能模塊功能、性能符合設計要求；與脈沖參數解析功能模塊之間接口關系正確；軟件固化后，脈沖發生器功能正確，性能穩定；同時FPGA資源使用率和時序關系滿足相關余量要求。
5.2 脈沖發生器試驗驗證
優化后的脈沖發生器已跟隨多個型號通過了高溫、低溫、振動等環境試驗以及系統試驗的考核，結果表明脈沖發生器功能正確、性能穩定，各項指標滿足設計要求。
6 結論
本文通過對脈沖發生器設計原理進行分析，指出原設計存在的問題：跨時鐘域采樣可能導致的邏輯錯誤。針對問題，提出了一種提高脈沖發生器可靠性的設計并詳細介紹了優化設計的硬件和軟件實現方法。通過對FPGA軟件仿真測試、脈沖發生器單板確認測試以及整機試驗的驗證，證明該優化設計方法正確、有效，解決了原設計存在的技術風險，提高了脈沖發生器脈沖波形的正確性和穩定性。該優化設計可作為同類型設計的參考
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（國防科學技術大學電子科學與工程學院， 湖南長沙410073）
摘要：利用LabVIEW具有軟件開發周期短、開發成本低的優勢，設計了一套基于LabVIEW的雷達系統仿真軟件。先后開展對雷達系統的結構分析以及模塊化設計等工作，并對設計的各個模塊進行分析與測試。其中，模塊化設計完成了雷達收、發波形的設計以及匹配濾波、脈沖積累、MTI處理、Doppler處理和CFAR門限檢測等雷達信號處理算法的實現。該雷達系統仿真軟件從信號的發射、接收、處理以及顯示等過程復現了整個雷達系統的工作流程，通過測試，驗證了該軟件功能全面、性能穩定。
關鍵詞 ：雷達系統仿真；LabVIEW；雷達信號處理；軟件測試
中圖分類號：TN955?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）13?0001?06
收稿日期：2015?01?30
基金項目：國家自然科學基金資助項目（61201330）
0 引言
隨著電子技術的發展，計算機仿真不僅是理論研究的一種手段，更是開發電子系統必不可少的前提。當前雷達系統仿真軟件，大多采用Matlab或C語言作為軟件開發工具。可是，Matlab雖然圖像顯示美觀，但是數據處理速度較慢，難以處理大規模的雷達仿真數據[1]；而C 語言雖然數據處理速度較快，但是程序編寫復雜，并且程序讀寫不直觀、難懂[2]。
結合Matlab 與C 語言的優點，本文選擇LabVIEW作為軟件開發平臺。該平臺內置大量數據分析和信號處理工具，并且采用“電線”等方式進行圖形化編程。將LabVIEW 用于雷達系統仿真軟件的設計，不僅大大縮短了軟件開發周期，降低了軟件開發成本[3]，而且憑借LabVIEW 的諸多優點，使設計的雷達系統仿真軟件功能全面、性能穩定。
本文從雷達系統仿真軟件的系統結構設計、系統模塊設計以及性能驗證等三方面進行論述。系統結構設計提供了該軟件的設計思路與設計流程；系統模塊設計則對整個雷達系統采用模塊化的設計方式，從信號的發射、接收、處理、顯示等過程復現整個雷達系統的工作流程；系統性能驗證則是對設計的雷達系統的各個模塊進行分析與測試，驗證該軟件功能的全面性和性能的穩定性。
1 系統結構設計
雷達是一種依靠電磁波的收發對目標進行檢測、跟蹤、識別成像等處理的設備[4]。本文設計的雷達系統仿真軟件主要是用于對雷達目標檢測性能的分析與驗證。雷達系統仿真軟件的系統結構如圖1所示。
雷達系統仿真軟件的結構分為三部分：模擬器模塊、雷達信號處理模塊以及顯控界面。
模擬器模塊包括目標模擬器和信號模擬器。其中目標模擬器用于產生目標所處的方位角、俯仰角、目標的距離、目標的個數等；信號模擬器用于產生基帶發射波形以及回波信號，發射波形類型有簡單脈沖波形和線性調頻波形。
雷達信號處理模塊是雷達系統仿真軟件的核心，為了從回波信號中提取出目標的距離、速度等有用信息，可以采用匹配濾波、脈沖積累、MTI處理、脈沖Doppler處理以及CFAR門限檢測等雷達信號處理算法。
顯控界面包括控制部分和顯示部分，通過參數的設置，將檢測結果反饋到界面上。
整套雷達系統仿真軟件各個模塊的實現是基于系統主控與調度模塊，主要由掃描控制和顯示控制等組成，它將軟件各個部分有機地結合起來，使軟件可靠穩定的運行。
模塊設計與性能驗證
2.1 模擬器模塊
目標模擬器用于產生目標的方位、距離以及個數等信息。用隨機函數使目標以一定概率分布于整個雷達探測的空域，以此模擬出不同方位、距離處的目標，此外，也可以人為設置目標的距離。信號模擬器用于產生雷達的收、發信號。發射信號主要設計了簡單脈沖波形和線性調頻波形兩類，而將發射信號進行幅值衰減、時間延遲、頻率偏移、加噪等處理后，則得到雷達系統的接收信號。
2.1.1 回波信號的幅度設計
對于點目標，雷達距離方程[4]為：
式中：Pt 是雷達發射峰值功率；Gt 是發射天線增益；Gr是接收天線增益；λ 是雷達工作波長；σ 是目標截面積RCS；L 是總損耗（包括系統損耗、大氣衰減等）；R 為目標距離；Pr 是回波信號的峰值功率。假設該雷達共用收發天線，雷達天線方位角寬度θa，雷達天線俯仰角寬度θe，則雷達收發天線增益[4]近似為：
