雷达参数（共4篇）
雷达参数 篇1
雷达信号模拟器可分为雷达回波模拟器和雷达信号模拟器两类。其中,雷达信号模拟器一般用于模拟雷达发射信号,可完成电子侦察设备的调试、测试、试验、训练等任务[1]。雷达回波模拟器用于模拟雷达接收机获取的综合信号,包括目标回波、杂波、干扰、噪声等,在雷达调试、测试、试验、训练、检测维修等过程中发挥着重要作用[2]。根据功能,雷达回波模拟器又可分为雷达目标信号产生器(Radar Target Generator, RTG)、雷达回波信号模拟器(Radar Signal Simulator ,RSS)以及雷达环境模拟器(Radar Environment Simulator,RES)。RTG用于产生较为简单的雷达目标回波信号,由于缺少干扰和杂波信号,应用范围有限。RSS可以模拟产生雷达目标回波、干扰、杂波等综合回波信号,广泛应用于雷达研制、调试、测试等场合[3,4],但一般缺少与雷达的实时交互能力。RES能够根据雷达当前状态和战场想定,实时产生对应的综合回波信号注入或馈入雷达,完成雷达训练、保障等任务[5]。随着雷达作战电磁环境日益复杂,训练、保障过程中的电磁环境模拟需求日益迫切,RES成为当前雷达回波模拟器的研究热点[6]。
实现RES的关键是实时生成与雷达状态相匹配的综合回波信号。这就要求RES具有雷达状态获取、传输能力,并且信号处理部分具备高速处理能力。雷达状态的获取能力、传输能力,及信号处理部分是否具备高速处理能力,将直接影响RES的性能。
雷达的状态参数主要有主脉冲信号、锥扫基准信号、天线角度信号以及载波频率码信号。在RES中,为了使生成的模拟回波信号能真实地反映目标信号的信息,必须将雷达的状态参数实时地传给RES。文献[7]介绍了雷达状态参数的采集办法,为保证雷达状态信号的传输距离、传输的实时性和稳定性,采用基于LVDS串行总线标准进行传输。本文以FPGA为核心构建了一种RES的雷达状态参数分选电路,并进行了传输协议及软件设计,充分利用了FPGA资源丰富、并行能力强的特点,提高了系统的实时性。
1 系统结构与设计
RES可以根据需要建立相应的目标模型和环境模型,实时生成形式丰富多样的模拟中频、射频雷达回波信号,可以用于检测雷达性能和定位故障,还可以丰富训练模式,切实提高雷达操作手的战术水平。RES系统的硬件结构主要由目标信号生成模块、信号收发模块和雷达接口电路等功能模块组成。RES系统的总体组成如图1所示。
从雷达接口模块采集到的状态参数信息首先需要串化,然后通过LVDS差分线传输至目标生成模块,传输距离大约为100 m。FPGA信号接收分离电路接收雷达状态参数后把不同类型的信号分离,其中角度信息通过UART异步串行方式传送给嵌入式控制器,用于判断是否生成模拟回波及回波增益的大小;主脉冲信号和锥扫基准信号传送给中频信号生成板,前者用于雷达回波模拟的时间基准,后者用于对差信号的圆锥扫描调制,以实现输出的模拟中频回波信号可以对雷达进行自动跟踪性能测试;载波频率码用于调整射频卡的输出频率,使模拟射频回波信号能够被雷达接收。
1.1 传输方案选择
总体来说,数据传输方法可分为并行传输和串行传输两种。
并行传输是指将一个字节或一个字符内各位同时进行传输的一种传输方式,其信道数目与传输数据位宽相同,如图2a所示。并行传输的特点是无固定格式、无时序转换、通信速度快、传输的信息率高,适合短距离简单的高速数字信号传输。串行传输利用时分复用思想,将一个字符的多个数据位按顺序先后一位一位依次传送的方式通过一个信道。因其需要的数据线少、传送距离长、可靠性高而广泛应用在工业现场多个设备间的通信。只是需要在信号发送端和接收端分别进行并/串转换和串/并转换,串行传输如图2b所示。
由于并行方式长距离传输时所需成本较高、布线复杂、可靠性低,一般用于设备内的简单数据传输,不用作系统总线。而串行方式接口和同步简单,所以通常采用串行的方式进行数据的长距离传输。为保证雷达状态信号传输的实时性,通过传输线的传输速率不小于20 Mbit/s。为实现雷达状态参数的高速、长距离和稳定传输,RS-232总线、RS-485总线和CAN总线均不能兼顾传输速率与传输距离的要求[8,9],而光纤传输需额外的光电元器件,并且光纤成本代价较高,最终选择用LVDS总线完成数据的长距离传输。
