機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的控制電路設(shè)計(jì)

邵 威，楊志謙

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088）

最近20年全球航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展極其迅速，航空公司的規(guī)模日益壯大，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)內(nèi)飛機(jī)起降次數(shù)猛增，如何在有限的空間、多變的天氣條件下管理好越來(lái)越多的飛機(jī)及相應(yīng)增加的地服車(chē)輛，成為各國(guó)機(jī)場(chǎng)當(dāng)局必須考慮的問(wèn)題。

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)是一種主動(dòng)式微波監(jiān)視設(shè)備，系統(tǒng)對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo)的監(jiān)視不需要被監(jiān)視目標(biāo)的合作，是一種重要的非合作目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備。同時(shí)，該雷達(dá)的工作性能不受外部光照的影響，具備全天時(shí)監(jiān)視的能力；基于電磁波具有的云、雨、霧等介質(zhì)穿透能力，而具備全天候監(jiān)視的能力?；谝陨咸匦?，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)不僅在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)（Surface Movement Guidance and Control System，SMGCS）中得到了廣泛的應(yīng)用，也是先進(jìn)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，ASMGCS）的重要組成部分[1]。

中國(guó)民航“十二五”規(guī)劃（2011年至2015年）第六章第三節(jié)指出：“在飛行流量前20位的機(jī)場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)，在雙跑道和多跑道運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)和多點(diǎn)定位系統(tǒng)（Multilateration，MLAT），在特殊區(qū)域配置移動(dòng)二次雷達(dá)”[2]。

2011年，國(guó)內(nèi)烏魯木齊、西安、重慶、杭州、上海等多個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)外發(fā)布了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的競(jìng)標(biāo)需求。2012年成都雙流機(jī)場(chǎng)計(jì)劃安裝兩部TERMA公司的SCANTER2001雷達(dá)，每部雷達(dá)監(jiān)視一條跑道及其附屬區(qū)域[3]。據(jù)TERMA公司網(wǎng)站介紹，該公司在中國(guó)區(qū)域安裝和預(yù)計(jì)安裝的場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)已超過(guò)10部。

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)對(duì)可靠性要求非常高，系統(tǒng)要求連續(xù)工作一年不停機(jī)，并且故障檢測(cè)切換時(shí)間小于1 s，這就對(duì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提出很高的要求[4]。

本文從實(shí)際應(yīng)用的需求出發(fā)，給出了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)控制電路的特點(diǎn)，研究了電路設(shè)計(jì)及元器件選用的基本原則，詳細(xì)闡述了提高電路可靠性的方法。

1 控制電路設(shè)計(jì)原則

1.1 控制電路的特點(diǎn)

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)主要包括電源系統(tǒng)、天線(xiàn)系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)和發(fā)射機(jī)等設(shè)備組成?？刂齐娐分饕蝿?wù)是采集各個(gè)分系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的變化對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)發(fā)送控制指令，包括發(fā)射開(kāi)關(guān)機(jī)、天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)啟停、備份設(shè)備切換、雷達(dá)復(fù)位等關(guān)鍵指令。具體控制電路的功能框圖如圖1所示。

控制電路可靠性的關(guān)鍵在于保證控制電路不會(huì)受到其他分系統(tǒng)故障的影響的同時(shí)，能夠正確檢測(cè)當(dāng)前的各個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并做出正確的控制和調(diào)節(jié)[5]。

1.2 設(shè)計(jì)原則

控制電路可靠性的高低和使用的元器件關(guān)系很大，并不是越貴越好，應(yīng)該根據(jù)使用環(huán)境去選擇最合適的元器件[6]。在一般情況下，以保證控制電路的基本功能為前提，可以按照以下幾點(diǎn)要求設(shè)計(jì)。

