一種雷達(dá)通用檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

豐少偉 楊云生 張 晶 金牡丹

（海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的不斷變化，雷達(dá)作為現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中非常重要的預(yù)警探測(cè)裝備，技術(shù)日趨成熟，功能日益強(qiáng)大，作用更加明顯［1］。為保持雷達(dá)裝備戰(zhàn)技術(shù)性能，有效發(fā)揮其作戰(zhàn)效能，確保雷達(dá)的測(cè)試性、維修性和保障性，雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)及技術(shù)就顯得尤為重要［2］。

某新引進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備量大，故障率高，同步未配備專用雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備，相關(guān)原始設(shè)計(jì)資料和技術(shù)參數(shù)缺乏；而系統(tǒng)自帶的自檢程序，只能對(duì)通道進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，無法對(duì)信號(hào)幅值特征等進(jìn)行定量、定性檢測(cè)描述，更不能作為故障分析的科學(xué)判據(jù)［3］。雷達(dá)系統(tǒng)性能檢測(cè)通常利用波導(dǎo)耦合引出信號(hào)進(jìn)行，檢測(cè)手段不完善、波導(dǎo)耦合方法不方便、需拆卸波導(dǎo)［4］。而通過外置信號(hào)發(fā)生器、示波器、頻譜儀等人工實(shí)施，程序復(fù)雜、不安全因素多、檢測(cè)周期長(zhǎng)、通用化程度低、系統(tǒng)保障效率不高［5］。

因此，本文在考慮某新引進(jìn)雷達(dá)接收機(jī)前端饋線部分保障和檢測(cè)需求的基礎(chǔ)上，提出一種雷達(dá)通用檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過收發(fā)雷達(dá)需求的電磁波信號(hào)，檢查雷達(dá)接收和發(fā)射通道工作情況，為雷達(dá)接、收發(fā)機(jī)系統(tǒng)故障排查定位提供技術(shù)判據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)可適用于L、S、C、X、Ku、K、Ka等不同波段，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備的通用化。

2 系統(tǒng)組成及總體方案

2.1 系統(tǒng)組成

雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)主要由天線、衰減器、接收前端部件、檢波器、頻率源、信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、顯示器等構(gòu)成。

2.2 總體方案

雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)在功能上包括兩個(gè)方面：一是對(duì)雷達(dá)發(fā)射支路的檢測(cè)，二是對(duì)雷達(dá)接收支路的檢測(cè)。進(jìn)行雷達(dá)發(fā)射支路通道檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)充當(dāng)接收機(jī)的角色；而進(jìn)行雷達(dá)接收支路通道檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)充當(dāng)發(fā)射機(jī)的角色。

2.2.1 對(duì)雷達(dá)發(fā)射支路的檢測(cè)

當(dāng)檢測(cè)雷達(dá)發(fā)射支路通道時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)充當(dāng)接收機(jī)，主要測(cè)量雷達(dá)的發(fā)射頻率、重復(fù)周期、功率、發(fā)射脈沖包絡(luò)、頻譜、天線方向圖等，具體檢測(cè)方案為測(cè)量雷達(dá)發(fā)射頻率時(shí)，實(shí)施方案如圖1所示；測(cè)量雷達(dá)重復(fù)周期和功率時(shí)，實(shí)施方案如圖2所示。

圖2 被測(cè)雷達(dá)功率、重復(fù)周期測(cè)量

當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)通過天線接收到被測(cè)雷達(dá)向外發(fā)射的電磁波后，接收信號(hào)在檢測(cè)系統(tǒng)中主要有兩個(gè)流向：一是輸入到檢測(cè)系統(tǒng)接收前端，在基準(zhǔn)頻率源的參與下，通過混頻輸出中頻信號(hào)；二是通過衰減器后輸入到檢波器中，檢波器輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元，在顯示器上進(jìn)行顯示［6］。信號(hào)采集單元由雙通道AD變換器組成，采集中頻信號(hào)與脈沖信號(hào)；信號(hào)處理單元將AD變換器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換或?yàn)V波處理，并轉(zhuǎn)換為VGA信號(hào)輸入到顯示器中，顯示信號(hào)的頻譜與波形［7］。

當(dāng)采集到中頻信號(hào)并顯示出頻譜后，可通過頻譜推算雷達(dá)對(duì)外發(fā)射的電磁波信號(hào)頻率，其滿足：

其中，F(xiàn)0表示雷達(dá)對(duì)外發(fā)射的電磁波信號(hào)的頻率，F(xiàn)D為頻譜圖的頻率，F(xiàn)L0為基準(zhǔn)頻率源的頻率。