1.2 传输电路设计
系统设计要求雷达状态参数至少以20 Mbit/s的速度传输数据,传输距离约为100 m,传输介质为双绞线,特性阻抗为100 Ω。由于LVDS是一种低摆幅的差分信号,以1.2 V偏置电压作为基准,摆幅大约为350 mV,只适合于短距离数据的高速传输,不支持长距离传输,其传输距离一般不会超过几十米,因此,该传输的电路设计主要解决延长传输距离和阻抗匹配的问题。
图3为LVDS数据长距离传输结构,其中ADN4661和ADN4662分别为LVDS发送器和接收器,发送器将串行输入的TTL电平转换为差分的LVDS电平,接收器将差分LVDS信号转换为TTL标准电平。CLC001和CLC014分别为高速驱动器和自适应均衡器,高速驱动器可驱动双绞线传输更长距离,经电缆长距离传输的信号会出现衰减,自适应均衡器则用于对衰减后的信号进行均衡接收[10]。
1.3 串行通信协议设计
雷达状态信号参数能否正确传输直接影响系统回波信号的成功构建。为确保各种雷达信息参数正确传输与识别,在发送和接收芯片内部规定了二者的数据通信协议。通过对信息参数分析可以将雷达状态信号分成3组,因为载波频率码是在基准脉冲信号的触发下采集的,并且重复频率与基准脉冲相同,所以把这两种信号放在一起传输;对于雷达角度信息和锥扫基准信号,由于重复频率相差较大且数据含义相同,分别按自己的频率传输。为保证接收端能准确地接收雷达状态信号并准确地将它们分离,需要设定收发两端的通信协议,具体的内容如下:
1) 数据格式。1位起始位+2位标志位+信号数据位+1位停止位,无校验位。
2) 数据波特率。为满足数据实时传输的目的,波特率设置为20 Mbit/s。
3) 标志位定义。两位标志位的定义如表1所示。
4) 数据位传输格式。6 bit载波频率码先传,13 bit方位角数据次传,13 bit高低角数据最后传,每组数据高位先传,低位后传。
2 系统软件设计
由于FPGA硬件电路设计的对外通信均采用串行方式实现,采集的四类雷达状态信息需要通过配置FPGA的4个I/O引脚分别传送至RES的相应部分,主脉冲和锥扫基准信号可以只传送1 bit高电平有效的标志位来表示其起始沿时刻,但载波频率码和雷达天线角度需要在传输前分别进行串化处理。设计状态参数的接收及分离程序,完成对雷达状态参数串行数据的接收、分离和传送。
系统电路的FPGA芯片选用美国Altera公司出品的Cyclone II系列EP2C5T144,该芯片内部资源丰富。程序的编译与调试在Quartus II软件下完成,使用Verilog HDL语言实现程序的编写及各模块之间的信号关系[11]。Quartus II软件是Altera公司的CPLD/FPGA集成开发环境,覆盖了CPLD/FPGA开发的整个流程,包括设计输入、综合、布局布线、仿真、生成配置文件等。
该程序由两部分组成:数据接收分离模块和数据串化模块。数据接收分离模块主要是通过识别标志位,完成串行数据的接收,并将接收到的四类雷达状态参数放在不同的寄存器中。数据串化模块主要完成雷达天线角度和载波频率码的串化和发送。程序设计时采用自下而上的设计方法,先完成各个子模块的设计,再采用原理图输入方法设计顶层文件,完成整个程序的综合设计。该程序的顶层文件设计如图4所示。
3 实验结果与分析
在Quartus II上进行功能仿真得到的仿真波形如图5所示。从仿真结果可以看出,在没有主脉冲信号时,载波频率码和雷达天线角度输出端恒为高电平,主脉冲输出端恒为低电平;当有主脉冲信号到来时,主脉冲输出端产生一个高电平,标志主脉冲的下降沿时刻的到来。在对载波频率码接收完成后,载波频率码的串行输出端先产生一个低电平有效的起始位,表示载波频率码值传输的开始,之后传输6 bit的频率码值;在对天线角度信息接收完成后,天线角度的串行输出端产生一个低电平有效的起始位,表示天线角度信息数据传输的开始,之后传输26 bit的方位角和高低角信息。当接收到锥扫基准信号时,锥扫基准信号的输出端产生一个高电平,标志锥扫基准信号的上升沿时刻。对仿真结果分析可知,仿真输出与输入相符,数据的接收、分离及传输过程没有错误。