2.1.3 回波信號的頻率設計
若探測的目標存在徑向速度，則回波信號的頻率相對于發射信號的頻率有所偏移，這就是多普勒頻移現象[4]。利用該現象可以推知目標的徑向速度為：
設置一個點目標位于9 800 m處，將回波信號在不同的脈沖數下，通過匹配濾波器，得到如圖2所示的結果。如圖2（a）所示，當脈沖數M = 1 時，脈沖壓縮后，回波信號的信噪比SNR1≈ 6 dB；而進行相干積累，如圖2（b）所示，當積累脈沖數M = 100 時，脈沖壓縮后，回波信號的信噪比改善為SNR100≈ 25 dB，信噪比提升了近20 dB，與理論值接近。此外，通過比較圖2（a）和圖2（b），可以發現噪聲功率從-96 dB 改善為-75 dB，增加了20 dB，而信號功率從-90 dB 改善為-50 dB，增加了40 dB，即信號的功率增益大于噪聲的功率增益，使得信噪比得以提升。
2.2.2 MTI處理與脈沖Doppler處理
MTI處理主要是針對動目標檢測的一種處理方式[8]。
由于目標運動速度快慢的差異，其多普勒頻移是不同的，若將信號回波通過單/雙延遲對消器，則多普勒頻移小（運動速度低）的目標將被濾除，而檢測出運動速度較大的目標。
脈沖Doppler處理則是在慢時間采樣域上對信號做FFT變換，根據回波信號頻率的不同，以區分不同的目標并檢測其速度。
由于雜波信號的回波功率很強，容易使接收機飽和或者引起誤檢；并且雜波回波的旁瓣很高，容易淹沒目標，引起漏檢。所以，一般而言，MTI 處理位于Doppler處理之前，即先對雜波進行抑制，再對作動目標檢測。MTI 處理與脈沖Doppler 處理是兩類主要的Doppler 處理方式，都是在慢時間域上利用回波信號頻率的變化對目標作檢測[9]。
單延遲對消器是將雷達輸入信號x(t) 延遲一個脈沖周期T，并將x(t) 與延遲得到的x(t - T ) 相減。對消器輸出信號為：
設置目標1，2的距離分別為7 600 m，7 800 m，速度分別為30 m/s，300 m/s，目標截面積RCS分別為200 m2，10 m2，MTI處理方式選擇雙延遲線對消器，得到如圖3所示的仿真圖。
從圖3（b）中可以看到回波信號通過雙延遲線對消器后，速度較低的目標1處于谷底，速度快的目標2處于峰頂；對比圖3（a）和圖3（c）可知，雖然目標1，2相隔較近，但是由于它們的速度差異很大，所以通過脈沖Doppler處理后，能將其在速度維上完全區分開；對比圖3（c）和圖3（d），可以發現，盡管目標1的RCS遠大于目標2，目標1的回波信號功率為-42 dB，而目標2僅為-55 dB，但是由于目標1 的運動速度很慢，所以通過MTI處理后，只留下了目標2。總之，脈沖Doppler處理能在信號頻率維上對目標作區分，MTI處理能濾除掉運動速度較小的目標而檢測出運動速度較大的目標。
2.2.3 門限檢測
檢測位于雷達信號處理的各個階段，目標能否從噪聲、雜波等中被檢測出來，在于檢測門限的設計是否合理，這里設計了兩種最基本的檢測門限：固定門限與單元平均恒虛警率門限。當檢測門限為一恒定值時，該檢測門限為固定門限；而在噪聲功率變化的情況下，為了保證系統的虛警率不變，必須實時改變檢測門限值，該門限為恒虛警率（CFAR）門限。
對于單元平均CFAR門限檢測，若參考單元橫向窗長度為C，縱向窗長度為K，保護單元橫向窗長度為B，縱向窗長度為H，則待檢單元的平均CFAR門限[10]為：
設置目標1，2距離分別為9 000 m，9 500 m，速度分別為40 m/s，60 m/s，C = 51，K = 5，B = 25，H = 3，Pfa = 10-6，得到單元平均CFAR門限檢測圖如圖4所示。
圖4（a）為單元平均CFAR門限檢測下的距離?速度維圖，可以看到檢測門限為一個矩形環框，其外環大小為參考單元大小，內環為保護單元；圖4（b）為單元平均CFAR門限檢測下的三維圖。
將M × N 個數據通過檢測門限，若某待檢單元內的信號功率值大于檢測門限，則判定該待檢單元內存在目標，否則不存在。設置3個目標分別位于9 500 m，9 550 m，9 800 m，速度均為40 m/s，在不同的虛警率下作固定門限和單元平均CFAR門限檢測，如圖5所示。
對比圖5（a）和圖5（b），發現虛警率的降低，相當于檢測門限的提高。當虛警率Pfa = 10-3 時，檢測門限過低，導致有些待檢單元處噪聲的功率大小超過固定門限值，從而檢測出許多虛假目標；而降低虛警率至Pfa = 10-6 ，相當于提高了固定門限值，從而提升了目標被檢測到的概率。對比圖5（b）和圖5（c），雖然單元平均CFAR 門限檢測的虛警率更高，但是效果更好，目標定位更準確。
2.3 顯控界面
