雷达发射机（共7篇）
雷达发射机 篇1
1 发射机的工作原理
脉冲雷达发射机主要由发射配电电路、监控分机等10个部件组成, 图1为脉冲雷达发射机的简化示意图[1]。发射配电电路输入电源频率为50HZ, 电压为380V, 电流经由电路进行分配, 输送到各分部件中, 最终输出频率为50HZ, 电压为220V或380V的电流。如某些设备所需电压较大, 雷达发射机可作为电路中的保护装置使用, 发挥断相保护的作用。
2 脉冲雷达发射机故障及处理方法
2.1 欠压故障
引起欠压故障的原因有很多, 归纳起来主要有以下几点:当阴极调制器出现故障, 或是阴极调制器工作无电压时, 虽然偏压显示器能够正常工作, 但输出的电压却不高;速调管阴极或是高压电源端出现短路现象时, 会引发欠压问题;整流管破损或是调制管击穿, 也会出现欠压故障[2]。因此, 在出现欠压故障时, 要对上述问题进行逐一排查, 明确问题点, 进而排除故障。
针对欠压问题, 应采取的保护措施为:在控制回路加设电压保护装置。一般来说, 发射机如果出现欠压故障会自动进入保护状态, 偏压或是欠压现象都会引起速调管电流过大而烧毁。
2.2 高压故障
高压故障常见有以下三种现象:高压欠压、高压过流以及高压打火。电压打火故障在电压过高的情况下极易发生。当出现高压故障时, 首先对高压连接线进行排查, 而后对闸流管进行排查;其次对人工线电容进行排查。因此, 在对发射机进行整机调试时, 用来指示高压的电位器应尽量让其保持在校准状态, 不要进行调动, 以免发生事故。高压欠压在对板极电压进行取消后, 高压指示即为正常。在高压过流状态下, 调速管理在高电压的作用下极易出现电火花, 此时可采取加空高压的措施进行解决。
2.3 速调管故障
速调管具有通道多, 结构繁复的特点, 且管内用来流通电子注的通道比较窄小, 在此情况下, 电子注若要对准阴极栅则很难实现, 加之阴极电流比较密集, 并且与控制极的间隔比较小, 当与大功率相遇时, 就会产生打火问题。对于发射机来说, 速调管是其核心部件之一, 在工作时, 或多或少会其受到其他部件的影响, 致使高压表和电流表均无法显示数值。当这种问题出现时, 应首先对保险丝进行排查, 检查其是否没有损坏。保险丝溶断或是接触不好都会出现上述故障;而后再对调压器的电压进行测量, 如果电压数值不正常, 则对调制器的以及前几级的电源电路进行检查;对调制器内的整流器和阻流圈进行检查, 如有扣坏, 则应予以更换。
2.4 闸流管和磁控管故障
对闸流管理和磁控管故障进行排查时, 应首先关闭高压, 而后对指针变化的速度进行观察, 如指针变为0比较缓慢, 则发射机的电容放电缓慢, 说明故障源头是放电电路, 针对这一问题, 应采取以下措施进行处理:对预设器导通前后的脉冲进行测量, 比较两组数值是否一致, 如相同可见闸流管已报废, 需更换。如数值不同, 则检查是否存在其他触发脉冲。如指针变为0十分迅速, 则触发脉冲和回路皆没有故障, 此时可按以下方法排查故障:首先对磁控管进行预热, 而后测量与磁控管相连的灯丝是否有电压, 而后, 如果测量出的灯丝电压值偏高, 则表明磁控管振荡器已报废, 需更换。
3 结论
综上所述, 通过对雷达发射机常见故障的分析, 我们了解到在对雷达进行拆机检修时, 应先将负载断开, 以避免高频辐射, 而后分别对发射控制、电源等相对来说比较容易检修的部件进行检测, 如仍未排查出故障的明确原因, 则对脉冲变压器和磁控管理进行检修, 排查故障。在检修比较少见的故障时, 应遵循“通路排查”原则, 检查发射触发是否通路、高压控制是否通路、脉冲高压输出是否通路, 对这些电路进行逐一排查, 明确故障点, 进而排除故障。
参考文献
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雷达发射机 篇2
关键词：功率管,失效,故障归零
作为固态发射机的核心器件, 微波功率管具有单价高、易失效等特点, 由于装机数量可观, 其成本占据了固态发射机总成本的一半以上。工程实践中, 任何器材在生产、加工、调试阶段都有一定比例的失效率。但由于微波功率管属于贵重器材, 在失效后尤其是异常失效后, 对故障进行原因分析, 落实解决措施以及实施故障归零, 降低后续批产失效率, 具有明显的经济效益和社会效益。该文结合批产过程中的一次功率管较大量集中失效故障, 探讨其故障原因的分析及相应改进措施。
1 现象描述及故障定位
某固态发射机在正常老练过程中, 其输出总功率突然下降了1k W, 然后再次迅速下降了0.5k W, 并暂时稳定。同时伴随着发射机总电流下降约40A。
上述故障现象出现时, 该套发射机已累计正常工作约60h。
该固态发射机由三级放大链路组成, 第一级和第二级为前级组件和末前级组件, 均为单行驱动, 第三级为末级组件, 由多路合成。根据上述现象, 可以初步判定, 导致发射机功率下降可能原因有:一是第二级的末前级组件输出功率下降, 导致第三级欠激励;二是第三级有多路末级组件的输出功率下降。
1.1 检测驱动级
固态发射组件驱动级一般由前级组件和末前级组件构成。通过相应工作, 很容易排除驱动级故障。
1.2 检测放大级
数据见表1所示。
从测试数据看, 有多路末级组件输出功率小于指标1.4要求, 损失的功率合成值也与之吻合。因此, 可以初步将故障隔离在发射机放大链路第三级;造成发射机功率下降、电流下降的原因是放大级组件输出功率下降所致。
1.3 进一步检查
将失效的放大级组件返工, 作进一步检查。发现这些组件里均有功率管失效, 同时伴有其输出端隔直电容炸裂现象。
因此, 故障原因进一步准确定位在放大级组件功率管失效所致。
2 故障原因分析
固态发射机放大级组件功率管是一种电流控制型器件, 借助分布元件的频响特性构建具有不同直流、交流等效电路模型的匹配电路, 设置合适的静态工作点, 采用共基模式下将射极的小信号放大通过集电极输出。
2.1 功率管失效分析
造成功率管失效一般有如下几种情形: (1) 功率管自身缺陷; (2) 过激励; (3) 输出端驻波大; (4) 散热不畅导致的热击穿; (5) 工作电压异常导致PN结击穿。
借助故障树模型, 逐步排除了 (1) (2) (4) (5) 等四种可能原因。在原因 (3) 的分析中, 故障信息显示:在8只失效功率管中, 有7只对应的隔直电容炸裂。
由于功率管失效后, 其后的隔直电容上的负荷会急剧降低, 而通过相邻功率管耦合过来的微波功率造成其失效的可能性极低, 工程上一般忽略此因素。事实上, 功率管失效后, 其后隔直电容一般不会作为次生故障而失效。通常的情况是, 隔直电容失效后, 单只功率管输出功率形成局部全反射, 极容易导致该功率管的失效。
工程实践中, 这一因素也是造成功率管失效的主要因素之一。
2.2 输出端驻波大原因初步分析
由于功率管工作时, 其直流电路模型和交流电路模型存在显著差异, 通常两种电路借助功率管输出端的隔直电容进行隔离和联系。该电容特性是隔离直流, 低阻抗通过交流射频信号。在其发生打火的情况下, 极容易造成输出驻波恶化, 极端情况下, 隔直电容炸裂, 形成全反射, 导致功率管失效。