雷達(dá)發(fā)射功率可通過檢波器輸出的脈沖幅度計(jì)算得到［8］，輸入功率Pi與雷達(dá)發(fā)射功率P滿足：

其中，G1為檢測(cè)設(shè)備接收天線增益，且G1=15dB；G2為雷達(dá)發(fā)射天線增益，且G2=38dB；η為檢測(cè)設(shè)備損耗，且η=4dB；L為自由空間電磁波衰減量，可通過下式計(jì)算得出

其中，F(xiàn)為信號(hào)的頻率，單位為MHz；D為發(fā)射與接收系統(tǒng)的距離，單位為km。

由式（1）、（2）、（3）就可算出被測(cè)雷達(dá)的發(fā)射頻率和功率。

2.2.2 對(duì)雷達(dá)接收支路的檢測(cè)

當(dāng)對(duì)雷達(dá)接收支路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要檢測(cè)接收支路是否能正常工作，得到的中頻信號(hào)是否正常，此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)充當(dāng)發(fā)射機(jī)的角色，其檢測(cè)方案如圖3所示。檢測(cè)系統(tǒng)頻率源輸出的信號(hào)通過同軸轉(zhuǎn)換器輸入到天線，天線向被測(cè)雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)。被測(cè)雷達(dá)接收到檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射的電磁波信號(hào)后，在接收支路進(jìn)行信號(hào)處理，同時(shí)雷達(dá)中頻放大器信號(hào)輸入檢測(cè)系統(tǒng)接收前端中頻接口，經(jīng)放大器放大后輸入到信號(hào)采集單元和信號(hào)處理單元，最后通過顯示器顯示其頻譜。

圖3 被測(cè)雷達(dá)接收支路檢測(cè)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 接收前端

檢測(cè)系統(tǒng)接收前端主要由混頻器、衰減器、濾波器、放大器和SPDT開關(guān)等組成，主要有兩個(gè)功能：一是將輸入的射頻信號(hào)與基準(zhǔn)源信號(hào)進(jìn)行混頻處理，獲得中頻信號(hào)，即混頻功能；二是將外部輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行放大處理，即放大功能，具體原理框圖如圖4所示。

圖4 接收前端原理框圖

從檢測(cè)系統(tǒng)天線接收到的電磁波信號(hào)輸入到混頻器中，與系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率源進(jìn)行混頻，獲得內(nèi)部中頻信號(hào)，再輸入到SPDT開關(guān)中［9］。SPDT開關(guān)輸出信號(hào)通過衰減器、濾波器濾除諧雜波后再經(jīng)過SPDT開關(guān)。SPDT開關(guān)主要用于切換輸入外部與內(nèi)部的中頻信號(hào)，SPDT開關(guān)輸出中頻信號(hào)經(jīng)過放大器濾波器后再通過單刀開關(guān)輸出，最后輸入到信號(hào)采集單元中。經(jīng)過上述電路，輸出中頻信號(hào)電平滿足峰值Vpp=1V，非常有利于信號(hào)的采集［1］。

3.2 檢波器

檢波器主要用于對(duì)功率的測(cè)量，選用包絡(luò)檢波器對(duì)輸入射頻信號(hào)進(jìn)行檢波輸出，具體原理框圖如圖5所示。

圖5 檢波器原理框圖

檢波器由限幅器和包絡(luò)檢波器組成。從檢測(cè)系統(tǒng)天線接收到的射頻信號(hào)通過限幅器后進(jìn)入包絡(luò)檢波器，輸出周期脈沖。檢波器輸入信號(hào)頻率為0.5GHz～43.5GHz，滿足 L～Ka波段，功率范圍為-30dBm～+15dBm，輸出幅度與輸入功率為正相關(guān)。因此，可以通過脈沖幅度獲知雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)的功率。

3.3 檢波器

信號(hào)采集和處理單元主要由可編程邏輯器件和AD變換器組成。圖6為中頻信號(hào)的處理框圖，圖7為脈沖信號(hào)的處理框圖。雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)采用雙通道的AD轉(zhuǎn)換器，一個(gè)通道實(shí)時(shí)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采集，另一個(gè)通道實(shí)時(shí)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集。

圖6 中頻信號(hào)的處理框圖

圖7 脈沖信號(hào)的處理框圖

當(dāng)從接收前端輸出的中頻信號(hào)輸入到中頻放大器經(jīng)放大處理后，進(jìn)入到AD轉(zhuǎn)換器中。可編程邏輯器件FPGA將控制AD轉(zhuǎn)換器完成高速采樣（采樣率 ≥250M），獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行量化處理和FFT變換，并在顯示器上顯示出信號(hào)的頻譜。通過信號(hào)頻譜，最終獲得輸入中頻的具體數(shù)值。

對(duì)脈沖信號(hào)的處理，首先將接收的脈沖信號(hào)輸入到放大器中，并進(jìn)行阻抗匹配；然后輸入到AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行變換。FPGA將獲得的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后在顯示器上顯示其電壓波形。