雷達系統仿真軟件的顯控界面如圖6所示，主要分為控制部分和顯示部分。其中，控制部分有模擬器模塊參數、信號處理模塊參數、掃描控制以及顯示控制；顯示部分有三維顯示圖、目標個數以及檢測出的目標距離速度，其中“三維顯示圖”是指目標的距離、速度以及回波信號功率大小三個維度的顯示圖。
設置相應的參數，如“波形類型”、“采樣率”、“天線方位角寬度”、“窗函數”等；選擇“生成模擬目標”，則調用目標模擬器在設定的150°水平方位角上隨機生成不同距離上的3個目標，并設置速度分別是40 m/s，60 m/s，20 m/s；經回波模擬、雷達信號處理等過程，在“三維顯示圖”中顯示出來，并且檢測出的“目標個數”為3，距離分別是7 999.37 m，8 473.75 m，10 168.8 m，速度分別是39.843 7 m/s，59.765 6 m/s，19.921 9 m/s。更改設置，重新運行軟件，則會更新檢測結果。
3 結語
本文設計的基于LabVIEW 的雷達系統仿真軟件，其功能全面、性能穩定。該軟件通過發射基帶信號的設計，回波信號的模擬，目標的生成，雷達回波信號的處理以及顯示的控制等過程，復現了整個檢測雷達的大致工作流程。使用該雷達系統仿真軟件不僅可以更加深刻地理解檢測雷達系統的工作原理，而且可以通過設置不同的參數，在該軟件平臺上做多種關于目標檢測問題的仿真實驗。
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作者簡介：王東（1990—），男，碩士研究生。研究方向為新體制雷達系統分析設計、系統仿真。
摘要：液位計是重要的測量儀器，在石油和化工行業中發揮著不可或缺的作用。隨著信號處理技術和電子技術的快速發展，液位計測量技術通過機械開發到機電一體化，并且機電一體化和自動化的發展，近年來，微處理器被引入液位計，液水平測量技術發生了革命性的變化。導波雷達液位計是一種在開發過程中廣泛應用的智能測量儀器。本實用新型具有應用范圍廣、抗干擾能力強、功耗低、運行穩定、成本低、能適應測量極端環境的優點。然而，與一些昂貴的液位計相比，精度不夠。因此，開發高精度的新型導波雷達液位計是非常重要的。
關鍵詞：雷達液位計；液位計；導波雷達
0引言
無論是在工業生產還是在日常生活中，對于液位測量，如河流和湖泊水箱測量等，特別是在工業生產領域，水平測量具有不可或缺的重要作用。在不同的工業領域，液位測量要求不一樣，由于不同的工業領域，測量環境不同，待測液體，測量范圍和精度要求不同，液位計是一種重要的儀器。在油田、化工等領域已廣泛應用液位計來測量液位，可以掌握實際的液位值水平，從而保證生產的可靠運行，為經濟核算提供依據。在當前水平測量中，測量精度是最重要的指標，無論是小型集裝箱、大型油罐還是河湖水庫。例如：石油和化工工業在使用儲油能力很大，甚至高100000m3，即使測量誤差很小的液位，也會造成很大的絕對誤差的容量值。因此，提高任何液位測量系統中液位測量的精度是非常重要的。隨著信號處理技術和電子技術的快速發展，液位計測量技術通過機械開發到機電一體化，并且機電一體化和自動化的發展，近年來，微處理器被引入液位計，液水平測量技術發生了革命性的變化，其測量精度和分辨率變高，范圍從幾厘米到幾十米，越來越智能化、向小型化、集成方向發展[1]。
1國內外研究現狀和發展趨勢
通過科研工作者的努力，目前市場上有多種液位計。在實際使用中，用戶可以根據期望的精度和不同的測量環境選擇正確的液位計。普通液位計包括伺服液位計、超聲波液位計、激光液位計、磁致伸縮液位計、R射線液位計、光纖液位計、雷達液位計等。應用浮力平衡伺服液量計的原理，根據液位，浮子在被測對象中，不同液體對不同浮力，重力通過敏感裝置測量浮子的重量，精確測量液位值。型式液位計采用伺服電機提升自動控制浮子，是一種自動跟蹤高精度液位計液位的變化，其液位測量精度可達±0.7mm，測量靈敏度可達0.1mm。動態跟蹤誤差可達到0.1mm。伺服液位計也可以做出遠程信號，可以由于不同原因的附加水平而出現鋼絲繩重量補償。此外，伺服液位計還可以接口測量液體密度和不同的液置參數。液位計幾乎沒有傳動部件，因此，具有高可靠性。國際上，荷蘭Enraf公司開發的ATG854和XTG854伺服液位計，可以實現+1mm的測量精度。中國打破了國外技術的壟斷地位，在2003年開發的BJLM-80伺服級中，填補了空白，液位測量精度可以達到±1mm，液體界面的測量精度可以達到±2mm。
超聲波液位計采用時域反射原理，聲波在空氣中傳播，當被測液面反射后，通過測量發射和反射信號的時間差可以從傳感器計算到表面的距離，然后得到高度。超聲波液位計可以基于智能分析反射信號，可以過濾干擾，分析信號強度，識別多個回波，使得即使在干擾的情況下，液位計讀數也是準確的。使用新型氣密超聲波液位計可測量高達15m的液位。E+H公司推出FMU40/41超聲波液位計，可以實現測量精度為2mm。目前，與國外產品相比，國內超聲波液位計的發展相對落后，缺點主要體現在測量精度和盲區的距離。國外超聲波液位計盲區一般在5cm~10cm，測量精度在1％左右的范圍內；國內超聲波液位計盲區面積約30m，測量精度在約1.5％的范圍內。雷達液位計是基于電磁波反射原理設計的。它不受介質的粘度，密度和蒸氣的影響，并且具有高精度。使用不同的超聲波，電磁波傳播介質在稀釋氣體，真空或半液體蒸汽的條件下一半擴散，其傳播速度不受氣體和液體的任何波動的影響。因此，它可以用于液位測量揮發性液體，以及高溫高壓，具有很強的適應能力。根據不同的測量方法，雷達液位計可分為兩種類型的調頻連續波和脈沖類型。
