柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)＊

王劉軍 劉昌錦

（1.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊(duì)一隊(duì) 合肥 230031）（2.陸軍軍官學(xué)院三系防空兵教研室 合肥 230031）

1 引言

雷達(dá)發(fā)射機(jī)是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能和品質(zhì)直接影響決定著雷達(dá)整機(jī)的性能和品質(zhì)。而柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)處于高電壓、高增益、高頻率、大功率的工作環(huán)境中，極易出現(xiàn)自激、串?dāng)_、擊穿、打火等故障，成為雷達(dá)整機(jī)中可靠性最低的系統(tǒng)［1］。因此，為了提高發(fā)射機(jī)的可靠性，除了通過(guò)改進(jìn)發(fā)射機(jī)尤其是其中行波管的制造工藝的方式外，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠擔(dān)負(fù)對(duì)發(fā)射機(jī)技術(shù)參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)的系統(tǒng)也是一種重要的方式。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)要能夠保證自身工作的絕對(duì)準(zhǔn)確和可靠。

2 發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)控制、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和指示、故障的監(jiān)測(cè)、定位和處理、關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試等，并且要能夠?qū)崿F(xiàn)與雷達(dá)主控臺(tái)之間的通信。因此，要使雷達(dá)發(fā)射機(jī)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須要有一個(gè)可靠的發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。目前，應(yīng)用于發(fā)射機(jī)的常用監(jiān)控系統(tǒng)分為四類(lèi)。

1）基于繼電器連鎖電路的監(jiān)控系統(tǒng)

發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)早期主要采用繼電器連鎖電路作為監(jiān)控系統(tǒng)的主電路，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路可靠。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大、控制方式不靈活、硬件接線較多、遠(yuǎn)程控制不方便、故障保護(hù)響應(yīng)速度慢等［2］。該類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思路是：通過(guò)控制發(fā)射機(jī)各部分的供電來(lái)控制發(fā)射機(jī)各部分的工作狀態(tài)，以交流接觸點(diǎn)為執(zhí)行元件，以繼電器為驅(qū)動(dòng)元件。其故障判定方法是：將發(fā)射機(jī)各部分引出一對(duì)斷開(kāi)觸點(diǎn)，將其接通監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)繼電器，通過(guò)繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行電路連鎖和故障指示，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)觸點(diǎn)閉合。

2）基于單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)

伴隨著微處理的發(fā)展，發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸向集成化、智能化方向發(fā)展，在發(fā)射機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中開(kāi)始大量使用單片機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是：適應(yīng)范圍廣、響應(yīng)速度快、能夠處理各種模擬和數(shù)字信息、有通信接口，能夠把采集到的發(fā)射機(jī)的狀態(tài)、故障、參數(shù)等信息通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信結(jié)構(gòu)傳送到雷達(dá)主控臺(tái)等［3］。缺點(diǎn)是抗干擾性差、顯示能力差、對(duì)較大的系統(tǒng)不能較好地適應(yīng)等。因此該類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，需要在硬件和軟件上采用多種抗干擾措施。

3）基于嵌入式工控機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)

基于嵌入式工業(yè)控制機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)工控機(jī)）來(lái)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)能夠克服基于單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的不足，同時(shí)其優(yōu)點(diǎn)還有：（1）兼容性好，易于升級(jí)；（2）軟件資源豐富，所有在PC上能運(yùn)行的軟件都可在工控機(jī)上運(yùn)行；（3）人機(jī)界面較為友好；（4）通信組網(wǎng)功能強(qiáng)大，工控機(jī)提供的各種網(wǎng)絡(luò)適配器支持各種通信方式，因而可以構(gòu)成較大的分布式控制系統(tǒng)；（5）模塊化結(jié)構(gòu)，維修方便；（6）可靠性高，電磁兼容性好等［4］。

4）基于可編程邏輯控制器的監(jiān)控系統(tǒng)