为此, 对上述故障组件在显微镜下进一步检测。结果显示, 隔直电容存在虚焊现象, 如图1显示。
在大功率工作情况下, 此类虚焊点是常见的打火点, 从而引起输出端驻波恶化, 进而造成电容失效, 以及对应功率管的进一步失效。
2.3 最终原因
通过上述分析, 造成上述故障的根本原因是:隔直电容存在焊接缺陷, 其输入端驻波显著增大, 形成打火点, 造成微波功率管输出端驻波恶化;随着长时间工作, 驻波进一步恶化, 进而导致与其匹配的微波功率管失效。
3 问题复现
为了进一步验证定位的准确性和机理分析的正确性, 需要对故障现象复位。考虑到微波功率管属于贵重器, 进行失效故障重现成本过于高昂, 工程上采用替代验证法, 用矢量网络分析仪测试微波功率管输出端的隔直电容在焊接良好和焊接缺陷两种情况下的驻波。数据如表2所示。
从表中数据可以看出, 隔直电容存在焊接缺陷时, 其输入端驻波显著增大, 形成打火点, 造成微波功率管输出端驻波恶化;随着长时间工作, 驻波进一步恶化, 进而导致与其匹配的微波功率管失效。
因此故障定位和失效机理分析是准确的。
4 解决措施及效果验证
4.1 解决措施
针对隔直电容虚焊的问题, 从解决已出现的问题及后续改进两个方面进行改正:
(1) 整批次固态组件所配装的隔直电容全部从新领用更换;
(2) 在焊接工艺中增加辅助加热焊接方式, 提高焊点饱满度;
(3) 增加关键部位焊点显微镜检测流程, 及时消除隐患。
4.2 效果验证
解决措施落实后, 重新恢复放大级组件, 并进行了验证性老练试验。老练试验结束后, 测试固态发射机各项指标均正常;无类似故障重现, 措施有效。
5 结语
微波功率管是固态发射机的核心器件, 其可靠性直接决定了固态发射机的可靠性。降低其失效率, 既可以降低批产成本, 提升产品的经济效益, 同时还能提高产品的可靠性, 创造出更多的社会效益。
故障归零正是达到上述多重效果的必要手段和选择。通过故障归零, 准确定位故障原因, 消除类似故障隐患发生, 降本增效, 真正实现技术归零的初衷和目的。
参考文献
[1]王文, 关涛, 李毅.714CDN天气雷达发射系统原理及常见故障分析与处理[J].内蒙古气象, 2004 (3) :49-50.
[2]吴鹏飞, 汪学渊, 袁小燕.新一代天气雷达发射机故障诊断分析[J].网络安全技术与应用, 2014 (7) :108-109.
雷达发射机 篇3
关键词：阴极高压电源,发射机,空投型雷达
现代战争对陆军全地域和高机动性的作战能力提出了较高的要求,在精确空投技术和大负荷空投技术迅速发展的基础上[1],为实现陆军装备快速部署,急需研制空投型炮位侦校雷达。在空投环境中载荷体积重量有限,而且还带来强冲击和低气压环境等不利因素,对于某空投型雷达的关键部件发射机而言,在其小型化和可靠性方面提出了严格的考验。为提高空投雷达发射机的工作效率,选用了进口多降压收集极栅控行波管作为射频放大机,其工作电源有灯丝电源、正偏压电源、负偏压电源、阴极高压电源以及两个收集极高压电源等。研制的多降压收集极栅控行波管发射机框图,如图1所示。
虽然增多收集极数目可以提高行波管的工作效率,但这对高压电源的控制却带来一定困难[2]。其中,阴极高压电源的电压高,其稳定度和纹波直接影响发射机射频输出的频谱纯度,在发射机电源中对发射频谱影响最大;收集极高压电源功率较大,其精度和稳定度指标要求相对宽松,而且为了精确调整多降压收集极行波管发射机的工作点,还需要单独调试收集极电压。因此,抛开以前单降压收集极行波管所常用的单个高压电源输出阴极和收集极多路高压的形式,发射机高压电源采用了新的设计方案,分别研制独立的阴极高压电源,以及独立的收集极高压电源,并且阴极高压电源采用了新的串级式倍压方式输出高压。实践证明,这种方法行之有效,使行波管工作点的调试更加精确和便捷,同时提高了发射机的整机效率和可靠性。
1 整体方案
1.1 性能指标
输出电压15 kV,输出电流>10 mA,工作效率>90%,满足低气压环境下高压绝缘要求,海拔4 000 m下大气压为61.5 kPa,容差±1 kPa。此外,要求耐冲击指标为X、Y、Z 3个方向、峰值加速度30 g、持续时间25 ms;阴极高压电源重量要求<10 kg,且具有较高的抗振和散热性能。
1.2 系统方案
阴极高压电源采用高频开关电源形式,以驱动能力较强、效率较高的全桥谐振逆变器作为主电路形式[3]。阴极高压电源原理如图2所示,它采用二次升压技术,即通过高频隔离变压器的一次升压和串级倍压电路的二次升压得到阴极高压输出。这样,一方面可以降低对高频隔离变压器和高压电路元件的耐压要求,减少高频隔离变压器的次级匝数,降低变压器的设计难度[4];另一方面高压电路元件可以直接选用成熟的货架产品,不必专门定制,提高系统可靠性并缩短研制周期。
1.2.1 全桥控制保护电路
使用SG1525加驱动脉冲变压器作为全桥PWM控制电路,对阴极高压输出采用高压电阻分压器取样,对高频隔离变压器的初级电流取样,并把取样信号送往SG1525进行反馈闭环控制。同时,还设置了有效的阴极电流检测和过流故障保护电路,确保行波管安全工作。在所有开关电源逆变拓扑中,全桥逆变电路功率输出大,且逆变电压高,可减少高频变压器的初级匝数。
1.2.2 减小阴极高压电源高频纹波
雷达发射机频谱的寄生调制边带,会造成检测电路中出现虚假目标,降低雷达系统在杂波背景下的可见度。行波管各极电源相位调制灵敏度中,阴极电源的相位调制灵敏度最大。也就是说,阴极电源纹波对行波管放大器频谱纯度的影响最大[5]。因此,滤除阴极高压电源的高频纹波是关键。这可以通过两个有效方法实现:一是增大储能滤波电容;二是提高逆变频率。为消除纹波,经常使用大容量的电容器进行滤波,但必须权衡电容器的容量上限,以确保放电能量低于行波管的最大承受能量值。
另外,从发射机测试的频谱来看,寄生输出处正是高压电源的逆变频率。由于行波管电源纹波的频率取决逆变频率,逆变频率采用100 kHz,其相位噪声峰将相隔200 kHz,离开载频距离很远,对整体来说相位噪声则小得多。因此,在器件性能和工作条件许可的条件下,提升阴极高压电源的逆变频率,可以改善发射机频谱纯度,且利于阴极高压电源的小型化和逆变效率提高。
1.2.3 全桥逆变器的软开关谐振
高压开关电源的开关管工作在开关状态,大幅提高开关频率,就可以提高变换效率。在原20 kHz左右硬开关工作方式时,开关损耗较小,在开关频率提高后,已变得十分严重。将传统的PWM技术与谐振技术相互结合,采用软开关谐振变换技术,实现了零电压状态的开关变换,有效解决了高频条件下的开关损耗问题,极大地减小阴极高压电源的体积、减轻重量,并减少对散热系统的技术压力[6],为发射机的小型化提供必要的基础。文中采用变压器的漏感和MOSFET的结电容以及谐振电感构成谐振电路。
1.2.4 串级式输出高压
