雷達(dá)收發(fā)原理課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

汪楓 劉潤(rùn)華 方群樂(lè)

摘?要：雷達(dá)收發(fā)原理是我院雷達(dá)工程、預(yù)警探測(cè)指揮與工程等專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)課之一，受實(shí)驗(yàn)條件的制約，多年來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。本文結(jié)合雷達(dá)收發(fā)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提出了課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，給出了實(shí)驗(yàn)安排，研制了雷達(dá)收發(fā)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，三個(gè)期班教學(xué)實(shí)踐證實(shí)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容合理性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的有效性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)收發(fā)原理;實(shí)驗(yàn);教學(xué)平臺(tái)

Abstract：The course of radar transceiver principles is one of the most important professional courses of students majoring in radar engineering，early warning detection command and engineering in our college.Due to the constraints of experimental conditions，experimental teaching has mostly been based on confirmatory experiments for many years.This article combined with the experimental teaching reform of radar transceiver principles，put forward the experimental design ideas of the course，provided the experimental arrangement，and developed an experimental teaching platform for radar transceiver principles.Teaching practice of three classes confirmed the rationality of the experimental teaching content and the effectiveness of the experimental teaching platform.

Key words：Radar transceiver principles;Experiment;Teaching platform

雷達(dá)收發(fā)原理課程是我院雷達(dá)工程、預(yù)警探測(cè)指揮與工程專(zhuān)業(yè)本科學(xué)員的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，是一門(mén)集理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性于一體的課程。該課程內(nèi)容概念多，要在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的教學(xué)效果[1-3]，使學(xué)員對(duì)雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的組成有一個(gè)清晰的整體認(rèn)識(shí)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和工作原理等內(nèi)容有深刻的理解相當(dāng)困難。該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，并為理論教學(xué)服務(wù)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要[4-6]。學(xué)員通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以建立雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基本概念，加深對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和工作原理的理解。為此，本文結(jié)合雷達(dá)收發(fā)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提出了課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路并給出了部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，研制了雷達(dá)收發(fā)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，三個(gè)期班教學(xué)實(shí)踐證實(shí)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的合理性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的有效性。

1 雷達(dá)收發(fā)原理課程實(shí)驗(yàn)

雷達(dá)收發(fā)原理課程實(shí)驗(yàn)的基本要求是：學(xué)員通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)加深對(duì)雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成的理解，掌握雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法，掌握常用儀表的使用方法。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種層次的實(shí)驗(yàn)：一是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)查看和工作原理分析、儀表操作使用和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量;二是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)改變、測(cè)量?jī)x表參數(shù)改變和實(shí)驗(yàn)方法改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響;三是綜合性實(shí)驗(yàn)，包括雷達(dá)回波的模擬、雷達(dá)接收通道的設(shè)計(jì)和回波信號(hào)處理等。

1.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)查看可以幫助學(xué)員建立雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成的整體和直觀認(rèn)識(shí);雷達(dá)收發(fā)雷達(dá)原理中測(cè)量?jī)x表包括：示波器、頻譜儀、功率計(jì)和頻率特性測(cè)量?jī)x等，利用它們測(cè)量雷達(dá)頻綜器輸出頻率穩(wěn)定性和頻譜純度、雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻域特性、雷達(dá)發(fā)射機(jī)的功率特性和接收機(jī)頻響曲線等。

1.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)改變、測(cè)量?jī)x表參數(shù)改變、實(shí)驗(yàn)方法改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響等，這里給出幾個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)安排的例子。

1.2.1 噪聲系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

噪聲系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)是為了使學(xué)員理解噪聲系數(shù)的物理意義及其影響噪聲系數(shù)的因素，具體實(shí)驗(yàn)包括如下內(nèi)容。

（1）將接收機(jī)主電路中射頻放大器和射頻濾波器的位置互換，比較兩種電路噪聲系數(shù)的測(cè)量結(jié)果;