2導波雷達液位計的總體方案
本主題設計的導波雷達液位計由電路部分和機械部分組成，其中電路部分可分為控制和信息處理模塊，信號調制模塊，收發器電路模塊，機械部分分為同軸和同軸波導桿探頭兩部分。控制和信息處理模塊的主要功能是根據要調制的信號和液位計算來控制系統的操作；用于產生發射信號和采樣信號的信號調制模塊的主要功能，以及接收信號處理的反射；主要功能模塊的收發電路用于信號傳輸同軸電纜傳輸、同軸波導桿以及反射信號采樣。同軸電纜和同軸波導桿探頭作為電磁脈沖信號的傳輸介質，同軸電纜功能電路和探頭頂部的同軸連接液位計波導桿，同軸波導桿探頭設置在液罐，液體垂直進入體內。
2.1導波雷達液位計的系統原理
本文采用脈沖導波雷達液位計，采用時域反射法（TDR）原理對液位進行液位測量。電路電平表發射器脈沖信號，并通過信號收發器電路傳輸到同軸電纜，電磁脈沖信號沿同軸電纜和同軸波導桿傳輸后，當它遇到空氣界面和待測液體時會產生反射脈沖信號，沿同軸波的反射信號引導棒和同軸電纜反向傳播，最終信號電平表接收電路捕獲。通過測量電磁脈沖信號在同軸波導管探頭T上的傳播時間，可以獲得導桿頂部和待測液位之間的距離。為了提高小時間間隔T的分辨率，使用等效采樣方法來捕獲反射信號。是發射信號中的過程的等效采樣特性并接收反射信號，只有有限的時間來完成信號采樣，但在測量期間，信息可以被放入下一個發射信號中并接收反射信號過程將一直持續到完成抽樣，抽樣所需信息。這可以利用較低的采樣頻率實現更高的時間分辨率，從而提高測量的精度。
3導波雷達液位計的硬件組成
本文設計的導波雷達液位計采用模塊化設計思想，由電路部分和機械部分組成，其中電路部分分為3個模塊，分別為控制和信息處理模塊、信號調制模塊、收發器電路模塊，機械部分由同軸電纜和同軸波導桿組成。電路電平表，控制和信息處理模塊可分為CPU電路和電路；信號調制模塊可分為傳輸和反射采樣信號調制電路和信號調制電路；收發器電路模塊可分為提取電路接收電路和反射信號。在導波雷達液位計系統中，控制及信息處理模塊的主要功能為：1）產生系統所需要的時鐘信號PWMO、控制信號PWM1及基準信號PWM2。其中，PWMO是頻率為460KHz的方波信號，PWM1是頻率為10Hz，占空比為30%的信號，PWM2是頻率為10Hz，占空比為35%的信號。2）將接收到的反射信號與基準信號進行對比，得到電圖3導波雷達液位計系統組成框圖Fig.3Diagramofguidedwaveradarlevelgaugesystem磁脈沖信號在導波桿上的傳播時間，經過處理計算后得到實時的液位值。3）接收鍵盤輸入的信息，完成系統測量參數的調整或是功能菜單的轉換。4）控制LCD實時的顯示信息。5）完成與上位機的通信功能。信號調制模塊的主要功能為：a）在PWM1信號的控制下，對PWMO信號進行調制，產生頻率為460KHz的尖脈沖信號作為發射信號，同時產生一個頻率略低于460KHz的信號作為采樣信號。b）對捕獲到的反射信號進行調制，將其轉換為CPU可以識別的邊沿信號。收發電路模塊的主要功能為：①發送信號被發送到同軸電纜，并且采樣信號的影響在同軸電纜上進行信號等效采樣。②從等效采樣信號中提取反射信號并發送到信號調制模塊。液位計的機械部分由同軸電纜和同軸波導棒探頭組成。波導棒探頭安裝在液體容器罐口內，垂直插入被測液體，探頭端部到罐底，當傳輸信號傳到表面時，反射信號，反射信號沿著波導桿探頭和同軸電纜和反向傳輸，收發器電路模塊液位計采集。
3.1信號調制模塊
導波雷達液位計的信號調制模塊由鋸齒波發生電路，發射采樣信號發生電路和反射信號調制電路三部分組成。在本課題所設計的導波雷達液位計中，發射信號由發射及采樣信號產生電路直接對頻率為460KHz的PWMO信號進行調制得來，其頻率也為460KHz，由此易知，反射信號的頻率也為460KHz。為了完成對測量周期內的反射信號的等效采樣，采樣信號的周期應該略大于反射信號，即若反射信號的周期為T，則采樣信號的周期應為T+OT。因此，若假設第1個采樣信號與第1個反射信號同相位，則第二個采樣信號比第二個反射信號延遲T，第3個采樣信號比第3個反射信號延遲24T,以此類推，第n個采樣信號將比第n個發射信號延遲n4T，直至測量周期結束，隨著兩信號相位差的逐漸擴大，完成對反射信號的掃描，實現反射信號的等效擴展。為了得到這個延遲采樣信號的步進，產生鋸齒波信號的緩慢上升，負尖峰脈沖信號與頻率和相位疊加是同一個發射信號，然后通過NAND門合成信號，當振幅低于閾值電壓，門與NAND門的輸出端，從低電平變為高電平，可以得到一個階躍延遲信號，原理如圖5所示。當步長延遲信號被調制時，可以獲得采樣信號。