以往高压电源的高压隔离变压器通常只有一个次级,随着输出电压增高,次级绕组电压变得更高,同时高耐压的高压电路元件稀少且昂贵,这些都增大了设计难度。而阴极高压电源采用新的串级式倍压输出形式,即采用一个高压变压器输出多个串联的次级绕组,每个次级绕组可以选用较大功率的整流电路,然后将它们的输出端串接在一起,相当于将多个高压电源串接在一起,这样每一路都可选用耐压要求低的元器件,容易在货架产品中选型。此外,高压变压器次级为多个串联绕组,每个绕组耐压要求低,也简化了高压绝缘要求。这为解决大功率高输出和对发射机占空比适应性宽提供了很好的解决途径。串级式输出阴极高压电源的效率高、功率密度大,对发射机占空比适应性宽,研制周期短,有利于提高发射机的系统性能。
2 阴极高压电源的工程实现
2.1 主电路关键元件的选定
(1)半导体功率开关器件的选定。
阴极高压电源逆变频率较高,因此全桥电路中功率开关器件选择MOSFET。根据峰值功率估算谐振回路中的峰值电流和平均电流并考虑到足够的余量,选用IR公司峰值电流500 V/20 A的IRF460,就能够满足阴极高压电源功率转换电路可靠工作的需要。
(2)谐振电感。
根据对全桥电路的分析,要提高阴极高压电源的效率,就必须减小开关损耗,实现MOSFET的软开关,于是谐振回路的谐振电感量就成为关键因素[7]。要实现MOSFET软开关的必要条件是,储存在谐振电感中能量,必须要大于在最大过渡时间内储存在MOSFET输出电容和变压器初级绕组电容中的能量的总和,谐振回路中的能量转换可表示为
功率开关管等效电容是非线性电容,其值可表示为
其中,Cmos为MOSFET的结电容,已知IR460的结电容为860 pF,可以求得谐振电感为
实际取谐振电感240 μH。
(3)高频隔离变压器。
阴极高压电源的高频隔离变压器,采用相应功率容量大且损耗低的高频非晶矩形磁芯。初级绕组匝数
取整数为11匝,考虑到变压器的损耗以及在电网电压最低时也应当保证高压输出值保持在15 kV,选择初级绕组匝数为16匝。因为采用串级式高压电路,由5个二倍压电路串联输出高压,所以次级绕组可以分为5个相同并互相隔离的次级小绕组,以其中一个小绕组匝数的计算为例。
次级绕组电压为
初次级绕组匝数比为
当初级绕组取16匝时,次级小绕组为
高频隔离变压器的处的工作频率较高,为减少集肤效应产生的铁损,减低铁芯温升,因此选用0.2 mm的铜箔制作初级绕组,共15匝;次级绕组选用0.2 mm的漆包线绕制5个相同并互相隔离的小绕组,每个105匝。
(4)高压整流二极管。
高压整流二极管是倍压电路的重要元件,选定原则有3个:高压输出平均电流、耐压余量、反向恢复时间。因为阴极高压电源采用串级倍压电路输出15 kV高压,使用了5组二倍压整流电路串联,每组倍压电路只承受3 kV电压,所以大大降低了对高压整流二极管的耐压要求,只要选择1.5倍以上耐压即可。高压整流二极管的耐压要求降低后,就选择输出平均电流大,反向恢复时间短的型号,以降低二极管的导通损耗,选择5只1 000 V/1 A/75 ns的快恢复二极管串联就能满足使用要求。
(5)高压储能电容。
选择阴极高压电源的高压储能电容器时,在满足耐压值前提下要尽量滤除输出高频纹波。设整机效率η,输出峰值功率Pout,脉冲占空比D,则输出的脉冲电流为
设当最大脉宽为τ时,储能电容的顶降不大于2%,则可以求得储能电容的容量为
实际取高压储能电容为20 kV/0.2 μF。
2.2 结构设计
由于该空投型雷达发射机直接安装于雷达天线的背面,其体积和重量都受到严格限制,并且在空投及落地阶段冲击振动强烈。所以阴极高压电源的小型化和抗振设计就成为结构设计所关注的重点,以下是阴极高压电源结构设计的特点。
(1)高低压分别在两侧布局。
阴极高压电源的内部钎焊有铝合金隔板,将高低压电路分开在两边布局,充分利用空间互不干扰,如图3所示。在隔板上安装有穿墙插座,实现了高低压电路之间的有效电气连接。
(2)真空钎焊铝合金壳体。
阴极高压电源采用轻巧坚固的铝合金外壳,由真空铝钎焊工艺完成。钎焊的壳体确保很高的结构强度,其密闭性不仅在高压灌封时防止漏胶,还避免了孔缝泄漏电磁干扰的影响。
(3)铝钎焊散热器底板。
阴极高压电源的散热器底板散热面积大且重量轻,外加铝保护薄板不易变形。它接入发射机机箱的散热风墙通道,整机散热效果良好。
(4)导热绝缘胶干式固态封装。
考虑到高海拔和高冲击振动环境适应性的需要,采用导热绝缘胶干式固态封装方式[8,9]。将高压侧全部用双组份导热硅胶TPS-213-H进行真空灌封,并加热固化与外壳凝结成一个整体,有良好的高压绝缘强度。该胶液态时流动性强使真空消泡用时短,固化后能把高压电路及高压隔离变压器的热量迅速传导至外壳,同时固化后的弹性还对冲击振动有一定缓冲作用。
3 结束语
介绍了一种多降压收集极栅控行波管发射机的阴极高压电源设计,如图4所示。其效率最高达到94%,重量<5 kg,输出电压纹波以及抗冲击振动性能均能很好地满足指标要求。目前,该阴极高压电源已经成功应用在某空投雷达发射机系统,交付总站工作状态良好,并顺利通过空投试验。
阴极高压电源提高效率和小型化设计的成功,为空投雷达发射机的小型化提供了必要条件。在研制过程中,采用软开关谐振技术减少功率开关管损耗,以串级倍压电路输出高压,简化设计提高系统可靠性,并对强冲击、低气压环境具有很好的适应性,这将对今后发射机高压电源进一步优化设计提供技术支撑。应开展串级倍压输出多路高压、进一步提升高压电源效率、以及高压电源大功率输出等方面研究,适应发射机系统多样化功能的需求。该阴极高压电源小型化效果好、功率密度大、对发射机工作比适应性宽、研制周期短,有利于提高发射机系统的功率容量、效率和频谱质量。
参考文献
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雷达发射机 篇4
发射监控的保护对象可分为发射机和发射冷却,新技术的发展使发射监控的技术不断进步,发射监控的工作范围也不断扩大,已不是单一的控制保护,而是发展成集定时、状态显示、采样以及与总体的数据交链于一体的多方位的工作。
1 发射监控各种控制方式的特点[1]
发射机按产生大功率射频能量所采用器件的不同可分为全固态发射机和电真空器件发射机,按发射机用途和应用平台可分为地面、机载、星载、舰载等。不同种类的发射机需要的保护监测点、通信和开关机程序不一样,对监控分机的体积、功能也有不同的要求,因此所采用的监控电路也是不同的。目前发射机监控按所采用的处理器特点可分为:机械控制(按键开关+继电器的形式)、嵌入式计算机(单片机、DSP、PC104、ARM等)、工控机(通用工业用计算机、军用加固机等)、PLC等。我们根据各类器件的特点将它们应用于不同工作领域的发射机。
1.1 固态发射机的监控系统
