一種單脈沖跟蹤雷達(dá)的通道檢測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

李 龍 胡振平 萬 軍

(中國兵器裝備集團(tuán)(成都)火控技術(shù)中心 成都 611731)

0 引言

作為防空火控雷達(dá)的單脈沖精密跟蹤雷達(dá)，是一種高跟蹤精度的單目標(biāo)跟蹤雷達(dá)，是近程防御系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。跟蹤雷達(dá)的收發(fā)通道主要由天線、TR組件、接收機(jī)、信號處理和頻率綜合器組成，TR組件是有源雷達(dá)發(fā)射子系統(tǒng)最重要的部件，其主要功能是實(shí)現(xiàn)激勵信號的功放、波束合成所需的相位控制和目標(biāo)回波信號的低噪放，其性能直接影響整部雷達(dá)收發(fā)通道的穩(wěn)定性[1]。隨著跟蹤雷達(dá)設(shè)備使用年限的增加、貯存環(huán)境的不同以及工作溫度濕度的變化等因素的影響，可能出現(xiàn)連接器插頭插座松動、射頻插損增加以及結(jié)構(gòu)零件變形(饋線駐波變化)等，易發(fā)生天線傳輸性能起伏、TR組件增益起伏、TR組件移相不確定和接收機(jī)增益起伏等不定情況，造成天線收發(fā)方向圖畸變、天線電軸指向精度、收發(fā)通道增益下降、幅相不穩(wěn)定以及數(shù)字和差性能降低，嚴(yán)重時可導(dǎo)致跟蹤雷達(dá)目標(biāo)跟蹤性能。為使跟蹤雷達(dá)性能在其工作期間處于規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)，需相應(yīng)手段定期或不定期地對收發(fā)通道工作狀態(tài)進(jìn)行判斷、故障定位和排除，以確保跟蹤雷達(dá)全壽命周期性能優(yōu)良[2-4]。針對跟蹤雷達(dá)裝備保障需求，基于其自身資源，給出了一種收發(fā)通道共用的檢測網(wǎng)絡(luò)。通過某精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程驗(yàn)證了其有效性，經(jīng)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明此方法具有良好的工作效能。

1 通道檢測網(wǎng)絡(luò)組成

根據(jù)對跟蹤雷達(dá)設(shè)備保障任務(wù)實(shí)際需要，基于雷達(dá)自身資源的基礎(chǔ)上，給出了一種單脈沖跟蹤雷達(dá)收發(fā)通道共用的檢測網(wǎng)絡(luò)，其主要由天線、TR組件、接收機(jī)、信號處理和頻率綜合器等組成，如圖1所示。

圖1 收發(fā)共用通道檢測網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

收發(fā)通道檢測網(wǎng)絡(luò)僅需在跟蹤雷達(dá)設(shè)備現(xiàn)有的收發(fā)通道(TR組件、接收機(jī)、信號處理和頻率綜合器)和天線之間嵌入一個基于耦合器、四功分器以及單刀雙擲開關(guān)等構(gòu)建的檢測網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)對收發(fā)通道工作于發(fā)射模式下通道幅、相和接收模式下通道幅、相四個參數(shù)的測量，無需額外的檢測通道且具備實(shí)時檢測的特點(diǎn)[5-7]。其中，耦合器集成于天線，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道和接收通道檢測的復(fù)用，即發(fā)射通道檢測時，將經(jīng)TR組件T之路輸出的測試信號耦合至檢測網(wǎng)絡(luò)，接收通道檢測時，將頻率綜合器輸出的測試信號經(jīng)單刀雙擲開關(guān)和四功分器耦合至TR組件R之路；單刀雙擲開關(guān)和四功分器是收發(fā)通道檢測網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換核心，連接頻率綜合器、TR組件和接收機(jī)；頻率綜合器提供測試時序，并按時序生成發(fā)射通道和接收通道檢測所需的測試信號；接收機(jī)為測試信號提供接收通道，完成混頻、低噪放和中頻濾波處理；信號處理將來自接收機(jī)的IF(中頻)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻以及數(shù)字正交解調(diào)，分離出各通道的測試響應(yīng)，獲得各通道的幅度與相位參數(shù)。

2 檢測原理及工作流程

2.1 發(fā)射通道幅相檢測

收發(fā)通道檢測時，頻率綜合器產(chǎn)生跟蹤雷達(dá)所需的測試時序，按測試脈沖的節(jié)拍生成測試信號，測試時序包括測試起始(PRF，為一個觸發(fā)脈沖信號)和測試信號(10μs)，且發(fā)射通道檢測和接收通道檢測的測試時序相同，如圖2所示。測試信號是跟蹤雷達(dá)收發(fā)通道檢測的關(guān)鍵，流經(jīng)檢測網(wǎng)絡(luò)鏈路的各組成分機(jī)，在PRF前沿延時60μs觸發(fā)，與跟蹤雷達(dá)正常工作時的信號類同，采用單載頻信號形式。

圖2 測試時序示意圖

發(fā)射通道幅度、相位檢測時，測試信號流經(jīng)檢測網(wǎng)絡(luò)鏈路各組成分機(jī)由頻率綜合器最后進(jìn)入信號處理。發(fā)射通道檢測時，需TR組件T之路逐一工作在發(fā)射狀態(tài)獨(dú)立進(jìn)行，以4#TR組件為例，發(fā)射檢測時4#TR組件T之路工作在發(fā)射狀態(tài)，其余TR組件T之路處于關(guān)閉狀態(tài)，測試信號沿圖3中加粗虛線方向進(jìn)行。