圖1 控制電路功能框圖Fig.1 Functional block diagram of control circuit

1）盡可能選用數(shù)字元器件，少用或者不用模擬器件；多選用集成度較高的器件，少用集成度較低的器件；盡量使用功耗小的元器件。

2）盡量選用質(zhì)量等級(jí)高的器件，將繼電器、開(kāi)關(guān)等器件的使用數(shù)量降至最低。

3）選用無(wú)源器件，盡量少使用有源器件。

5）應(yīng)該根據(jù)介質(zhì)損耗、頻率、耐壓、容量變化以及溫度系數(shù)等指標(biāo)選擇電容。少用鋁電解電容器；

6）不選用未經(jīng)設(shè)計(jì)定型的新研元器件、已停產(chǎn)或?qū)⒁．a(chǎn)的電子元器件。

7）在確定合適的器件后，在使用時(shí)應(yīng)符合降額設(shè)計(jì)的要求，不同的器件，降額的方法是不同的[7]?；痉椒ㄈ缦拢?/p>

①電阻的降額方法是降低功率比；

②電容是降低工作電壓；

③半導(dǎo)體器件的降額方法是降低工作功耗；

④數(shù)字集成電路則通過(guò)降低周?chē)h(huán)境溫度和電負(fù)荷來(lái)降額。

2 電路可靠性設(shè)計(jì)

2.1 電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)控制電路的供電電源可能傳輸距離較遠(yuǎn)，為了減少線(xiàn)路上的衰減，應(yīng)采用較大電壓（12 V以上）的直流電源輸入，同時(shí)在控制電路的電源輸入點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 電源保護(hù)電路Fig.2 Protection circuit of power supply

因?yàn)?2 V電壓較大，防止出現(xiàn)短路時(shí)對(duì)電路造成較大傷害，故在輸入端串聯(lián)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲?？刂齐娐芬话阈枰? V和3.3 V的電源品種，所以采用LDO器件進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。因?yàn)? V電壓會(huì)輸出到其他接口，在極限情況下會(huì)因?yàn)橥饨绲挠绊憣?dǎo)致電壓出現(xiàn)波動(dòng)，而添加穩(wěn)壓二極管2CW5232可以對(duì)電路起到保護(hù)作用。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，當(dāng)穩(wěn)壓二權(quán)管兩端的反向電壓在—定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，當(dāng)去掉反向電壓之后，穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常。

在該電路中，采用了雙電容串聯(lián)設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娙輷p壞后的失效模型大多表現(xiàn)為短路，當(dāng)電容損壞后，另一電容仍然可以起到濾波的作用。

2.2 輸入信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)

控制電路為了避免被監(jiān)測(cè)部件對(duì)自身的影響，對(duì)輸入信號(hào)均采用光耦進(jìn)行隔離，如圖3所示。

圖3 輸入信號(hào)的光耦隔離Fig.3 Coupler isolation of input signal

在信號(hào)輸入端，為了對(duì)自身進(jìn)行保護(hù)，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?duì)輸入電平進(jìn)行了限位設(shè)計(jì)。如圖4所示。

圖4 輸入限位設(shè)計(jì)Fig.4 Design of limited input signal

二極管具有正向?qū)?，反向截止的特性，利用這種特性，對(duì)輸入端的電平進(jìn)行限位。當(dāng)正常工作的時(shí)候，兩個(gè)二極管都處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電壓不再正常范圍內(nèi)時(shí)，其中一路二極管會(huì)導(dǎo)通，將電平拉到正常范圍內(nèi)，可對(duì)板內(nèi)的器件起到保護(hù)作用。

2.3 控制信號(hào)的冗余設(shè)計(jì)

控制電路負(fù)責(zé)雷達(dá)的天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射開(kāi)關(guān)機(jī)等關(guān)鍵控制，誤操作會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，所以可靠性顯得尤為重要，根據(jù)二極管的PN結(jié)較大，不易被擊穿的特點(diǎn)，采用二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的冗余設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

從FPGA的兩個(gè)引腳中輸出同一信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后，分別通過(guò)兩個(gè)二極管后并聯(lián)在一起，通過(guò)一個(gè)下拉電阻（等效阻值為10 kΩ）后，輸出給被控制件，具體分析如下：