固态发射机的构成一般是由一个前级组件驱动若干个末级组件,再将所有末级组件的输出功率合成后作为发射机的整机输出功率。其控制逻辑相对简单,由于每台发射机的功放电路和电源数目不尽相同,且要求有互换性,在通常的设计中总是每个部件配置一个相应的BITE(机内测试)盒,用于检测该部件的工作状态。相对薄弱的前级放大器则采用双机系统冗余方案[2]。因此,固态发射机的监控系统通常由BITE盒、双工控制单元、主控单元组成,该类发射机监控系统典型框图如图1所示。
主控单元多采用单片机或PC104等控制器,与主控台通信通过RS-422或CAN总线方式。单片机优点是体积小、成本低、抗振动冲击能力强,缺点是抗干扰能力较差,人机界面不友好。PC104嵌入式计算机模块系列是一种低成本、能迅速配置成产品的结构化模块。该模块抗干扰能力强、兼容性好、易于升级、软件资源丰富,所有在PC上能运行的软件都可在工控机上运行,通信组网功能强大、支持各种通信方式,可靠性高、电磁兼容性好,缺点是抗振动冲击能力低、体积大、价格高。
1.2 真空管发射机监控系统
真空管发射机监控系统多采用工控机和PLC(可编程逻辑控制器)。由于工控机抗干扰能力强、功能强大,多用于发射机控制台,而PLC因为采用了模块化设计,各种接口形式的模块非常齐全,可根据需要选用模块种类和数量。真空管发射机主要由高压电源、调制器、高频放大系统和冷却系统等组成,与固态发射机相比,需保护和监测点增多,如各种高低压过/欠压
和过/欠流、管体过流、反峰过流等。目前真空管发射机的监控系统大部分是集中控制式,即各分机内部都有相应的控制板来获取其本身的故障和模拟量信号,同时接收发射监控送出的使能和复位信号。真空管发射机监控系统框图如图2所示。
1.3 发射机冷却系统的控制保护
冷却系统的监测量以模拟量居多,过去冷却电控箱都采用继电器联锁电路,该电路结构简单、可靠,但存在着人机界面不友好、控制方式不灵活、无远程数据接口的缺点,而且随着控制复杂度的增加和需检测信号量的增多,体积也增大。现采用PLC对压力、温度、流量和液位等各种模拟量采集和取样,通过在触摸屏上显示和操作,具有实时流量、温度、压力和液位数据以及各故障下传的功能,有效地解决了以上问题,与之前相比,对冷却系统的控制向自动化方向前进了一大步,大大提高了发射机的整机水平。
2 发射机监控的发展与应用
发射机监控的主要功能可分为实时监控和智能处理两个方面。实时监控是指实时采集发射机工作时的各种参数(开关量和模拟量)送到上位机,且在上位机完成控制和保护动作的输出;智能处理是指根据预先设定好的数据和程序,对采集的数据进行定性、定量分析及对故障进行严重性分析,并按要求做出故障显示、定位、保护甚至在出现大的损坏前提下作出处理。
多年来,发射机监控技术从最初的继电器控制电路到嵌入式控制器及PLC,随着新型控制器件的不断问世,得到了很大的发展。但与国外先进的设备相比,发射机监控无论是在自动化、智能化还是在数字化水平上还有很大的上升空间。由前面的分析可看出:目前监测点的取样还是依赖于继电器、光耦、分压电路、互感器或者电量传感器等,得到的仅仅是通断信号及各种模拟量,信息量太小,或者说现在发射机监控的工作还是侧重于开关机控制逻辑、故障保护和模拟量采集等。从如何增加信息量、提高采样的精度、对信息的分析判断以准确定位故障点等方面入手,来提高发射机的自动化和智能化水平,以适应现在高速发展的电子信息时代的步伐,是发射机监控未来发展的方向,因此,应从丰富发射机监控功能和使用当代新技术两方面突破。
2.1 发射机功能的发展方向
a) 使发射机更加智能化、数字化。由于模拟电表的形象化和数字表头的准确性,结合实际情况选择使用数字电表和模拟电表,不断提高电表受高压脉冲干扰的能力。
b) 增加取样监测点、提高采样准确性和信号传输的抗干扰能力,使监控系统具有诊断功能,故障定位到可更换单元并能提前对可能出现的问题进行报警。
c) 使用可视化编程软件使发射监控的人机界面上显示工作流程和故障状态,这样界面更加友好和形象化。
2.2 发射机监控应用新技术的发展方向
a) 在发射机中采用ARM处理器来实现对电压、电流、开关量等多种物理量的数据采集,使采样的速度更快、数据更准确和精度更高。由于ARM体系微处理器具有很高的性能,在工业控制领域中的使用日益广泛。ARM使用单一的处理器内核提供了微处理器、 DSP应用系统的解决方案,极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度,提供了增强的DSP处理能力,很适合于那些需要同时使用DSP和微处理器的应用场合。
b) 由于PLC采取了有效的电位隔离、瞬态抑制及滤波等抗干扰技术,更适合于强电磁干扰环境中使用,目前已发展成为最可靠的控制器之一[3]。由于现在的发射机对监控的要求越来越精细化,控制的要素也越来越多,它可在不增加体积的条件下,通过选用不同的模块,有效地增加监测和控制点数,即增加监测密度。同时,PLC具有良好的可扩展性,从一体机到分布式控制系统都提供了切实可行的解决方案。近两年OMRON公司新推出可自由拼装的PLC,该模块不需要底板,允许单元灵活组合,满足了紧凑和通用的要求,使整体尺寸缩小,而且留出了空余位用于将来扩展。该模块的另一大优点是将程序写入小型存储卡时不需要PLC,该卡可在PC卡槽中使用,而大部分笔记本计算机都装有这种卡槽,因此不需要专门的外围设备,使调机过程更方便。
c) 由于DSP是专门用于数字信号处理的,与单片机相比,DSP器件不仅具有较高的集成度,而且计算能力强大,运算速度快,可以提供高速同步串口、标准非同步串口和CAN总线接口,有的片内集成了A/D和采样、保持电路,且提供PWM输出。在固态发射机组件功率检测、冷却风机转速控制和高压电源的驱动控制等方面提供了方便的实现方式,提高了控制精度。
d) CPLD和FPGA等数字器件的更广泛使用。CPLD (复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程门阵列)都是可编程逻辑器件,它们的规模比较大,适合于时序、组合等逻辑电路的应用,这种芯片具有可编程和实现方案容易改动等特点。因而在可编程门阵列芯片及外围电路不变的情况下,只需改变芯片内部的程序,就能实现一种新的功能。
e) 现场总线的推广。现场总线既是一个开放通信网络,又是一种全分布控制系统,可实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、监控和显示等综合自动化功能。现场总线是通信总线在现场设备中的延伸,采用这种技术,可以将现场的各种设备和控制系统之间,通过同一总线进行双向多变量数字通信。现场总线具有以下优点:一对N结构,这种结构组建简单,费用低,维护容易;可靠性高;互换性和互操作性;开放性。现场总线是开放互连网络,用户可以将其与网络互连,方便地共享网络数据库。在固态发射机中因为电源和组件数目众多,非常适合这种物理结构简单、编程方便的总线形式。
f) RTOS(实时操作系统)的应用。RTOS是帮助我们构成实时系统的有力工具,RTOS使我们从硬件同步、汇编语言水平,上升到软件同步、高级语言编程,让开发者大大节省了开发时间,而不必把时间都花在学习语言与系统上, RTOS具有低成本、高性能、可重新构造、易学易用、改变和增强系统方便、再开发周期短、升级换代能力强、可移植性强等特点。RTOS的应用对于提高发射监控系统的性能有很大帮助。
