基于半實物仿真的艦員級雷達(dá)維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計＊

鐘春華 許炎義 劉 峰

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院1） 武漢 430033）（95118部隊2） 當(dāng)陽 444100）

1 引言

近些年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新型雷達(dá)不斷采用各種先進(jìn)的技術(shù)手段，比如頻率捷變技術(shù)、多種抗干擾技術(shù)、光學(xué)跟蹤與測量技術(shù)等［1］。新型雷達(dá)裝備在增強(qiáng)部隊?wèi)?zhàn)斗力的同時，由于其技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴，數(shù)量有限，也給部隊的維修保障帶來了一定的難題，因為這對維修人員的技術(shù)水平要求更高了。而要使維修人員擁有更高的技術(shù)狀態(tài)和維修水平，必須要進(jìn)行大量的、長期的訓(xùn)練，因此迫切需要一種有效的訓(xùn)練方式。

傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式主要是依靠實裝來進(jìn)行［2］，維修即訓(xùn)練，特點是能獲得良好的動手操作能力，但也存在不少弊端，比如容易損壞裝備、訓(xùn)練受到場地等因素制約、實際工作中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和檢測維修操作種類有限，多數(shù)只能從教材中抽象理解，而雷達(dá)裝備結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，造價較高，實裝檢測維修成本太高，訓(xùn)練中畏懼裝備損壞等心理負(fù)擔(dān)較為普遍［3］。使用維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練則可以彌補(bǔ)上述這些缺陷，通過在系統(tǒng)中設(shè)置各種故障，使維修人員能較好的掌握各種故障的排除方法。而在各種模擬維修訓(xùn)練方式中，用虛擬式的維修訓(xùn)練系統(tǒng)［4］訓(xùn)練與實裝的訓(xùn)練有較大的區(qū)別，它往往只能獲得感性上的知覺，對于學(xué)習(xí)裝備的原理方面可以取得較好的效果，但是卻無法獲得良好的實踐能力，故一般難以達(dá)到預(yù)期的效果。而半實物［5～6］的維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過模擬實裝的結(jié)構(gòu)特點，使得其維修訓(xùn)練基本與實裝上一致，它可以給維修人員帶來良好的實踐動手能力，增強(qiáng)維修人員發(fā)現(xiàn)故障、排除故障的能力，因而訓(xùn)練效果明顯，可在很大程度上滿足部隊維修訓(xùn)練需要。本文即是采用了半實物的方式設(shè)計了某型雷達(dá)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過對雷達(dá)裝備的結(jié)構(gòu)功能及信號走向［7～8］研究，結(jié)合實際維修訓(xùn)練需要，本文設(shè)計的半實物維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以硬件形式實現(xiàn)，主要由配電箱、收發(fā)機(jī)柜、顯控分機(jī)組成，其組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是：配電箱給收發(fā)機(jī)柜和顯控分機(jī)供電，控保分機(jī)依次接通發(fā)射機(jī)低壓、Ⅱ級高壓、Ⅲ級高壓模擬產(chǎn)生大功率射頻信號，接收分機(jī)接收發(fā)射分機(jī)產(chǎn)生的模擬回波并進(jìn)行中頻放大和檢波，后將信號通過電纜傳到顯控分機(jī)進(jìn)行顯示或者進(jìn)一步處理。系統(tǒng)與真實裝備的工作主要區(qū)別在于：真實裝備所獲得的回波信號均由天線接收返回，而維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的回波是通過模擬的方式產(chǎn)生于發(fā)射分機(jī)的內(nèi)部電路［9］；此外，考慮到成本和訓(xùn)練必要性，維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)也沒有設(shè)計真實的高壓電路，但其工作狀態(tài)在面板上有對應(yīng)顯示。基于上述原因，系統(tǒng)在設(shè)計中并未設(shè)置伺服和天線系統(tǒng)，其方位信號通過收發(fā)分機(jī)模擬產(chǎn)生。

2.1 配電箱

根據(jù)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實際供電需要，本著簡化設(shè)計和功能完善的原則，配電箱在設(shè)計中內(nèi)部元器件主要采用空氣開關(guān)和保險絲，面板上安裝各種開關(guān)、表頭、指示燈，主要實現(xiàn)的是將三相380V市電經(jīng)過配電箱轉(zhuǎn)換為多路AC 220V輸出供顯控臺和收發(fā)機(jī)柜使用，同時在面板上通過表頭及指示燈對各種電源的狀態(tài)進(jìn)行指示。