（2）改變RF-STC（射頻靈敏度時(shí)間控制電路）的衰減量，比較各種不同衰減量條件下的噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果;

（3）改變IF-STC（中頻靈敏度時(shí)間控制電路）的衰減量，比較各種不同衰減量條件下的噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果;

（4）分析比較影響噪聲系數(shù)的因素，總結(jié)接收機(jī)低噪聲系數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

1.2.2 相位噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)

相位噪聲是衡量頻率源輸出頻率短期頻率穩(wěn)定度的重要技術(shù)指標(biāo)，利用頻譜儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，但頻譜儀的參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大，因此可以通過(guò)改變頻譜儀設(shè)置參數(shù)觀察測(cè)量結(jié)果。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。

（1）將頻譜儀的RBW（中頻帶寬）和VBW（視頻帶寬）設(shè)置為不同值，測(cè)量信號(hào)功率值和偏離信號(hào)頻率100kHz位置處噪聲功率值;改變RBW和VBW的設(shè)置值，計(jì)算不同設(shè)置參數(shù)條件下相位噪聲值，并比較測(cè)量結(jié)果;

（2）將頻譜儀的RBW和VBW設(shè)置為相同值，測(cè)量信號(hào)功率值和偏離信號(hào)頻率100kHz位置處噪聲功率值;改變RBW和VBW的設(shè)置值，計(jì)算不同設(shè)置參數(shù)條件下相位噪聲值，并比較測(cè)量結(jié)果;

（3）通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，分析測(cè)量相位噪聲時(shí)，RBW和VBW參數(shù)設(shè)置原則。

1.2.3 臨界靈敏度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

臨界靈敏度是衡量不同接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，是雷達(dá)接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，其測(cè)量方法通常有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法，直接測(cè)量法通常采用等信號(hào)法，其中關(guān)鍵的一步是如何讓信號(hào)源輸出功率為零。具體內(nèi)容如下。

（1）斷開(kāi)信號(hào)源與接收機(jī)之間連接饋線，記錄測(cè)量結(jié)果;

（2）連接信號(hào)源與接收機(jī)之間連接饋線，打開(kāi)信號(hào)源，將信號(hào)源的衰減量設(shè)置為最大值，記錄測(cè)量結(jié)果;

（3）連接信號(hào)源與接收機(jī)之間連接饋線，關(guān)閉信號(hào)源，記錄測(cè)量結(jié)果;

（4）比較分析不同測(cè)量條件下的測(cè)量結(jié)果，總結(jié)各種使信號(hào)源輸出為零的方法優(yōu)缺點(diǎn);

（5）比較直接測(cè)量法和間接測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果，分析測(cè)量結(jié)果不同的原因。

1.3 綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)是為了讓學(xué)員理解雷達(dá)的工作過(guò)程，掌握關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的頻率和功率變化。因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括雷達(dá)回波信號(hào)模擬、接收通道的設(shè)計(jì)和回波信號(hào)處理等內(nèi)容。

1.3.1 雷達(dá)回波信號(hào)模擬實(shí)驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的P波段信號(hào)發(fā)生器模擬不同距離單元、不同RCS大小、不同徑向速度的目標(biāo)或雜波，并選擇不同信號(hào)形式，包括單載頻信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)等。

1.3.2 接收通道設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

將模擬的雷達(dá)回波信號(hào)輸入到雷達(dá)接收機(jī)，合理設(shè)置雷達(dá)接收機(jī)RF-STC和IF-STC衰減量，確保雷達(dá)接收機(jī)能正常工作，并對(duì)中頻輸出信號(hào)直接采樣，將中頻采樣結(jié)果輸出到終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。

1.3.3 回波信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)

編程采用不同方法對(duì)中頻采樣信號(hào)進(jìn)行I、Q分離，對(duì)I、Q通道數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮、雜波抑制等處理。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)概述