3 结束语
由于发射机是一个产生大功率发射信号的装置,需要在监控的稳定性和可靠性方面狠下功夫,提高监控电路的电磁兼容性,增强抗干扰能力,使发射机在各种恶劣的环境中都能安全可靠地工作[4]。
监控的稳定性和可靠性是发射机高质量的保证,监控的先进性则是发射机水平的一个标志。在信息化、智能化、网络化飞速发展的今天,必须时时跟踪国内外发射机的最新技术,及时捕捉发射机新技术对监控的专业需求牵引,及时掌握控制领域的新技术并尽快地将新技术应用于发射机的监控,使发射机的工作更加可靠,更加数字化和智能化。
摘要：由于发射机工作在高微波辐射、强电磁干扰的环境中,而发射机监控电路又是敏感度较高的小信号电路,因此发射机监控系统的安全可靠工作至关重要。随着新型控制器件的不断问世,发射机监控技术取得了突飞猛进的进步,发射机的监控电路正在向高度智能化、集成化、自动化方向发展。文中阐述了发射机监控各种控制方式的特点,给出了应用于不同领域发射机的典型监控系统框图,并就如何从丰富发射机监控功能和使用当代新技术两方面来提升发射机监控的水平提出了一些见解。
关键词：发射机监控系统,雷达发射机,PLC,DSP
参考文献
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雷达发射机 篇5
关键词：数字对消,自适应,发射泄漏
由于受到体积、重量、成本等限制,多数导引头采用单天线技术[1,2,3],导致收发隔离不足,使发射信号泄漏到接收机中,而信号泄漏可能导致连续波体制雷达接收机灵敏度下降,引起中放饱和、微波混频器或前置低噪声放大器饱和。
随着元器件的发展,毫米波前端器件的饱和功率,可达十几dBm以上,而在弹载环境中,连续波发射机功率一般在几百mW,因此,饱和不是主要问题,需重点解决泄漏导致接收机灵敏度下降问题。常用的射频对消技术虽然能有效地抑制发射泄漏信号,但在毫米波波段,没有矢量调制器可供使用,因此利用模拟的办法调整幅度和相位,难度较大。考虑到射频前端没有饱和,可以利用数字信号处理器数据处理能力强、准确灵活、通用能力强等优点,采用自适应数字对消技术使得由于收发隔离不足导致的发射泄漏信号得到最大限度的抑制。
1 自适应数字对消基本原理
自适应数字对消系统模型如图1所示。
在该模型中,接收机有两个独立通道:参考接收通道和主接收通道。参考通道对发射信号进行采样,主接收通道包含发射泄漏信号和目标回波信号。将主回波信号和参考信号分别送入中频自适应数字对消器,通过自适应调整参考信号的幅度和相位,使其与主路信号中发射泄漏信号幅度一致、相位相反,从而获得良好的对消效果。
自适应滤波器与普通滤波器不同,它的冲激响应或滤波参数随外部环境的变化而变化的,经过一段自动调节的收敛时间达到最佳滤波的要求。对消原理框图如图2所示[1,2,3]。
设主回波信号d(n)为目标回波信号s(n)与发射泄漏信号z(n)之和,x(n)为参考信号,x(n)与目标回波信号不相关,但与z(n)具有某种未知的相关性,x(n)经滤波后产生和z(n)极为相似的信号z'(n),最终得到系统的输出y(n)=s(n)+z(n)-z'(n)。
假设z(n)、x(n)及s(n)是零均值的平稳随机过程。s(n)与z(n)不相关。而
y2(n)=s2(n)+(z(n)-z'(n))2+2s(n)(z(n)-z'(n)) (1)
对式(1)两边取数学期望,由于s(n)与z(n)、x(n)不相关,s(n)与z'(n)也不相关,故
E[y2(n)]=E[s2(n)]+E[(z(n)-z'(n))2] (2)
信号功率E[s2(n)]与自适应滤波器的调节无关,因此,自适应滤波器调节使E[y2(n)]最小,就是E[(z(n)-z'(n))2] 最小。又因为z(n)-z'(n)=y(n)-s(n),所以当E[(z(n)-z'(n))2] 最小时,自适应泄漏信号抵消系统的输出信号y(n)与有用信号s(n)的均方差E[y(n)-s(n))2] 也最小,在理想情况下,z(n)=z'(n),则y(n)=s(n)。
自适应滤波器最重要的部分是自适应算法,算法可以根据输入、输出及原参量值,按照一定准则修改滤波参量,使自适应滤波器能有效地跟踪外部环境的变化。
目前,自适应滤波算法主要有以下3种[4,5,6]:
(1)基于维纳滤波器理论的最小均方误差LMS算法。该算法简单,运算量小,无需计算相关函数和矩阵求逆运算、易实现,在正确条件下可获得满意的性能。缺点是收敛速率较缓慢,对抽头输入相关矩阵的最大特征值与最小特征值之比变化敏感。即使这样,LMS 算法仍然应用广泛。
(2)基于最小二乘法的递推最小二乘法RLS算法。该算法优点是收敛速度快,跟踪能力强,但由于需要进行矩阵求逆,计算量比LMS算法大,使其应用受到限制。
(3)基于卡尔曼滤波理论的卡尔曼算法。其收敛性能好、跟踪能力强、收敛速率具有鲁棒性(Robust)。对输入相关短阵特征值不敏感;并且,该算法适用于平稳随机过程和非平稳随机过程。缺点是该算法直接使用卡尔曼滤波公式中的矩阵表示式,算法复杂、运算量大、数值稳定性差。
文中选择LMS算法完成自适应数字对消。
2 理论数据仿真分析
设发射泄漏信号与参考信号均为20 MHz的正弦波,目标回波信号为21 MHz的正弦波,数据采样率为200 MHz。仿真结果如图3和图4所示[7]。
图3中,第一行窗口为对消前包含发射泄漏信号与参考信号的主回波信号d(n),第二行窗口表示目标回波信号s(n),第三行窗口表示对消后输出信号,可以看出,经过自适应调整,对消后的输出信号已看不到发射泄漏信号,由此可见,该系统对发射泄漏信号有较好的对消效果,波形失真小。
图4是信号响应的频域波形,第一行窗口对应主回波信号d(n)的频域图形,第二行窗口对应对消后输出信号的频域图形,根据仿真结果,泄漏信号约减小了39.46 dB。
3 实采数据实验验证
利用双音信号实采数据对以上仿真结果进行实验验证,实验系统框图如图5所示。
信号源1代表目标回波信号,信号源2代表发射泄漏信号,信号源1与信号源2的和信号通过功分器进入主接收通道,信号源2耦合出部分信号进入参考通道,两通道信号分别进行A/D转换后进入信号处理器完成泄漏对消。
实验时,发射泄漏信号与参考信号均为20 MHz的正弦波,目标回波信号为21 MHz的正弦波,数据采样率为200 MHz。信号响应时域波形如图6所示。
图6中,第一行窗口表示主回波信号d(n),第二行窗口表示对消后输出信号,可以看出,对消后的输出基本上可以还原目标回波信号,波形失真小。
图7为图6所示信号对应的频域图形,为便于分析,将对消后信号频域图进行放大,如图8所示,经对比可知,泄漏信号约减小了32.23 dB。
实采数据实验结果相对于理论仿真结果,泄漏信号抑制能力减小7 dB,主要是由于实采数据比理论仿真数据复杂得多,并且考虑到工程应用对时效性的要求,系统滤波参数的调整达不到仿真时的理想精度,因此导致抑制能力减弱。