4同軸電纜與同軸導波桿的選型
在文中，導波雷達液位計的設計，包括同軸電纜的機械部分和同軸導波探頭，用作液位傳感器使用。同軸電纜用于連接導波電路和同軸波雷達液位計波導桿，通過調節同軸電纜的長度，可以安裝在液位計上遠離水箱，方便工作人員液位監測;同軸導桿安裝在波浪頂部的液體槽中，插入待測液體中，末端到槽底，用于測量液面高度。因為導波雷達液位計的發射信號功率比較小，所以為了保證發射信號與反射信號的衰減最小，選取了特性阻抗為75Ω的同軸電纜，并將同軸導波桿的外殼內徑D與內導體外徑d之比設計為3.6。為同軸電纜的結構示同軸電纜內導體的中心，外絕緣層被一定厚度包圍，在金屬屏蔽層外，材料和形狀為銅或鋁網膜，外層為塑料護套，用于保護同軸電纜。同軸波導由316L奧氏體鋼制成，具有耐高溫和耐腐蝕特性，可在惡劣的環境下工作。空氣用作同軸波導桿的內導體和外導體之間的絕緣介質。當液體插入待測量的液體中時，液體將侵入導桿的內導體和外導體。發射脈沖在同軸導線內部和外導體桿之間以電磁波的傳播形式進行，當遇到空氣和液體界面時，同軸導波桿的特征阻抗發生變化，導致反射信號。
4.1導波雷達液位計的測試環境
為了對導波雷達液位計的實際工作特性進行測試，搭建了一套液位測試試驗平臺來模擬測試現場的實際情況。該實驗平臺由長度為1.2m、直徑為120mm的玻璃管、標尺、注水管、放水管組成，其示意圖如圖8所示。因為玻璃管是透明的，可以在實驗過程中實時觀察液面的位置，這可以反映導波雷達液位計的精度和靈敏度。在測量過程中，將玻璃管中充滿水，然后打開排水管，調整排水速度，然后測量液位計的電流值，液位讀數和導波雷達液位計顯示比較。
4.2導波雷達液位計的試驗結論
導波雷達液位計的實驗分為兩部分，即波形測試和數據測試。通過波形測試，證明導波雷達液位計反射波形與發生時間的極性和理論結果相同，說明使用的測量原理是可行可靠的。為了證明測量的準確性，對導波雷達液位計進行了大量的數據實驗。在本文中，列出了兩組實驗的結果。通過對數據測試結果的分析，得出以下結論：1)導波雷達液位計的絕對誤差范圍在3mm以內。2)導波雷達液位計的測量重復性小于3mm。3)導波雷達液位計的線性度很好。由于測試條件有限，本文只討論當測量范圍低于lm時的測量結果。本文設計的導波雷達液位計的理論射程可達到3M，測量范圍在LM以上，未來將進一步研究和測試。
5結束語
液位測量在石油和化工行業中起著不可或缺的作用。罐中液體的液位可以通過液位計實時測量，并且可以實時掌握當前液位值。雷達液位計不受介質的粘度，密度和蒸汽的影響，具有高精度。因此，被廣泛應用于工業領域。
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關鍵詞: SAR; 欺騙式干擾; 性能評估; 目標識別; 模糊綜合評判
中圖分類號:TN95 文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)11-0014-04
New Method for Evaluation of SAR Deception Jamming
ZENG Yue, XU Shao-kun
(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: Performance evaluation of radar deception jamming is important in the field of electronic countermeasures. The existed evaluation methods are mostly based on certain single recognition feature, and corresponding evaluation results are unilateral. A new evaluation method for SAR deception jamming based on target recognition and fuzzy synthetical evaluation is proposed for the disadvantages. The similarity of false target image is evaluated by using fuzzy synthetical evaluation method in light of the features used by automatic target recognition system, and the synthetical evaluation result is modified by thinking over the influence of processing time to jamming performance.