2.2 收發(fā)機(jī)柜

收發(fā)機(jī)柜是系統(tǒng)設(shè)計的重點，是進(jìn)行維修模擬訓(xùn)練主要的狀態(tài)顯示機(jī)柜，由控保分機(jī)、發(fā)射分機(jī)、接收分機(jī)、電源分機(jī)組成。

2.2.1 控保分機(jī)

控保分機(jī)的設(shè)計依據(jù)實裝，面板設(shè)置有15個LED指示燈，多個相關(guān)儀表表頭，發(fā)射機(jī)低壓、II級高壓、III級高壓的通斷按鈕開關(guān)及其它相關(guān)旋鈕等。該分機(jī)用于監(jiān)視發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)，完成發(fā)射分機(jī)開關(guān)、延時控制與保護(hù)，顯示相關(guān)電流電壓值與故障信息等。與功能對應(yīng)，控保分機(jī)內(nèi)部電路中設(shè)計了故障檢測接口板，開關(guān)控制邏輯板，信號設(shè)置板等。來自發(fā)射機(jī)不同部位的故障信號，其類型、幅度等特性各不相同，故障檢測接口板對其中的某些故障信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動面板上的LED故障指示燈。當(dāng)操作面板上（或遙控信號）的“通”、“斷”按鈕按下時，開關(guān)控制邏輯板起作用，使相應(yīng)的大功率開關(guān)元件接通或斷開，以控制發(fā)射機(jī)各部分的供電。維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的部分訓(xùn)練故障來源由本分機(jī)的信號設(shè)置板產(chǎn)生。

2.2.2 發(fā)射分機(jī)

結(jié)合維修訓(xùn)練需求，發(fā)射分機(jī)的設(shè)計并未按實際發(fā)射機(jī)的對應(yīng)部件一一設(shè)計，而是有針對性的設(shè)計了相關(guān)必要部件，從而更能體現(xiàn)發(fā)射機(jī)中的典型故障及其排除方法，基于此，發(fā)射分機(jī)只是模擬了行波管放大器中脈沖調(diào)制器和快速保護(hù)電路的相應(yīng)功能。

為達(dá)到訓(xùn)練逼真性，調(diào)制器的設(shè)計［10］跟實裝大體一致，采用插拔式電路板組合實現(xiàn)，由脈沖放大電路板、觸發(fā)板、開關(guān)板和偏置板4塊電路板組成。來自定時器的起始和截尾脈沖信號由脈沖放大電路放大，經(jīng)觸發(fā)板變換為起始和截尾觸發(fā)信號，隨后觸發(fā)開關(guān)板的開關(guān)管產(chǎn)生初級調(diào)制脈沖，最后在偏置板去除直流偏置，加上偏置電壓后形成柵極調(diào)制脈沖加到行波管柵極上?？焖俦Ｗo(hù)電路由調(diào)制器開關(guān)管擊穿保護(hù)電路和浮源保護(hù)、脈沖形成條件信號產(chǎn)生電路組成，其作用是起到浮源保護(hù)和調(diào)制器開關(guān)管擊穿保護(hù)。

2.2.3 接收分機(jī)

接收分機(jī)的功能是產(chǎn)生全機(jī)時序信號和雷達(dá)輻射所需信號，接收雷達(dá)回波并進(jìn)行處理。為了實現(xiàn)這些功能，接收機(jī)內(nèi)部設(shè)置了定時器板、信號源板、中頻放大器板和檢波視放板，各電路板統(tǒng)一安裝于插箱中，所需電源和控制信號通過機(jī)箱母板提供。為了實現(xiàn)和發(fā)射機(jī)之間的信號連接，在接收分機(jī)面板上設(shè)計了起始脈沖、截尾脈沖、射頻輸出、回波入四個同軸插座，定時器板產(chǎn)生的發(fā)射機(jī)調(diào)制器起始和截尾脈沖以及信號源板產(chǎn)生的射頻信號通過對應(yīng)的同軸插座由同軸電纜傳遞給發(fā)射機(jī)，而由發(fā)射分機(jī)射頻放大鏈和高頻組合模塊產(chǎn)生的模擬回波信號則由同軸電纜通過回波入插座引入到中頻放大板和檢波視放板，經(jīng)過中頻放大和視放檢波處理后送標(biāo)顯臺。此外，在接收分機(jī)面板上還設(shè)置了多個電源和信號測試孔，方便受訓(xùn)人員訓(xùn)練過程中測試。

2.2.4 電源分機(jī)

