一種數(shù)字跟蹤測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    雷達(dá)最主要的功能之一就是對(duì)目標(biāo)距離的跟蹤和測(cè)量。在此首先闡述了雷達(dá)測(cè)距跟蹤的基本原理，介紹一種脈沖雷達(dá)數(shù)字跟蹤測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)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(hào)相對(duì)于發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間量進(jìn)行目標(biāo)距離的測(cè)量，針對(duì)跟蹤脈沖的特點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)回波延遲時(shí)間計(jì)數(shù)值和跟蹤脈沖計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，利用數(shù)字信號(hào)處理的方法把比較的結(jié)果反饋到跟蹤控制器，實(shí)現(xiàn)了脈沖雷達(dá)的距離跟蹤，具有測(cè)距精度高、測(cè)距穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)及電路簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。該模塊能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行手動(dòng)跟蹤測(cè)距和自動(dòng)跟蹤測(cè)距。

1 該模塊的理論設(shè)計(jì)
    一般雷達(dá)數(shù)字跟蹤是通過(guò)時(shí)間鑒別器鑒別出回波信號(hào)與跟蹤脈沖之間的遲延時(shí)間差，然后利用時(shí)鐘脈沖對(duì)這個(gè)時(shí)間差進(jìn)行計(jì)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(shí)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(duì)跟蹤脈沖計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，而計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)的起始時(shí)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(shí)間鑒別器中回波信號(hào)與跟蹤脈沖之間的時(shí)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖(也存在誤差)，使距離計(jì)數(shù)器做加或減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)跟蹤脈沖進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的時(shí)間測(cè)量，也不必對(duì)回波信號(hào)和跟蹤脈沖間的時(shí)間差進(jìn)行比較，簡(jiǎn)化了電路構(gòu)成、減少了系統(tǒng)誤差。在雷達(dá)全程探測(cè)完畢時(shí)，由計(jì)數(shù)停止脈沖將控制距離計(jì)數(shù)器和鎖存器清零。計(jì)數(shù)停止脈沖可以由下一個(gè)發(fā)射脈沖的前沿產(chǎn)生，也可由火控計(jì)算機(jī)提供。圖2是利用以上理論而設(shè)計(jì)的該跟蹤測(cè)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(shí)現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的自動(dòng)跟蹤。把目標(biāo)的時(shí)延變成數(shù)字量，最基本的辦法就是利用計(jì)數(shù)器，并加以適當(dāng)?shù)目刂?。?dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)，就觸發(fā)T觸發(fā)器，這樣同時(shí)啟動(dòng)了計(jì)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，這樣就在回波到達(dá)的時(shí)刻讀出計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，即得到目標(biāo)距離數(shù)據(jù)，通過(guò)與手動(dòng)測(cè)距計(jì)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(dòng)與自動(dòng)跟蹤測(cè)距的轉(zhuǎn)換是通過(guò)一個(gè)與門(mén)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(shí)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(lái)區(qū)分整個(gè)跟蹤測(cè)距模塊，但意義有所不同)。該模塊的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于理解且通用性比較強(qiáng)。不僅可以用在雷達(dá)整個(gè)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(cè)距訓(xùn)練器上。

2 手／自動(dòng)距離跟蹤測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)
    該數(shù)字式距離跟蹤模塊由時(shí)間鑒別器、距離產(chǎn)生器和跟蹤脈沖產(chǎn)生器組成。
2．1 時(shí)間鑒別器的設(shè)計(jì)
    在該模塊中時(shí)間鑒別器(距離比較器)由上、下鎖存器及帶有符號(hào)位的減法電路組成。上鎖存器輸出目標(biāo)回波的實(shí)際距離脈沖計(jì)數(shù)值；下鎖存器輸出跟蹤脈沖的距離計(jì)數(shù)值；兩距離計(jì)數(shù)值同時(shí)送至帶有符號(hào)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(jì)
    跟蹤脈沖產(chǎn)生器由手動(dòng)脈沖輸出器、加／減計(jì)數(shù)單元以及寄存器組成，所以嚴(yán)格來(lái)講應(yīng)該是手動(dòng)跟蹤脈沖產(chǎn)生器，它對(duì)手動(dòng)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(jì)數(shù)單元由4片74LS191(單時(shí)鐘4位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器)構(gòu)成的串行可逆計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向和計(jì)數(shù)方式受工作方式控制電路控制，手動(dòng)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(dòng)時(shí)，脈沖1作為可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖，脈沖2通過(guò)JK觸發(fā)器74HC107變成控制計(jì)數(shù)器進(jìn)行加／減計(jì)數(shù)的控制脈沖，兩組手動(dòng)脈沖通過(guò)加／減計(jì)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(shí)就可轉(zhuǎn)入對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和測(cè)距(當(dāng)然這時(shí)也可以不進(jìn)行自動(dòng)跟蹤測(cè)距)，當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)時(shí)加／減計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)就不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)跟蹤和測(cè)距，控制器在原來(lái)加／減計(jì)數(shù)器已經(jīng)輸出的數(shù)值的基礎(chǔ)上根據(jù)送來(lái)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(dòng)跟蹤時(shí)，選擇輸出加／減計(jì)數(shù)單元的數(shù)據(jù)；而當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤時(shí)，選擇輸出控制器輸出的數(shù)據(jù)，等待和時(shí)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(jì)
    距離產(chǎn)生器(即控制器)有兩個(gè)輸入端，分別輸入跟蹤脈沖產(chǎn)生器的送來(lái)的數(shù)值和距離誤差寄存器送來(lái)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(lái)的一定范圍內(nèi)距離誤差值對(duì)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(dòng)跟蹤還是自動(dòng)跟蹤以及對(duì)目標(biāo)距離的測(cè)量。例如：當(dāng)距離誤差值小于750 m時(shí)就觸發(fā)誤差寄存器輸出為距離誤差值，即進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和測(cè)距處理；當(dāng)距離誤差值大于750 m時(shí)就觸發(fā)誤差寄存器輸出為0，從而只能進(jìn)行手動(dòng)跟蹤和測(cè)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(shí)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(cè)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(dòng)跟蹤時(shí)的距離誤差數(shù)據(jù)，送給加／減法單元，其還能夠決定手動(dòng)跟蹤還是自動(dòng)跟蹤，當(dāng)各片74LS174的清零端置0時(shí)，距離誤差寄存器輸出為0，整個(gè)模塊進(jìn)入手動(dòng)跟蹤測(cè)距狀態(tài)；當(dāng)清零端置1時(shí)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤測(cè)距狀態(tài)，距離誤差寄存器輸出距離誤差值。

3 結(jié) 語(yǔ)
    這里對(duì)雷達(dá)跟蹤測(cè)距模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，提出了雙路距離計(jì)數(shù)再進(jìn)行距離比較的辦法(而不是對(duì)跟蹤脈沖和目標(biāo)回波時(shí)間差進(jìn)行距離比較的方法)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)距，該設(shè)計(jì)方法不是根據(jù)回波超前或滯后跟蹤波門(mén)來(lái)判定時(shí)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(mén)重合面積的比較來(lái)輸出距離誤差的，是一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，在節(jié)省費(fèi)用、簡(jiǎn)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。