圖3 發(fā)射通道幅相檢測工作流程示意圖

通道檢測開始時，頻率綜合器輸出檢測所需的測試時序，按照測試時序的節(jié)拍生成測試激勵信號。測試RF(射頻)信號入TR組件T之路經(jīng)功率放大后，過TR組件T之路的測試信號經(jīng)耦合器耦合之后，沿四功分器、單刀雙擲開關(guān)K1和K2，入接收機(jī)進(jìn)行混頻、低噪放和中頻濾波處理后輸出IF信號至信號處理，信號處理對IF信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻以及數(shù)字正交解調(diào)，獲得I、Q信號，分離出各通道的測試響應(yīng)，通過計(jì)算逐一得到每個通道的發(fā)射幅相值，最終獲得每個通道的幅度與相位參數(shù)。在某精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程中，實(shí)測了其發(fā)射通道幅相，檢測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 實(shí)測發(fā)射通道幅相檢測數(shù)據(jù)

由發(fā)射通道的幅度、相位實(shí)測數(shù)據(jù)可看出，發(fā)射通道幅度檢測時，TR組件T之路近于飽和發(fā)射狀態(tài)，且四路發(fā)射通道鏈路所經(jīng)檢測網(wǎng)絡(luò)硬件差別不大對幅度影響可忽略。四路發(fā)射通道工作正常時，發(fā)射通道測得的幅度值相差無幾(正常的四路TR組件T之路發(fā)射功率一致性較高)；若某一發(fā)射通道性能衰減或工作異常，此發(fā)射通道測得的幅度值會顯著下降。于此，將四路通道多次(取四次)發(fā)射通道檢測的幅度測量數(shù)據(jù)作相對歸一化處理取差值，考慮各發(fā)射通道的些許特性差異，依據(jù)合適門限(如-5dB)即可判定某一發(fā)射通道是否異常。幅度測量數(shù)據(jù)相對歸一化處理，取差值Δi

(1)

其中，i為通道號，取1、2、3和4；j為測量次數(shù)，取1、2、…、n；Eij為第i通道第j次幅度測量值；Δi為第i通道的差值。

2.2 接收通道幅相檢測

接收通道幅度、相位檢測時，測試信號流經(jīng)檢測網(wǎng)絡(luò)鏈路各組成分機(jī)由頻率綜合器最后進(jìn)入信號處理。接收通道檢測時，所有TR組件T之路處于關(guān)閉狀態(tài)、R之路處于工作狀態(tài)，以4#TR組件為例，接收檢測時4#TR組件R之路工作在接收狀態(tài)，測試信號沿圖5中加粗虛線方向進(jìn)行。

圖5 接收通道幅相檢測工作流程示意圖

通道檢測開始時，頻率綜合器輸出檢測所需的測試時序，按照測試時序的節(jié)拍生成測試信號。測試RF信號沿單刀雙擲開關(guān)K1和四功分器，經(jīng)耦合器耦合進(jìn)TR組件R之路，再入接收機(jī)進(jìn)行混頻、低噪放和中頻濾波處理后輸出IF信號至信號處理，信號處理對IF信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻以及數(shù)字正交解調(diào)，獲得I、Q信號，分離出各通道的測試響應(yīng)，通過計(jì)算逐一得到每個通道的接收幅相值，最終獲得每個通道的幅度與相位參數(shù)。在某精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程中，實(shí)測了其接收通道幅相，檢測數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 實(shí)測接收通道幅相檢測數(shù)據(jù)

由接收通道的幅度、相位實(shí)測數(shù)據(jù)可看出，接收通道幅度檢測時，TR組件R之路接收增益一致性較高，且四路接收通道鏈路所經(jīng)檢測網(wǎng)絡(luò)硬件差別不大對幅度影響可忽略。四路接收通道工作正常時，接收通道測得的幅度值相差不大；若某一接收通道性能衰減或工作異常，此接收通道測得的幅度值明顯降低。于此，將四路通道多次(取四次)接收通道檢測的幅度測量數(shù)據(jù)作相對歸一化處理取差值，依據(jù)合適門限(如-5dB)即可判定某一接收通道是否異常。

接收通道相位檢測與發(fā)射通道相位檢測過程略有不同，接收通道相位檢測時，無需控制TR組件R之路進(jìn)行移相。在接收通道幅度測量正常狀態(tài)下，通過計(jì)算同一通道前后兩次實(shí)測相位的差值，依據(jù)合適門限(如8°)可判定某一接收通道TR組件R之路相位是否異常。由于接收通道相位檢測沒有經(jīng)過相對相位測量，其檢測結(jié)果只供參考。故此，接收通道故障的判定應(yīng)以幅度檢測結(jié)果為主，相位檢測結(jié)果可進(jìn)一步證實(shí)故障狀態(tài)。

3 結(jié)束語

在對精密跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)工作過程和原理研究分析的基礎(chǔ)上，針對某型跟蹤雷達(dá)收發(fā)通道狀態(tài)檢測判定，給出了一種收發(fā)共用的檢測網(wǎng)絡(luò)，基于相對幅相測量方式，在缺少標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的情況下，可實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)設(shè)備狀態(tài)的快速、實(shí)時檢測。在某精密跟蹤雷達(dá)產(chǎn)品的調(diào)試過程中，實(shí)測結(jié)果表明，該收發(fā)共用檢測網(wǎng)絡(luò)的幅相測試，具有測試過程安全、操作簡單、故障快速定位等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一種低成本的測試保障手段，對裝備全壽命周期維護(hù)十分有益。