4 结束语
文中通过理论分析和实验验证证实,针对调频连续波雷达发射信号泄漏问题,通过自适应数字对消技术,可以有效地减小发射泄漏信号,降低泄漏信号对接收机灵敏度的影响。理论仿真与实验测试结果证明该方法有效可行。
参考文献
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雷达发射机 篇6
System Vue是美国安捷伦 (Agilent) 公司推出的一种专门针对电子系统级的仿真工具软件, 主要用于通信、雷达、导航和电子战等领域。它具有与外部文件相通的、开放的算法建模接口, 可直接获得并处理输入/输出数据, 可以与Matlab、C++、HDL、DSP、FPGA、ADS等其他软件互联使用, 支持多域化模型的设计框架。例如在System Vue建模环境中可以方便地直接调用Matlab, 扩展System Vue原生数学语言解释器, 支持Matlab的全部语法和功能;Matlab可通过System Vue获得额外的射频建模、射频物理层仿真及测试能力。和其他仿真软件相比, System Vue具有明显的优越性, 尤其在做射频模块方面:支持射频-基带联合仿真;支持数据流仿真;模块基本齐全, 可直接进行搭建。以上这些优点可满足雷达仿真的所有需求, 拥有非常广阔的应用前景。
System Vue的资源库非常丰富, 其中包括雷达工具箱。它使用雷达库中的模块编译程序, 无需与复杂的程序语言打交道, 不用写一句代码即可完成各种程序的设计与仿真;可快速地建立和修改设计程序, 访问和调整系统参数, 也可方便地加入注释。System Vue可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统。因此, 它可以用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真, 可进行各种时域和频域分析、谱分析, 对各种逻辑电路、射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。相对其他软件来说, 它更容易实现多脉冲串参差脉冲重复频率的仿真。
雷达是现代战争电子系统的眼睛, 具有捕捉、跟踪目标的能力, 对打赢信息化战争具有重要的意义。本文以美国20世纪70年代末研制的典型频扫三坐标远程对空搜索雷达AN/SPS-48为例[1], 在System Vue平台上设计实现了其发射信号的生成, 并对无杂波的点目标进行了回波信号生成的实现。在以后的学习工作中, 还将继续基于System Vue的仿真优势建立一个完整的雷达系统仿真平台, 为雷达系统性能评估提供全面合理的仿真环境。
1 雷达回波基本理论
1.1 雷达回波生成基本原理
雷达利用目标对电磁波的反射特性 (或称为二次散射现象) 来发现目标并对其位置进行测量[2]。雷达目标回波信号是雷达的发射信号经目标散射调制后的延迟。当雷达探测到目标后, 就要从目标的回波信号中有效提取目标的距离、速度、方位等有关信息。
在常用的脉冲雷达中, 回波信号是滞后于发射脉冲tr的回波脉冲, 由于传播过程中不可避免地会产生各种损失, 能量也会大大衰减。回波信号的延迟时间通常是很短促的, 一般情况下, 目标距离R=ctr2, 其中c为光速。对于运动目标而言还要考虑多普勒频率fd的影响, fd=2vrλ, 其中vr为目标相对于雷达的径向速度, λ为雷达工作波长。
1.2 该型雷达的简要介绍
AN/SPS-48是美国海军大型水面舰艇大量装备的一种三坐标远程对空[3]搜索雷达, 其主要功能是提供空中目标的三坐标数据以及给武器控制系统提供目标指示。该雷达工作于S波段, 工作频率为2.9~3.1 GHz, 在方位上为360°机械扫描, 在仰角上采用频扫体制。典型情况下8个波束组形成仰角上45°的扫描, 发射功率和测量范围随覆盖空域的改变而改变, 以提高检测概率。该型雷达采用固态器件, 提高了系统的可用性、可靠性和可维修性;采用先进的数字接收、信号处理设备和低副瓣天线系统, 提高了接收机的灵敏度。目前美国所有的航空母舰、大部分的导弹巡洋舰、驱逐舰和护卫舰以及两栖指挥舰都装备了AN/SPS-48。
该雷达发射波形的脉冲宽度为3μs, 9μs和27μs, 脉冲重复频率PRF为330~2 750 Hz, 最大作用距离为407 km, 覆盖45°空域的最大垂直高度为231.5 km。为了清晰简化并实时准确地生成发射信号, 假定该雷达的8个波束组中, 每个波束组含有2个波束, 那么完成波束组1到波束组8共16个波束的垂直扫描过程称为一个工作周期, 用CPI表示。同时设定不同的周期间隔为CPI1和CPI2, 通过这种参差脉冲重复频率, 可以有效减少盲速产生的影响, 同时还可以解决距离模糊的问题。以往的雷达系统仿真由于受仿真语言的局限, 普遍存在着建模功能弱、可重用性差、模型层次不清、分析手段贫乏、仿真效率低等缺点, 难以适应雷达系统的多样化和复杂化。例如Matlab实现脉冲参差重频时, 其编程不够灵活且工作量相对较大;而System Vue克服了这些缺点, 能实时准确地生成各种参差重频脉冲串信号。
2 点目标回波生成系统的设计实现
2.1 System Vue和雷达库的基本情况
System Vue是以图符化模块构建理论模型[4], 对电子系统电路的实际工作状态进行虚拟现实地仿真模拟, 完成电路功能和电路特性的详细分析。其分析窗口可根据仿真系统运行结果, 实时自动地呈现出信号波形图;还可以根据需要改变其接收计算器参数, 快速绘制出时域、频域等多种曲线图, 对于雷达系统仿真而言具有更强的针对性和专业性。
目前System Vue开发出了更高级别的版本, 其中元件库有了重大更新, 添加了一部分新的元器件库, 使其资源库在原有基础上达到了30余种。该版本建立在核心平台的改进和基带设计流程集成通信的物理层设计上, 同时System Vue具有高性能的计算能力:支持多核多线程仿真, 支持GPU的加速仿真, 支持FPGA/HIL的加速仿真, 支持多机集群分布式仿真, 为电子系统的设计和仿真提供了更为方便有效的操作空间和更广阔的发展平台。
雷达库也提升了模块的多样性和全面性, 包括天线、阵列信号处理、环境、信号源、发射、接收、信号处理等多种模型库。对于运动目标来说, 它可以基于场景的精确运动目标回波进行建模, 这和传统的跳-停模型是不同的;同时支持多散射点目标建模, 支持目标复杂运动轨迹建模, 支持起伏波动的RCS类型建模, 支持传播效应的建模。所以对雷达系统进行设计仿真时, 可以根据设定的程序和场景需要, 从相应的雷达模型库中选择相对应的元件模块进行系统搭建, 设置参数进行模拟仿真。
2.2 该型雷达发射信号生成设计
由上述介绍可知, 该型雷达会在空间形成8个不同仰角的波束组, 即波束组1到波束组8。正常工作时, 8个波束组依次工作, 设定波束组1~8的最大作用距离分别为407 km, 310 km, 231.5 km, 160 km, 105 km, 65 km, 40 km和31.5 km, 相应的延迟时间为:
式中:R为雷达到目标的作用距离;c为光速。
同时需要考虑信号处理时打入脉压加权和终端系统噪声采样所需的时间, 且为了保留一定的冗余度等综合因素, 因此将计算出的各波束组的脉冲重复间隔PRI分别设为2 800μs, 2 150μs, 1 610μs, 1 130μs, 760μs, 490μs, 400μs和370μs。相应的脉冲重复频率PRF为:
该型雷达正常工作时, 每个CPI周期中完成一次45°垂直空间的扫描。采用二参差可以解决盲速问题。参差时相邻工作周期是不相等的, 原因是因为在相邻周期中各发射脉冲的间隔不等, 因此有CPI1和CPI2两种工作时序。
对于一个给定的PRF[5], 当运动目标的多普勒频率等于整数倍PRF时, 这些运动目标就会被MTI滤波器抑制掉。对应于这些多普勒频率 (即脉冲重复频率的整数倍) 的径向速度称为盲速, 这是因为具有这些径向速度的运动目标也会被抑制掉。距离的非模糊范围Rua为:
对应于多普勒频率fd=PRF时的第一个盲速为:
式中f0为载波频率。
由式 (3) 和 (4) 可知, 给定一个发射载频, 当PRF增加时, 距离的非模糊范围减小, 而第一个盲速增加;但如果PRF较高时, 就会产生较小的非模糊距离。一种解决方法是利用参差的PRF, 因为对于一个参差PRF系统, 其第一个真正盲速的多普勒频率是所有参差PRF都是盲速的最低多普勒频率, 即参差PRF组的最小公倍数。它能够大大提高第一个盲速, 可以使目标的任何速度都尽可能小于这个盲速, 从而解决盲速问题, 且不会减小非模糊距离。
同样由式 (3) 和 (4) 可知, 当目标实际距离在非模糊范围之外时, 就存在距离模糊问题。常用的解决方法也是发射多组参差脉冲重复频率的脉冲串信号, 然后利用余数定理来解决距离模糊。这种方法也可同样用于解决速度模糊, 目前国内外的脉冲多普勒雷达系统几乎都使用这种方案。所以, 发射参差脉冲重复频率的脉冲串信号可以有效解决盲速和模糊问题。
设定每个波束组中的两个波束间隔均为2μs, 前3个波束组的脉宽均为27μs, 中间3个波束组的脉宽均为9μs, 后两个波束组的脉宽均为3μs。由各不同的脉冲重复间隔PRI之和, 可得一个工作周期CPI1的长度, 同样改变PRI间隔可得CPI2的长度。为了保留一定的冗余空间, 本文选用20 500μs的时间长度, 可以完全显示CPI1和CPI2的信号波形, 本组脉冲串的线性调频信号带宽均为2.5 MHz, 采样频率为20 MHz。设计程序如图1所示。
图1中, Radar-LFM模块为线性调频信号产生器, 该模块用来生成线性调频信号。由该型雷达发射信号波形的产生形式和参数特征, 对其脉冲宽度、脉冲重复间隔、波形带宽和基带采样率进行相应的设置;然后通过Set Sample Rate采样模块将产生的线性调频波形变为离散化的信号;最后将信号送入Sink数据接收器中进行处理, 即可产生所需的发射信号。
2.3 该型雷达点目标回波信号生成设计
根据雷达回波[6]信号生成基本原理, 总体设计程序框图如图2所示。
为了能够清晰地分析整个程序框图, 将其分成几个小详图进行解释说明, 分别如图3~图6所示。
图3中, Radar-LFM模块将产生的线性调频发射信号经Set Sample Rate采样模块采样后, 送入Cx-To-Env模块进行载波调制;将转换后的复包络信号送入RadarAntenna-Tx天线发射模块进行信号发射, Const常数模块将波束的方位角和高低角固定为0°。图4中, 将发射出去的脉冲串信号送入Radar-Echo-Generator回波生成模块, 其中雷达发射平台和接收平台都使用同一个RadarPlatform模块, 这样是为了保证雷达信号收发在同一个位置。通过Radar-Target-Scatter-Location目标位置模块可以设定目标的状态信息, 包括目标速度、加速度、有效散射截面积和相对雷达的距离等, 根据这些有效信息产生回波。图5中, 将产生的回波信号送入Radar-AntennaRx天线接收模块后, 再将接收到的回波信号通过EnvTo-Cx转换模块将包络信号变为复合信号, 最后送入Sink数据接收器中, 产生模拟的回波生成信号。图6中, 通过Radar-Loc-In-Antenna-Frame模块, 将波束和目标的方位角及高低角均设为0°, 即波束照射过程中, 目标位于波束的中心轴上。由雷达原理可知, 接收到的回波信号会根据目标的距离和环境影响产生相应的时间延迟和能量衰减。因为电磁波在空间的传播速度非常快, 雷达技术常用的时间单位为μs, 回波脉冲滞后于发射脉冲一个微秒时, 所对应的目标距离R为0.15 km。程序中通过Radar-Target-Scatter-Location目标位置模块将目标和单基地雷达平台的距离设为10 km, 则相应的延迟时间大约为66.67μs。
这里需要说明的是回波生成很复杂, 回波信号中应该包含发射信号、杂波、干扰和目标信号, 而杂波又分为多种类型, 同时还需考虑天线方向图等综合因素。所以本文为了说明System Vue能快速准确地生成参差脉冲重复频率的脉冲串信号并产生回波信号, 没有加入杂波, 只是针对点目标进行回波生成。
3 仿真结果验证
将以上设计程序在System Vue仿真平台[7]上运行, 得到的仿真结果如图7, 图8所示。图7为该型雷达发射信号仿真波形, 图8为回波生成仿真波形。
为了更直观、清楚地分析波形, 将发射信号和回波信号的一小部分分别进行放大, 如图9和图10所示。
由仿真结果波形图分析可知, 发射信号由CPI1和CPI2两个相邻工作周期不等的脉冲串循环组成, 且都为线性调频信号, 和上述该型雷达的基本理论完全吻合。从回波信号放大波形可以看到, 其幅度有了一定的衰减, 且有了一定的时间延迟;从图10中可以看出其延迟时间大约为66.6μs, 与上述回波原理分析结果基本相一致, 从而验证了设计程序和仿真结果的正确性。
4 结语
在雷达系统仿真应用中, 不同的仿真软件可以实现不同的模拟效果。有的只能实现功能级仿真, 分辨率较低;有的不能实现射频仿真, 射频效果不能完全体现出来;而System Vue是一款能够实现数据流仿真的信号级仿真软件, 分辨率高并且在做射频方面是强项, 能够达到良好的射频效果。本文对美国一种典型对空搜索雷达的发射信号和无杂波点目标的回波生成信号进行了程序设计, 并验证了其仿真结果的确切性。System Vue仿真软件以其独特的先进性和新颖性, 在雷达系统仿真领域中将具有非常广阔的应用前景。
摘要：目前由于SystemVue仿真软件在雷达库方面有了重大更新, 在雷达系统仿真中的应用还非常少, 但其优越的仿真特性在雷达的工程实践中具有重大价值。简要介绍了SystemVue的优点和美国一种典型对空搜索雷达的基本理论, 并基于SystemVue对其发射信号和无杂波的点目标回波生成信号进行了程序设计及仿真结果验证。SystemVue仿真软件以其独特的先进性和新颖性, 在雷达系统仿真领域中将具有广泛的应用前景。