3.4 天線

由于雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)涵蓋L～Ka波段范圍，因此，天線采用寬頻段天線［10］。本系統(tǒng)采用專用訂制天線，其頻率范圍為0.5GHz～42GHz，增益為15dB。

4 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分主要完成FPGA對(duì)硬件的控制及圖形顯示功能，其軟件流程如圖8所示。FPGA負(fù)責(zé)完成對(duì)外圍硬件的初始化，包括對(duì)電子開關(guān)的初始狀態(tài)控制、ADC轉(zhuǎn)換器的初始化以及對(duì)顯示器的驅(qū)動(dòng)控制。初始化完畢后，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)控制ADC轉(zhuǎn)換器，完成對(duì)中頻信號(hào)與脈沖信號(hào)的處理，當(dāng)獲得正確有效的數(shù)據(jù)且緩存滿一幀時(shí)，進(jìn)行FFT變換或?yàn)V波處理，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的量化，再驅(qū)動(dòng)顯示器顯示頻譜波形或脈沖波形［11］。

圖8 軟件流程圖

5 試驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)檢波器進(jìn)行了性能測(cè)量，在0.5GHz～40GHz工作頻率范圍內(nèi)選擇三個(gè)頻點(diǎn)測(cè)量其線性度，其輸出電壓與誤差如圖9、圖10、圖11所示。由圖9～圖11可知，檢波器在輸入功率為-15dBm～+15dBm范圍內(nèi)輸出電壓線性度良好，輸出誤差也比較小。

圖9 0.5GHz頻點(diǎn)處線性度

圖10 20GHz頻點(diǎn)處線性度

圖11 40GHz頻點(diǎn)處線性度

2019年4月5日在浙江舟山，利用設(shè)計(jì)的通用雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)某型船載新引進(jìn)雷達(dá)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。測(cè)量時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)和用于測(cè)量雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)性能的接收系統(tǒng)均架設(shè)在碼頭上，用于測(cè)量雷達(dá)接收系統(tǒng)性能的測(cè)量電路連接在雷達(dá)接收機(jī)中頻輸出接口上。

接收系統(tǒng)獲得了其發(fā)射支路發(fā)射信號(hào)的脈沖信號(hào)波形圖，如圖12所示。通過圖12的波形，可以讀取出重復(fù)頻率參數(shù)。

圖12 脈沖信號(hào)波形圖

通過測(cè)量，獲得了雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)經(jīng)接收前端部件處理后的中頻信號(hào)頻譜圖，如圖13所示。改變信號(hào)源輸出頻率，當(dāng)調(diào)節(jié)為F0時(shí)，頻譜儀30MHz頻點(diǎn)處波形如圖所示。繼續(xù)改變頻率，頻譜儀頻譜最大功率點(diǎn)也發(fā)生偏移，30MHz頻點(diǎn)處信號(hào)大大減小。讀取此時(shí)信號(hào)源的頻率，即可獲得發(fā)射信號(hào)的頻率參數(shù)。

圖13 中頻信號(hào)頻譜圖

在測(cè)量雷達(dá)接收支路時(shí)，通過雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)，在中頻信號(hào)輸出端口測(cè)量出脈沖信號(hào)。

圖14 中頻端口脈沖信號(hào)

試驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)直接讀取被測(cè)雷達(dá)中頻信號(hào)的頻率、脈沖信號(hào)的幅度，從而計(jì)算出雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的頻率和功率。檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的脈沖信號(hào)重復(fù)頻率等于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的重復(fù)頻率。同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量出接收支路的中頻信號(hào)，對(duì)比雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)，可推斷出接收支路是否正常，雷達(dá)通用檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)語

本文闡述并設(shè)計(jì)了一套通用寬頻段雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，用于船載雷達(dá)裝備的性能檢測(cè)盒日常維護(hù)保障。檢測(cè)系統(tǒng)通過采用寬頻的射頻器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)L～Ka波段雷達(dá)接收和發(fā)射支路的檢查測(cè)試。通過測(cè)量雷達(dá)發(fā)射支路的發(fā)射功率、頻率、重復(fù)周期數(shù)據(jù)判定發(fā)射支路是否正常；通過測(cè)量接收支路中頻信號(hào)的重復(fù)周期、頻率判定接收支路是否正常，從而實(shí)現(xiàn)了多波段雷達(dá)檢測(cè)的通用化。如果需要進(jìn)一步測(cè)量雷達(dá)裝備中天饋系統(tǒng)各個(gè)部件的性能指標(biāo)，如插入損耗、噪聲系數(shù)等，檢測(cè)系統(tǒng)還需專用儀器設(shè)備的輔助。