為支撐上述三種層次的實(shí)驗(yàn)，必須構(gòu)建完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為L(zhǎng)波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和P波段雷達(dá)接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。L波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括L波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)箱、頻譜儀、示波器和功率計(jì)等。P波段雷達(dá)接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括P波段雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)箱、P波段雷達(dá)接收機(jī)實(shí)驗(yàn)箱、掃頻儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器和終端計(jì)算機(jī)等，其組成框圖見(jiàn)圖1所示。

2.2 L波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)箱

L波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)箱主要完成的功能如下：一是用于頻率源特性參數(shù)的測(cè)量;二是用于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)形式及其脈沖波形的測(cè)量;三是用于固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率特性的測(cè)量。

L波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)箱由波形產(chǎn)生模塊、開(kāi)關(guān)濾波器模塊、上變頻模塊、功放模塊、頻率源模塊、控制保護(hù)模塊和電源模塊等組成，其原理框圖如圖2所示，其中功放模塊的原理框圖如圖3所示。

2.3 P波段雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器實(shí)驗(yàn)箱

P波段雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)箱主要完成的功能如下：一是利用DDS波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生復(fù)雜多樣的雷達(dá)信號(hào)波形;二是可模擬產(chǎn)生雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)，用于接收機(jī)通道接收性能和增益控制性能的分析實(shí)驗(yàn);三是可產(chǎn)生不同點(diǎn)頻連續(xù)波信號(hào)，用于接收機(jī)臨界靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量;四是可對(duì)接收機(jī)30MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，將數(shù)據(jù)傳送給終端計(jì)算機(jī)用于后續(xù)信號(hào)處理。

P波段雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器由數(shù)字收發(fā)模塊、上變頻模塊、顯控模塊、步進(jìn)衰減、電源等模塊組成，其原理框圖如圖4所示。

2.4 P波段雷達(dá)接收機(jī)實(shí)驗(yàn)箱

P波段雷達(dá)接收機(jī)實(shí)驗(yàn)箱主要完成的功能如下：一是用于雷達(dá)接收通道靈敏度和噪聲系數(shù)的測(cè)量;二是用于增益和動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量;三是用于接收機(jī)濾波特性的測(cè)量;四是用于模擬正交鑒相電路性能的測(cè)量;五是用于對(duì)數(shù)放大視頻檢波性能的測(cè)量。

P波段雷達(dá)接收機(jī)實(shí)驗(yàn)箱主要接收前端、中頻接收、頻率源及其電源組成，其中接收前端包絡(luò)高頻放大器、數(shù)控衰減器、射頻濾波器、混頻器1、混頻器2組成，中頻接收由數(shù)控衰減器、線性中放、I/Q正交鑒相、對(duì)數(shù)放大器組成，其原理框圖如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)收發(fā)原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)使得學(xué)員能夠較快地建立雷達(dá)頻綜器、雷達(dá)發(fā)射機(jī)和雷達(dá)接收機(jī)的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)課堂理論教學(xué)內(nèi)容的理解，還可以開(kāi)展設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)員綜合能力素質(zhì)。本文討論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以開(kāi)展各個(gè)層次的各種實(shí)驗(yàn)，為雷達(dá)收發(fā)原理的課堂教學(xué)起到了良好的輔助作用。三個(gè)期班教學(xué)實(shí)踐證明，基礎(chǔ)性教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使絕大部分學(xué)員基本掌握儀表的操作使用、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法和雷達(dá)收發(fā)分系統(tǒng)的組成;設(shè)計(jì)性教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使大部分學(xué)員掌握影響測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)結(jié)果的因素，綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使基礎(chǔ)較好的同學(xué)透徹地理解了雷達(dá)的工作過(guò)程及其雷達(dá)各分系統(tǒng)之間的關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：汪楓（1974—?），女，湖北安陸人，副教授，教研室主任，空軍預(yù)警學(xué)院預(yù)警技術(shù)系系統(tǒng)與機(jī)電技術(shù)教研室，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)信號(hào)處理研究。