关键词：SystemVue,美国典型雷达,对空搜索,点目标回波生成
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雷达发射机 篇7
1 气象雷达基本构造和工作原理
1.1 结构组成
气象雷达又叫做ADWR雷达, 主要由天线馈先分系统、数据处理系统、显示分系统、监控分系统、伺服分系统、接收信号系统、电源分系统等组成。在工作的过程中, ADWR雷达除了进行电磁波的发射外, 还会对气象目标散发的电磁波进行接收, 进而发现气象目标, 并且可以测出空中气象目标的具体方位和仰角大小。在对两个信号相位的关系进行确定时, 会发射相应的相位信号[1]。多普勒气象雷达使用主振放大式系统作为发射系统, 使用脉冲调制器控制对射频率, 以连续波信号为基础信号组成频射脉冲。处于重复周期中的前后脉冲所发射的脉冲频率的相位关系是确定的, 此外, 相参性本振电压、定时器出发脉冲、雷达系统的发射信号、相参共振电压都是由一个基准信号提供, 这些信号都相互保持着已经确定的相位相参数性, 所以, 多普勒气象雷达系统是真正的全相参雷达系统。
1.2 基本工作原理
在多普勒气象雷达工作过程中, 发射配电电路会在系统的各个分机、组件以及冷却设备中对三相380V电源进行分配, 并为其提供380V三相电源。全机其它分系统和本分系统的的信号由发射监控分机负责, 并对各个分机系统的故障信号进行收集, 完成系统的状态监测。固态放大器在收到0.5w的射频激励信号后, 会立即将信号放大到和调管激励要求的电平功率, 然后将信号发送到调管的输入腔。通过放电触发脉冲的控制, 调制脉冲会使用脉冲变压器将调制脉冲发送到调速管的阴极。调速管作为功率的放大器, 在调制阴极脉冲的过程中, 会对输入射频信号进行充分放大, 然后输出250kw的发射脉冲, 在充电触发脉冲的控制下, 高压电源会为固态调制器的储能组件提供足够的电量。
为了保证速调管工作时电子注散焦, 速调管的两组聚焦线圈的电流由磁场电源Ⅰ和Ⅱ为提供。速调管提供灯丝电源、钛泵电源由灯丝电源分机、钛泵电源分机分别提供, 确保调速管中的真空度处于一个较高的水平。
2 常见的一些发射系故障以及处理故障的方法
2.1 可控硅风机故障
导致可控硅风机产生故障主要有两方面的因素:一个是因为可控硅供电的+24V电压损坏;二是可控硅风机运转异常。
检修故障方法:冷却发动机后, 使用万能表对可控硅的供电电源进行检测, 查看供电电源有没有输出+24A的电流。如果没有电流输出, 就说明线性电源已经烧坏, 需要使用一个新的电源进行更换。如果供电电源有电流输出, 但是风机的转动不正常, 那么可能是风机已损坏, 需要换一个新的风机。
2.2 查看发射脉冲包络是否存在变窄的情况
发射脉冲包检波出现明显变窄的故障的检查步骤: (1) 利用示波器对固态放大器的输出脉冲宽度进行检查; (2) 利用示波器对激励输出脉冲宽度进行接收和检查; (3) 对测试速调管调制脉冲和电流测试环之间的激励信号的时序关系进行检测。
2.3 常见的灯丝电源故障
导致灯丝电源出现故障的主要原因: (1) 灯丝电源损坏, 致使电流无法输出。 (2) 灯丝电源负载处于断路。
排除故障的步骤: (1) 关闭雷达发射机的电源, 再使用万用表测量万用变压器四号端子和三号端子的阻值进行测量, 如果测量出的阻值超过了4Ω, 说明脉冲变压器和调速管之间的接触不好, 需要把速调管取出, 然后对接触点的高度进行调整;如果测量出的阻值为2~4Ω之间, , 那么就可以判断速调管与脉冲变压器之间连接是完好的。
(2) 断开灯丝电源, 然后和XSO3电缆连接, 利用万用表测量电缆插头3脚和4脚的阻值, 如果阻止超过了4Ω, 就说明阻止过高, 有虚焊的情况存在。如果阻值显示为2~4Ω, 就是说明电缆之间的连接没有问题。
3 发射系统故障维修实例
某民航分局气象台的多谱勒天气雷达为C波段全相参脉冲多普天气雷达, 主要用来对210km范围中的气象目标强度进行测量, 对降水回波的位置和强度进行探测。对出现的强对流天气及时进行警戒, 分析小尺度天禧系统的有利工具。在长期的使用下, 雷达发射系统无法再继续工作, 开机15分钟后, 发射监控分机会提示调制器出现PEN过压故障。
3.1 分析故障
高压电源变换器充放电的步骤如下:高压电源变换器受到充电触发脉冲的触发后, 会导通V2、V4, 电流1从充电变压器的初级绕组经过, 然后绕组的励磁电感会进行电能的储存。由于充电变压器次级绕组两端的感应电压由该变压器初次级绕组的同名端来确定的, 这时没被充电。电路在初级绕组电流升到设定值时会断开, 充电变压器次级感应电压会反向, 导通充电电元元件V5, 脉冲变压器次级脑卒会对PEN充电, 当发射监控分机的放电触发脉冲满足要求后, 对其进行调整和放大后, 脉冲会升到变压器T1初级, 并产生放电脉冲, 在电压脉冲加载到V2-V7可控开关的控制级别时, 所有的V2-V7管会导通, PEN也会放电, 会在脉冲变压器次级产生调整脉冲, 并将脉冲加速到调管的阴极。
3.2 故障处理措施
从脉冲形成网络的充放电过程以及PEN过压故障的提示, 初步矿压断定导致雷达产生故障主要是由于SCR放电开关组件没有产生了短路, 需要重新检查可控硅的放电脉冲信号, 查看信号是否处于正常状态, 因为发射监控分机是产生放电触发脉冲的主要来源, 因此, 要先对放电触发脉冲进行测量, 在发射分机触发脉冲输出孔中插入示波器探头, 经测量, 放电触发脉宽和脉冲处于正常状态, 因此, 故障的产生和可控硅放电触发脉冲信号没有关系。除了以上原因外, 如果可控硅开关不能正常工作, 也会导致该故障出现。因为放电开关是由六个频率比较高的可控硅串联构成, 在判断其是否正常时, 可以在没有给发射机通电的情况下, 用数字三用表2MΩ挡来检测邻近的两个散热器之间的电阻, 电阻值处于200KΩ~300KΩ之间时为正常。检测后发现V3开路, 使用相同型号的可控硅进行替换并重新启动后, 雷达恢复正常工作。
4 结束语
总而言之, 多普勒气象雷达发射系统是气象雷达系统中一个故障率比较高的组成部分, 如果出现故障会对雷达的正常运行造成比较大的影响, 为了保证雷达持续正常的工作, 需要相关人员将发射系统的工作原理、结构原理和维修原理掌握好。需要注意的是, 在检修的过程中要注意电压过高的情况, 使用感应方法进行测量。
摘要：多谱勒气象雷达发射系统主要是由雷达系统构成的, 和其它的单元相比, 由于雷达发射系统长期工作在高电压、大功率、高电流的环境下, 会有比较高的故障率。基于此, 文章对多普勒气象雷达发射系统的故障及处理措施进行探讨。
关键词：多普勒,气象雷达,发射系统故障,处理措施
参考文献
[1]安徽四创电子股份有限公司.民航机场多普勒天气雷达[Z].2006 (07) :23-24.