圖5 控制信號(hào)的冗余設(shè)計(jì)Fig.5 Redundancy design of control signal

1）正常工作時(shí)，雙路同時(shí)輸出到一點(diǎn)，因?yàn)槎O管的單向?qū)щ娦?，從最大程度上阻止了輸出端的電流倒灌，保護(hù)了接口芯片；

2）當(dāng)并聯(lián)輸出的兩路，任何一路發(fā)生斷路時(shí)，二極管的正向壓降不足以使二極管導(dǎo)通，則該路的二極管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)，另外一路可正常工作。

3）當(dāng)并聯(lián)的兩路任何一路發(fā)生短路時(shí)，并且為低電平時(shí)，該路的二極管的正向壓降不足以使二極管導(dǎo)通，則該路的二極管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)，另外一路可正常工作。

4）當(dāng)并聯(lián)的兩路任何一路發(fā)生短路時(shí)，并且為高電平時(shí)，該路的二極管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出恒為高，造成的結(jié)果就是機(jī)箱監(jiān)控一上電，該路的輸出電平恒為高，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障。在這種情況下，可通過(guò)回讀到FPGA里的信號(hào)判斷出哪路發(fā)生故障，并對(duì)相應(yīng)故障路的buffer器件使能信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)另外一路可以進(jìn)行正常的控制。

5）綜上所述，本電路只有在兩路同時(shí)故障時(shí)，輸出才會(huì)表現(xiàn)為故障，相對(duì)于單路輸出控制電路，實(shí)現(xiàn)了熱冗余設(shè)計(jì)，可靠性大大提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)是一種主動(dòng)探測(cè)雷達(dá)，對(duì)于保證機(jī)場(chǎng)內(nèi)部的交通安全具有重要的意義，需要長(zhǎng)周期、全天時(shí)工作，而控制電路作為雷達(dá)的“大腦”，其自身的可靠性和控制的準(zhǔn)確性都顯得尤為重要。本文根據(jù)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)的特點(diǎn)及工程需求分析了控制電路的設(shè)計(jì)需求，提出了提高控制電路可靠性的設(shè)計(jì)方法及工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這些技術(shù)很好的解決了控制電路長(zhǎng)時(shí)間可靠穩(wěn)定工作的要求。

[1]李斌，張冠杰．場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)發(fā)展綜述[J]．火控雷達(dá)技術(shù)，2010（2）：1-7．LI Bin，ZHANG Guan-jie.Overview on surface movement radar technology development[J].Fire Control Radar Technology，2010（2）:1-7．

[2]金文．場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國(guó)民用航空，2011（9）：48-50．JIN Wen.Application and development of Surface Movement Radar[J].Civil Aviation of China，2011（9）:48-50.

[3]張睿，孔金鳳．機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)的比較及發(fā)展[J]．中國(guó)西部科技，2010（1）：32-35．ZHANG Rui，KONG Jin-feng.Comparison and development ofsurface movementradartechnology[J].Science and Technology of West China，2010（1）:32-35．

[4]顧春平．空中交通管制監(jiān)視新技術(shù)簡(jiǎn)介[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2010（9）：1-5．GU Chun-ping.Introduction ofnew ATC surveillance techniques[J].Modern Radar，2010（9）:1-5．

[5]張毅．加速度信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及仿真 [J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012（1）：98-100．ZHANG Yi.Design of accelerator signal conditioning circuit and simulation[J].Electronic Design Engineering，2012 （1）:98-100.

[6]黃翌．氣球控制中的雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)[J]．信息與電子工程，2010（6）：357-360．HUANG Yi.Dual-host redundancy design on safe control of balloon[J].Information and Electronic Engineering，2010（6）:357-360．

[7]胡旭，張宏偉，劉靜．基于FPGA技術(shù)的雷達(dá)開(kāi)機(jī)控制系統(tǒng)仿真[J]．信息技術(shù)，2011（4）：124-126．HU Xu，ZHANG Hong-wei，LIU Jing.Simulation of radar operation control system based on FPGA[J].Information Technology，2011（4）:124-126．