船只交通管治體系雷達(dá)信息收集的策劃

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作者：耿樹(shù)巧翟剛毅單位：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所

硬件設(shè)計(jì)主要包括FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)、A/D變換器設(shè)計(jì)、時(shí)鐘分配設(shè)計(jì)等等。內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)。在整個(gè)雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA部分所負(fù)責(zé)的工作是對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其需要完成如下的工作:(1)控制AD芯片工作;(2)完成格式的轉(zhuǎn)換，將視頻信號(hào)由負(fù)極性轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性;(3)將AD芯片采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)理解調(diào)，正確調(diào)理出雷達(dá)視頻信號(hào)、方位和觸發(fā)信號(hào)，并將其按合適的格式存儲(chǔ);(4)控制光模塊和PCI-Express模塊工作，將視頻信號(hào)與相對(duì)應(yīng)的方位信號(hào)組合，及時(shí)將組合后的信號(hào)送給光模塊和PCI-Express模塊中。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用差分運(yùn)算放大器AD8138來(lái)對(duì)ADC輸入的混合視頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。差分輸出運(yùn)算放大器AD8138可用于ADC的輸入驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)ADC在直流耦合中的應(yīng)用，其在輸入信號(hào)頻率達(dá)到30MHz時(shí)仍能保持高性能的SNR。同時(shí)，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號(hào)單端到差分變換，為ADC應(yīng)用提供了一種低成本的選擇。在本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，AD8138的輸入端接一個(gè)50Ω的電阻實(shí)現(xiàn)與收發(fā)機(jī)輸出的匹配。由于收發(fā)機(jī)送出的方位起始信號(hào)、方位信號(hào)和視頻信號(hào)均為負(fù)值，所以將該混合雷達(dá)視頻信號(hào)接AD8138的負(fù)輸入端，這樣實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)極性的翻轉(zhuǎn)，從而方便后續(xù)作進(jìn)一步處理。A/D變換器設(shè)計(jì)。對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集是雷達(dá)信號(hào)數(shù)字化處理的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于常規(guī)脈沖雷達(dá)來(lái)說(shuō)，假設(shè)它的發(fā)射脈沖寬度為τ，則在雷達(dá)接收機(jī)中中頻放大器的帶寬應(yīng)為τ－1。由采樣定理可以確定，為了不引起失真，采樣頻率fs應(yīng)滿足fs＞2τ－1。通過(guò)對(duì)某雷達(dá)的資料可知雷達(dá)的脈沖寬度為60(短脈沖)、250(中脈沖)、800ns(長(zhǎng)脈沖)(可調(diào))，帶寬為短脈沖(16～20MHz)、中脈沖(4～5MHz)、長(zhǎng)脈沖(1．5～2．0MHz)。由采樣定理可知，選用A/D器件的采樣頻率應(yīng)該至少大于兩倍的信號(hào)帶寬，實(shí)際中采樣頻率最好為信號(hào)帶寬的3～4倍。因此，選擇采樣頻率為80MHz、精度為12bits的AD9432芯片用于對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。解復(fù)用模塊的設(shè)計(jì)。雷達(dá)輸入混合信號(hào)的方位起始信號(hào)為－4V脈寬5μs的脈沖，串行方位信號(hào)為－2V脈寬5μs的脈沖串，主觸發(fā)信號(hào)為+3V脈寬2μs的脈沖，模擬視頻為0～－2V的模擬信號(hào)，輸入信號(hào)共兩路，為兩個(gè)雷達(dá)收發(fā)機(jī)的輸出。雷達(dá)輸入的混合信號(hào)如圖2所示。在A/D設(shè)計(jì)中，將輸入的混合信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為正信號(hào)，將雷達(dá)視頻量化值大于4000的判定為方位起始信號(hào)，量化值在1500～3500的判定為串行方位信號(hào)。其中，串行方位信號(hào)共16位，即量化值大于2500的判定為‘1’，小于2500的判定為‘0’，量化值小于1000的判定為主觸發(fā)信號(hào)，主觸發(fā)信號(hào)后的信號(hào)為雷達(dá)視頻信號(hào)。這樣就通過(guò)編程調(diào)理解調(diào)出雷達(dá)視頻信號(hào)、方位和觸發(fā)信號(hào)。光纖模塊的設(shè)計(jì)。將解復(fù)用后的數(shù)字雷達(dá)視頻信號(hào)與相對(duì)應(yīng)的方位信號(hào)通過(guò)高速數(shù)據(jù)收發(fā)RocketI/O模塊實(shí)時(shí)傳輸給光模塊。在調(diào)試過(guò)程中，利用光模塊的收發(fā)功能實(shí)現(xiàn)與采集器互連:將A/D變換后的混合雷達(dá)視頻通過(guò)光模塊送入采集器中，利用采集器的回放功能將打包后混合雷達(dá)數(shù)字視頻通過(guò)光模塊送給FPGA模塊;FPGA通過(guò)解包和處理，將該視頻信號(hào)與相對(duì)應(yīng)的方位信號(hào)通過(guò)PCI-Express總線送給CPU進(jìn)一步信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的回放功能。PCI-Express模塊的設(shè)計(jì)。將解復(fù)用后的雷達(dá)視頻信號(hào)與相對(duì)應(yīng)的方位信號(hào)通過(guò)PCI-Express總線傳輸?shù)紺PU模塊的內(nèi)存中，在CPU中作后續(xù)的實(shí)時(shí)雷達(dá)信號(hào)處理。PCI-Express在傳輸信息時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)80MHz12bits采集時(shí)，可以做到雷達(dá)視頻的實(shí)時(shí)傳輸;(2)滿足傳輸VTS信息的數(shù)據(jù)容量和帶寬的要求。

利用Matlab2008對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，其方位碼如圖3所示，視頻如圖4所示。其中，采樣頻率為80MHz，幅度量化為12bits，方位量化采用13bits量化，距離范圍為30nmile，滿足船舶交通管理系統(tǒng)信息采集的要求。本文分析了船舶交通管理系統(tǒng)信息采集的設(shè)計(jì)方法，并采用Matlab對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析。實(shí)際的使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、視頻采集的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，大大提高了港口管理的智能化程度。