Keywords: SAR; deception jamming; performance evaluation; target recognition; fuzzy synthetical evaluation
0 引 言
合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)[1]是一種利用微波進行感知的主動式相干成像雷達,由于具有全天時、全天候的工作能力,且具有一定的穿透特性,因此已經成為空間感知的重要手段,在戰場偵察監視、打擊效果評估等方面發揮著極其重要的作用。對SAR的干擾技術已成為電子對抗領域的重要課題。目前,對SAR的干擾措施主要分為壓制式干擾和欺騙式干擾,欺騙式干擾由于其靈活性和較小的工作功率受到了越來越多的關注。
干擾效果評估是對干擾技術性能的一個綜合性評價,已成為雷達對抗領域中的重要課題。由于技術保密等原因,國外可參考的SAR對抗方面的文獻少之又少,有關SAR干擾性能評估的文獻更是難以找到。壓制式干擾是通過降低SAR對目標成像質量來阻止敵方獲取被保護目標的正確信息,干擾后SAR圖像質量越差,干擾效果越好。針對壓制式干擾技術,國內學者從圖像質量的角度,先后提出了壓制系數準則、信息準則、功率準則、EMJ準則、熵譜準則、戰術運用準則、模糊綜合評判準則[2]等,并且研制出了以EMJ準則為基礎的壓制式噪聲干擾度量設備。但由于干擾方式不同,這些度量準則都不適合用于通過產生虛假目標對進行SAR欺騙干擾的效果評估。
欺騙干擾是通過在SAR圖像中產生逼真的虛假目標來阻止敵方獲取被保護區域的正確信息,擾亂敵方判決系統。產生的虛假目標圖像與所希望模擬的實際目標圖像越相似,干擾效果越好。因此,可以采用干擾后產生的虛假目標SAR圖像與實際目標圖像之間的相似性度量作為準則,評估SAR欺騙式干擾的性能。文獻[3]提出了一種基于目標幾何尺寸的評估方法,文獻[4]提出了一種基于圖像區域紋理的評估方法。兩種方法都可以在一定條件下實現對SAR的欺騙式干擾性能評估,但都存在以下缺陷:
(1) 只考慮了圖像中目標的一種特征,而敵方目標識別系統究竟采用哪種或哪幾種特征進行識別并不確定。例如,文獻[5]報道了利用目標圖像在方向上的連續性來識別基于數字圖像合成技術生成的虛假目標。
(2) 在進行干擾性能評估時,沒有考慮識別系統辨別目標真偽所消耗的時間。實際上,系統能否及時辨別圖像中目標的真偽,對情報的獲取至關重要,有時,只要能延緩敵方情報系統根據SAR圖像獲取有用信息,也是一種成功的干擾。針對上述問題,本文通過分析SAR系統識別目標時可能用到的潛在識別特征,結合模糊綜合評判的方法,提出了一種新的SAR欺騙式干擾性能評估方法。該方法根據美軍典型的SAR自動目標識別(Automatic Target Recognition,ATR)系統的工作方法,綜合考慮了SAR圖像解譯時可能用到的多種特征以及系統識別目標真偽的處理時間,是一種綜合性的性能評估方法。
1 SAR目標識別方法簡介
1.1 SAR圖像特點
SAR觀測所得的原始數據是把平臺發射的寬幅脈沖到達地表后的后向散射特性按時間序列記錄下來的數據,經距離向和方位向的數據壓縮等一系列處理后,可得到重建的SAR圖像。與光學圖像不同,目標的ISAR圖像具有易變性,尤其是隨著目標方位角的變化有著不同的表像;同時,SAR圖像本身也是高維矢量。一般來說,SAR圖像具有以下特點:
(1) 目標邊緣模糊。由于雷達波的反射不均勻,圖像分辨率較低,雖然合成孔徑雷達相對于其他雷達分辨率較高,但SAR圖像中的目標與其他地面物體比較,分辨率仍然不高,給識別帶來了一定的難度。有的目標在SAR圖像僅為幾個像素寬,更加難以識別。
(2) 圖像對地面物體的敏感度不高。一般的光學圖像層次感強,而SAR圖像對地物回波的強弱不敏感,層次感較差。
(3) SAR圖像中的目標物成像結果呈離散形式,邊緣一般不連續,給目標的邊緣特征提取帶來了一些困難。
(4) SAR圖像背景斑點噪聲和雜波干擾較多,是由于自然背景目標散射系數較小,散射表現為各向同性,均勻散射的結果。
(5) 人造目標反射為較強的電磁信號回波,其散射系數較強,在圖像上表現為高亮度值;自然目標的回波較弱,基本被吸收,在圖像上表現為低灰度值。
1.2 基于SAR圖像的目標識別特征
SAR欺騙式干擾性能評估主要是度量真假目標在圖像中的相似性,進而識別目標的真偽。目前,對SAR圖像中目標信息的提取都是基于ATR系統進行的,為了適應戰場偵察圖像數據的急劇增加,加快情報生成速度,世界各國先后提出了一系列針對SAR ATR的智能處理研究計劃與系統,其中以美國發展最為典型和先進。據報道,在美軍的SAR ATR系統中主要存在兩種基本的技術方法:基于模板匹配的方法和基于模型的方法[6]。這兩種方法都存在一個相同的基本流程,即圖像分割特征提取分類識別。其中,SAR圖像分割獲取目標區域是實現SAR ATR的基礎,特征提取是目標識別的關鍵環節,特征選取的優劣將直接影響分類識別的性能。因此,需要通過有效的特征提取技術從ISAR圖像中獲得對目標穩健、緊湊的描述,從而提高目標識別的效率和性能。為此,這里先簡要介紹SAR圖像特點和SAR ATR系統用于目標識別的潛在特征,這些特征可以用于辨別ISAR圖像中目標的真偽。鑒于SAR圖像的特點,研究人員已從中提取和分析了大量的特征用于目標鑒別和識別。主要特征有:
紋理特征 紋理特征主要包括標準差(Standard Deviation)、分形維(Fractal Dimension)和權秩填充比(Weighted-Rank Fill Ratio),這些特征已用于MIT的SAR ATR系統中目標與雜波的鑒別。
尺寸與幾何特征 尺寸與幾何特征主要是提取目標區域的質量(Mass)、長寬比(Length-Width Ratio)和散度(Disperse)特征。
對比度特征 對比度特征是基于雙參數CFAR檢測的特征,主要是提取最大CFAR、平均CFAR和百分比亮度CFAR特征。
距離特征 距離特征主要是從目標區域二值圖像中提取三種距離特征,即最小距離特征、最大距離特征和平均距離特征。
矩特征 矩特征作為二維圖像特征在圖像識別中得到了廣泛的應用。Hu不變矩具有平移、尺度和旋轉不變性,SAR ATR中可采用7個Hu不變矩的前兩階。
欺騙式干擾的有效性主要取決于欺騙假目標模擬的逼真程度,假目標越逼真,ATR系統就越難以將其從真實目標中識別出來,欺騙式干擾效果也就越好。在進行SAR欺騙式干擾效果評估時,可分別對比真假目標在SAR圖像中的上述特征,但由SAR圖像特點和SAR ATR過程可知,僅靠單一的特征對SAR圖像進行解譯非常困難。在對SAR圖像進行分割,特征提取以及分類識別時,勢必會用到上述介紹的多種SAR圖像特征。因此在評估欺騙式干擾效果時,必須綜合考慮虛假目標和實際目標在SAR圖像中各特征的相似度。下面進一步介紹利用模糊綜合評判的方法對SAR欺騙式干擾進行性能評估的方法。
2 基于模糊綜合評判的SAR欺騙式干擾性能評估
2.1 模糊綜合評判方法[7]
模糊綜合評判是在復雜的環境中,考慮了多種因素的影響,而為了某種目的對某事物或者系統、對象做出綜合評價的方法。模糊變換、模糊綜合評判方法和模糊關系方程在綜合評判、模糊判決、天氣預報、工農業生產中發揮了重要作用。
模糊綜合評判包括3個基本要素:因素集、評語集、權重集。同時,還有一個必要的條件就是由各個單因素評判矩陣形成的模糊矩陣。
設U=(u1,u2,…,un)為n種元素構成的集合,它包含了模糊綜合評判中需要考慮的各種因素,稱為因素集,它是問題的論域。一般論域U上的全體模糊子集組成的集合記為F(U)。依據不同的背景,評估系統對各種因素的側重程度有一定的差異。換言之,各種因素對系統的重要程度是不一致的。因此,采用權重集A=(a1,a2,…,an)為n種因素分配權重,一般地,它們滿足歸一化要求:∑ni=1ai=1。設V=(v1,v2,…,vm)是m種評語構成的集合,稱為評語集。記最后的評判結果為B=(b1,b2,…,bm),bi,i=1~m反映了該系統對第i種評語vi的隸屬度。
假設各種因素組成的單因素評判矩陣是R=(rij)m×n,0≤rij≤1,則模糊綜合評判可以表示為:
A•R=B(1)
實際上,A是U上的模糊集;B是V上的模糊集。
在一些文獻中,選取bi(i=1~m)中最大者,假設為bj,認為該系統最終評價就是與bj對應的評語vj,本文不采用這種做法,而是認為B中的元素并非是絕對屬于或者不屬于m種評語的哪一種,只是表明對每一個評語的隸屬程度如何,不過隸屬程度存在差異,這是模糊理論的關鍵所在。
2.2 SAR欺騙式干擾性能評估方法
度量SAR圖像中真假目標的相似性主要是比較它們各圖像特征是否相似。而目標的特征量又與SAR成像的參數密切相關,由SAR圖像的特點以及各ATR系統用于識別的特征可知,即使是完全相同的目標,如果成像視角不同,目標圖像特征量也存在很大的區別,所以采用相似性來描述兩目標特征量的相近程度更為合理。
由于SAR工作在復雜的電磁環境中,欺騙式干擾信號不可能完全模擬真實場景的電磁散射機理,因此虛假目標的SAR圖像不可能與真實目標完全一樣。真假目標的某些特征或許可以完全相同,但不可能所有的特征都相同。隨著計算機信息處理速度的不斷提高,ATR系統可能采取多種特征對目標進行融合識別。在不了解敵方SAR ATR系統究竟采用哪些特征進行目標識別時,不妨盡量考慮多種特征,衡量真假目標的相似性,從而評估欺騙式干擾性能。下面介紹利用模糊綜合評判方法對SAR欺騙式干擾進行效果評估的方法。
2.2.1 確定因素集
在使用模糊數學知識建立評估模型時,綜合評判中因素集元素主要是依據人們對系統所關注的熱點來選擇的,從重點關心的問題出發,結合評估指標構成因素集。在進行欺騙式干擾評估過程中,應以SAR ATR系統中用以分類識別真假目標的特征相似性作為因素集中的元素。不妨設為{紋理相似性、尺寸與幾何相似性、對比度相似性、距離相似性、矩相似性},記之為U={u1,u2,…,u5}。
2.2.2 選擇評語集
評語為根據因素集中的元素給出的評判結果,選擇的評語集為{優、良、中、差、失敗},記之為V=(v1,v2,…,v5)。評語集包含更多或更少元素時可參照本模型建模。
2.2.3 因素集元素權重分配
選擇權重集為A={a1,a2,…,a5},且∑5i=1ai=1。值得注意的是,在利用模糊綜合評判時,權重集的選取與應用背景有關,一般而言,它不是恒定的。