電源分機(jī)用于將來自配電箱的AC 220V交流電轉(zhuǎn)換為多種滿足要求的直流電壓供收發(fā)機(jī)柜的其它分機(jī)使用。因此，內(nèi)部主要采用各種電壓轉(zhuǎn)換模塊，包括多個直流電源模塊和變壓器模塊，為了對各種輸出電壓提供保護(hù)，在分機(jī)面板上安裝了輸出電壓對應(yīng)的保險絲座，此外還在分機(jī)背板上設(shè)置多個插座，以便通過電纜把經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出的多種直流電壓送到收發(fā)機(jī)柜的其它分機(jī)使用。

2.3 顯控分機(jī)

顯控分機(jī)分顯控設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。其中顯控設(shè)備完成人機(jī)交互、顯控臺控制、通信管理、信息存儲與管理等功能。為滿足控制、存儲及顯示需要，顯控設(shè)備核心采用高性能工控機(jī)作為主機(jī)，以液晶顯示器作為顯示設(shè)備，并在其控制面板上配置標(biāo)準(zhǔn)化的觸摸式按鍵、摸球、數(shù)字鍵盤和熱鍵等，通過多串口擴(kuò)展方式實現(xiàn)相互之間的信息交換，其設(shè)計布局和該實裝雷達(dá)顯控臺一致。數(shù)據(jù)處理設(shè)備位于顯控設(shè)備下方，主要完成對收發(fā)分機(jī)送來的回波信號和方位信號進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換形成數(shù)字化的目標(biāo)信息和顯示信息。依據(jù)功能需要，數(shù)據(jù)處理設(shè)備內(nèi)部設(shè)計了對空檢測板、對海檢測板、顯示控制板、方位接口板、掃描變換板、視頻處理板、處理器板、接口板。各板安裝在插箱中，通過母板上的總線連接。

3 功能驗證

圖2 維修訓(xùn)練流程圖

以該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中的浮動電源到高壓控制之間的通路故障導(dǎo)致高壓加不上為例驗證故障的排除過程：訓(xùn)練開始，受訓(xùn)人員依次接通配電箱電源并分別為顯控臺和收發(fā)機(jī)柜供電，顯控臺和收發(fā)機(jī)柜各狀態(tài)指示均正常，打開顯控臺，按程序依次接通發(fā)射機(jī)低壓和Ⅱ高壓、Ⅲ高壓，此時發(fā)現(xiàn)Ⅱ高壓指示燈滅，控保分機(jī)電流表“TWT電流”和發(fā)射分機(jī)電流表“柵極電流”都沒有指示，初步判斷故障為高壓加不上，再仔細(xì)查看發(fā)現(xiàn)浮源故障指示燈亮（裝備正常時接通低壓后該指示燈應(yīng)該熄滅），故障有可能是由于浮源故障導(dǎo)致高壓加不上，于是使用萬用表測試發(fā)射分機(jī)面板上的浮源電壓測試孔，發(fā)現(xiàn)電壓指示正常，進(jìn)一步推斷故障可能出現(xiàn)于浮動電源到高壓控制之間的通路上，在該通路上有線與電路、調(diào)制器開關(guān)管擊穿保護(hù)電路板，更換該電路板，重新按程序加低壓，此時浮源故障指示燈熄滅，再加Ⅱ級高壓，控保分機(jī)電流表“TWT電流”和發(fā)射分機(jī)電流表“柵極電流”指示正常，Ⅱ級高壓指示燈亮，再加Ⅲ級高壓，顯示器有回波，故障得到排除。其流程如圖2所示。

4 結(jié)語

論文結(jié)合新形勢下雷達(dá)專業(yè)維修訓(xùn)練需要，以半實物方式設(shè)計了某雷達(dá)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計緊密結(jié)合實裝，在外觀和接口關(guān)系上與實裝基本一致，訓(xùn)練效果逼真［13］。系統(tǒng)雖是專門針對某型警戒搜索雷達(dá)而設(shè)計，但又兼具有一般警戒搜索雷達(dá)的特點，只要局部增加或改變對應(yīng)模塊的有關(guān)功能，就可研制成其它型號警戒搜索雷達(dá)的維修訓(xùn)練系統(tǒng)，通用性好。系統(tǒng)的設(shè)計考慮到教與學(xué)的需要，一方面可用于維修訓(xùn)練，另一方面還可用于雷達(dá)裝備的原理教學(xué)，方便學(xué)員進(jìn)一步加深對雷達(dá)裝備原理的理解。經(jīng)過比賽的考驗，證明該系統(tǒng)確實能夠極大地提高維修人員的實際動手排故能力，解決了以往的虛擬訓(xùn)練帶來的重感性輕實踐的不足，給雷達(dá)專業(yè)領(lǐng)域訓(xùn)練維修人員提供了一個好的解決方案。

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