雖然可編程邏輯控制器（PLC）也屬于單片機(jī)系統(tǒng)的范疇，但是PLC經(jīng)過(guò)了規(guī)范化的設(shè)計(jì)和工業(yè)控制中的大量使用，以及嚴(yán)格的電磁兼容實(shí)驗(yàn)，目前已經(jīng)發(fā)展成為最可靠的控制器之一［5］。事實(shí)上，PLC是由繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，只不過(guò)是使用集成電路和內(nèi)部邏輯代替了分立繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和其他設(shè)備，具有較大的容量、精度和更大的靈活性。為了能夠在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中適用，PLC采用了有效的電位隔離、瞬態(tài)控制和濾波等抗干擾技術(shù)，使其內(nèi)部電路能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，PLC還具有開(kāi)放的通信協(xié)議，能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確控制。

3 柵控行波管發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

隨著新型控制器件的不斷問(wèn)世，發(fā)射機(jī)監(jiān)控技術(shù)近年來(lái)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。柵控行波管發(fā)射機(jī)監(jiān)控技術(shù)從最初的繼電器控制電路發(fā)展到現(xiàn)在廣泛采用的工控機(jī)及PLC系統(tǒng)。工控機(jī)由于抗干擾性能好，功能強(qiáng)大，可以用于發(fā)射機(jī)控制臺(tái)；PLC由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，各種接口形式的模塊比較齊全，可以根據(jù)需要對(duì)模塊的種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)行選擇。柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)主要由前級(jí)放大器、調(diào)制器、高頻部分、柵控行波管、各種電源和冷卻系統(tǒng)等組成［6］。監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心是PC／104，采用模塊化結(jié)構(gòu)，PC／104主板由PC／104工控機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）組成，由其引出通信接口，并將背板引接到ISA（Industry Standard Architecture）總線上。輸入板由CPLD、A／D變換和光電耦合器件組成，完成對(duì)發(fā)射機(jī)狀態(tài)和故障信號(hào)的采集工作，并將信號(hào)通過(guò)接口電路傳送至ISA總線，由PC／104工控機(jī)讀取和處理。輸入板由CPLD、光電耦合器件和驅(qū)動(dòng)器件組成，將來(lái)自ISA總線的控制信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)傳送到發(fā)射機(jī)的各個(gè)部分。

同時(shí)，為了處理一些需要很快響應(yīng)速度的故障保護(hù)信息，在輸入板上還有快速保護(hù)通道，一旦出現(xiàn)該類(lèi)故障，輸入板直接通過(guò)快速保護(hù)通道將信號(hào)直接送到輸出板。顯示器用于顯示發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以及故障原因等，它與觸摸屏共同構(gòu)成了監(jiān)控系統(tǒng)的人－機(jī)交互界面。另外，監(jiān)控系統(tǒng)不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)本地控制、信號(hào)采集、故障處理和狀態(tài)顯示，還必須能夠接收雷達(dá)總控臺(tái)的控制指令、同步信號(hào)、故障處理以及狀態(tài)控制等，并通過(guò)以太網(wǎng)向雷達(dá)總控臺(tái)發(fā)送本地故障和狀態(tài)信息［7］。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)加電后，監(jiān)控系統(tǒng)首先對(duì)自身的內(nèi)部器件進(jìn)行初始化檢測(cè)，要確保自身能夠正常工作后，才能對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)框圖可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)的工作方式包括本地監(jiān)控和遙控監(jiān)控兩種。事實(shí)上，遙控監(jiān)控只是在本地監(jiān)控的基礎(chǔ)上，能夠接收雷達(dá)控制臺(tái)的控制指令，同時(shí)發(fā)送發(fā)射機(jī)的各種參數(shù)。