2.2.4 為每個評語選擇對應的因素變化區間
按照表1為每個評語選擇對應因素的變化區間,表中變量為一系列預先設定的界限值,界限值的大小與評估要求相關。表1中各因素都是特征相似性的度量,取值在區間[0,1]上,變化區間的值越大,相似性越好,評判結果越好。
表1 每個評語對應的因素變化區間
因素評 語
優良中差失敗
u1[p11,1][p12,p11)[p13,p12)[p14,p13)[0,p14)
u2[p21,1][p22,p21)[p23,p22)[p24,p23)[0,p24)
u3[p31,1][p32,p31)[p33,p32)[p34,p33)[0,p34)
u4[p41,1][p42,p41)[p43,p42)[p44,p43)[0,p44)
u5[p51,1][p52,p51)[p53,p52)[p54,p53)[0,p54)
2.2.5 求得單因素評判矩陣
計算單因素評判矩陣主要是計算基于某一因素得到各種評語的隸屬度。設某ATR系統對SAR圖像中的某一虛假目標進行了k組識別實驗,每組獲得因素集上所有評估指標的一個值。設在對u1識別時,相似性落在[p11,1],[p12,p11),[p13,p12),[p14,p13),[0,p14)區間上的實驗分別有k11,k12,k13,k14,k15組,則該系統對虛假目標在u1(與真實目標紋理特征相似性)這一因素上單因素評判結果為:
[k11/k,k12/k,k13/k,k14/k,k15/k]=1k[k11,k12,k13,k14,k15](2)
類似地,得出單因素評判矩陣為:
R=1kk11k12k13k14k15
k21k22k23k24k25
k51k52k53k54k55(3)
記rij=kij/k,i=1~5;j=1~5,令R=(rij),R就是這里的單因素評判矩陣。
2.2.6 得出模糊綜合評判結果
根據式(1),模糊綜合評判結果按照式(4)計算:
B=(b1 b2 b3 b4 b5)=A•R
=(ai)1×5•[rij]5×5(4)
2.2.7 修正評判結果
式(4)計算的綜合評判結果只是根據各個識別特征對干擾性能(虛假目標逼真度)的評價,并沒有考慮識別時間對干擾性能的影響。從情報獲取的角度來看,識別時間非常重要。為了使評判結果更為合理,需對式(4)的計算結果做出修改。根據實際情況分析,在進行干擾性能評估時,時間對干擾性能的影響與能否獲取正確情報有關。具體來說,如果最終辨識假目標為真,即真假目標的相似度較高時,識別時間越短,越容易形成欺騙,干擾性能越好;如果系統最終辨識目標為假目標,即真假目標的相似度較低時,識別時間越長,越能延緩敵方決策系統進行決策,干擾效果越好。
假設ATR系統設置的處理時間為T0,識別SAR圖像中目標真偽所需要的時間為t。當t>T0,則放棄識別,此時認為干擾性能為“中”(b3=1);當t
B′=B•H=(b1 b2 b3 b4 b5)•
1-α0α0001-αα000010000α1-α000α01-α(5)
由式(5)得出的評判結果是考慮了SAR ATR系統中各識別特征和處理時間的綜合評判結果。其中,矩陣H可根據實際情況設定。
舉例說明上述方法。假設系統分配權重A={0.2,0.4,0.1,0.2,0.1},評估系統通過實驗測得評判矩陣為:
R=0.10.30.20.30.10.80.10.1000.30.20.20.20.10.30.40.10.10.1000.20.20.6
從R可以看出,如果單獨地采用因素集中第2個因素(尺寸與幾何相似性)或第5個因素(矩相似性)進行性能評估,其結果是截然不同的。采用本文介紹的方法,得出的評估結果如表2所示。從表中可以看出,時間因子對綜合評判結果影響頗大,當處理時間逐步增大時,評估結果將趨向于評語b3(干擾性能為“中”)。
表2 考慮時間影響的模糊綜合評判結果
時間因子α評判結果
優良中差失敗
0(不考慮時間影響)0.430 00.200 00.140 00.120 00.110 0
0.20.344 00.160 00.312 00.096 00.088 0
0.40.258 00.120 00.484 00.072 00.066 0
0.60.172 00.080 00.656 00.048 00.044 0
0.80.086 00.040 00.828 00.024 00.022 0
100100
3 結 語
定量描述欺騙假目標的逼真程度,科學合理地評估欺騙式干擾效果,找出影響制約欺騙式干擾效果的因素,對欺騙式干擾技術的改進和設備的研制都有著十分重要的意義。根據敵方SAR ATR系統中目標識別特征的不確定性,提出了一種基于目標識別和模糊綜合評判的SAR欺騙式干擾性能評估方法。首先,綜合考慮各種可能的識別特征,利用模糊綜合評判的方法對虛假目標的逼真度進行綜合評判;然后考慮系統處理時間對干擾性能的影響,利用傳統的數學方法對綜合評判結果進行修正,得到對干擾性能的合理評估。該方法也可用于ISAR欺騙式干擾性能評估技術,具有一定的理論與應用價值。
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