在本地監(jiān)控狀態(tài)下，柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)開(kāi)機(jī)程序是：1）開(kāi)冷卻系統(tǒng)電源及鈦泵電源；2）開(kāi)低壓電源及柵極正、負(fù)偏壓電源和燈絲電源；3）當(dāng)預(yù)熱時(shí)間已到和無(wú)故障信號(hào)時(shí)，可送出高壓準(zhǔn)加信號(hào)；4）高壓準(zhǔn)加信號(hào)到了以后，即可接通高壓電源。當(dāng)高壓逐漸加到額定電壓后可加?xùn)艠O觸發(fā)脈沖；5）行波管工作正常后，接通高頻激勵(lì)信號(hào)。在關(guān)機(jī)時(shí)由于燈絲溫度下降較慢，因此在斷開(kāi)燈絲電壓后，負(fù)偏電壓仍要保持幾分鐘，以免對(duì)柵極造成破壞。發(fā)射機(jī)的關(guān)機(jī)程序與開(kāi)機(jī)程序相反：1）切斷射頻激勵(lì)信號(hào)；2）切斷直流高壓及柵控驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)；3）關(guān)低壓、燈絲電源；4）延遲幾分鐘后，自動(dòng)關(guān)冷卻系統(tǒng)電源，以保證行波管及發(fā)射機(jī)的充分冷卻［8］。

在雷達(dá)發(fā)射機(jī)正常工作的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)綜合發(fā)射機(jī)各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)、判斷和顯示。當(dāng)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生故障的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)切斷發(fā)射機(jī)的觸發(fā)脈沖和高壓，然后將故障信息傳送出來(lái)并進(jìn)行顯示，同時(shí)保留相關(guān)故障數(shù)據(jù)，以便事后對(duì)故障進(jìn)行分析和處理［9］。

4 柵控行波管關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)

在雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作中，需要實(shí)時(shí)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，以便人員能夠及時(shí)了解發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。一旦故障發(fā)生，能夠通過(guò)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或人工的保護(hù)。在對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集的過(guò)程中，需要進(jìn)行多路信號(hào)同時(shí)采集，然后再通過(guò)一定的算法，可以判定行波管的工作狀態(tài)。

同時(shí)，要保證參數(shù)檢測(cè)的結(jié)果是可靠的，應(yīng)當(dāng)從以下兩個(gè)方面入手。第一，檢測(cè)的方法要正確，選擇滿足精度要求的經(jīng)過(guò)計(jì)量部門(mén)鑒定的合適檢測(cè)儀表；第二，由于發(fā)射機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，多路信號(hào)的參考電位會(huì)產(chǎn)生差異，導(dǎo)致參數(shù)檢測(cè)不準(zhǔn)確，因此在參數(shù)信號(hào)采集的過(guò)程中，需要采用電流互感和光電耦合等技術(shù)進(jìn)行電磁干擾防護(hù)。

柵控行波管是雷達(dá)發(fā)射機(jī)的核心部件，因此對(duì)其主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)最首要的任務(wù)和關(guān)鍵所在。由于雷達(dá)發(fā)射機(jī)在出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了密封處理，因此在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是不能通過(guò)直接的方式對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集的。同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是監(jiān)視和控制發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)判定故障和故障保護(hù)，不同于行波管的設(shè)計(jì)和出廠檢測(cè)，所以也沒(méi)必要對(duì)其進(jìn)行直接參數(shù)采集。因此可以采用電源監(jiān)控的方法對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行間接采集和控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

其中的采集系統(tǒng)主要由各級(jí)電壓／電流采集、電壓頻率轉(zhuǎn)換（VFC）、隔離傳輸光纖、頻率電壓轉(zhuǎn)換（FVC）和多路ADC等部分組成，其主要結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 行波管電源監(jiān)控方式

圖3 采集系統(tǒng)

5 結(jié)語(yǔ)

柵控行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正在向著高度智能化、自動(dòng)化、人－機(jī)界面友好的方向發(fā)展。與固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)相比，真空管雷達(dá)發(fā)射機(jī)需要保護(hù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工作環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，一個(gè)可靠穩(wěn)定有效的監(jiān)控系統(tǒng)是雷達(dá)發(fā)射機(jī)性能水平的一個(gè)重要標(biāo)志。隨著監(jiān)控新技術(shù)的不斷發(fā)展，必將使雷達(dá)發(fā)射機(jī)具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。

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