4 结论
本文针对雷达环境模拟器中雷达状态参数传输的需要,并考虑数据传输实时性及传输距离的要求,选择了基于LVDS标准接口的串行数据传输方案,并设计了串行通信协议,完成了数据传输的软件设计,在接收端进行了参数数据分离,并结合实验验证了设计的正确性。实验表明,该电路能够实现状态参数的高速、长距离传输,并能保证数据传输的正确性,该电路可以应用于对雷达参数性能的维修与检测。
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雷达参数 篇2
非接触生命信号检测技术在国外开始得比较早, 据文献[1]推断早在20世纪80年代就已经开始, 而在国内兴起比较晚[2], 但随后很快引起了人们广泛的关注。利用雷达式的生命参数信号检测系统来探测生命体的原理不算复杂, 但是如何从混杂的波形信号中提取出所需要的生命参数信号则是关键, 也是难题之所在, 因为这些生命参数信号是很微弱的, 常常被淹没在背景噪声中。在国内外已经有多家研究机构利用硬件电路去除背景信号 (包括障碍物反射波, 噪声等除生命参数信号外的信号) 从而提取所需要的生命参数信号, 但是这么做一来是开发研究周期比较长, 较难修改升级, 二是成本比较高。而本文所要说的基于LMS算法的软手段来提取需要的生命参数呼吸信号就不存在上述缺点。在提取了生命参数信号后如何给出一个明确的判别结果也是非常有必要的, 对此也做了初步的探讨, 为后续更广泛的应用提供了良好的基础。
1 生命参数信号提取的基础
在20世纪80年代初期, D.K.Misra等科研工作者在平面极化, 垂直极化, 园极化的情况下, 分别研究了电磁波照射人体的散射特性, 指出了人体微动与回波幅度, 相位之间的相关性。将人体简化为复合介电常数的球体和圆柱体模型, 其散射电磁场方程[2,3]表达式为:
undefined
为简化分析, 可进一步简化人体模型[2], 设人体生命参数运动 (呼吸, 心跳) 是一频率固定的简谐振动, 当生命体被一固定中心频率的电磁波束照射到时, 会引起电磁波的散射, 但此时的散射波已经被人体由于呼吸而产生的胸腔起伏运动所调制, 故雷达天线接收到的电磁波是被生命参数信号所调制的后散射波以及障碍物的反射波及其各种外界噪声的混杂波形, 可以从回波中提取出所需要的生命参数信号。
2 LMS算法自适应滤波[4]
LMS算法即最小均方算法是基于最小均方误差准则 (MMSE) 的维纳滤波器和最陡下降法提出的, 其实现起来简单且对信号统计特性变化具有稳健性。自适应滤波就是利用前一时刻已经获得的滤波器参数, 性能函数值, 自动地调节现时刻的滤波器参数以适应信号和噪声未知的或是随时间变化的统计特性, 从而在某种标准下达到最优滤波。
如图1所示, 输入观测值矢量为:
undefined
自适应滤波器参数矢量为:
undefined
此时滤波器输出为:
undefined
根据最小均方误差准则, 最佳的滤波器参量wopt应使性能函数——均方误差f (w) =ε=E{|e (n) |2}为最小, 而要求性能函数最小值, 则需对其求导, 在LMS算法中它用瞬时输出功率的梯度∇w|e (n) |2作为均方误差梯度∇wE{|e (n) |2}的估计值, 即:
undefined
根据上式可以推导出LMS算法滤波器参数的递推公式:
undefined
随着数据的不断输入, 滤波器参数不断地自动更新, 从而使性能函数达到最小, 进而得出最佳的输出信号。
3 基于LMS算法的非接触生命参数信号的提取
本文所提到的生命参数信号提取方法跟以往最大的不同就是:在此是通过自适应信号处理的方法来去除背景信号增强信噪比而不是利用硬件电路的方法去除背景信号的, 从而提取检测到所需要的生命参数信号。
信号处理过程主要分为以下三个步骤:
(1) 信号预处理:这部分要做的工作比较多, 首先是选取将要处理的数据道数, 根据所做的快速傅里叶变换点数来选取数据的道数, 太多的数据没有必要, 相反会增加处理时间;去直流分量, 在此步也就是去除相对静止的背景, 否则可能会影响到后面最佳信号的提取及最后的结果判别;时域积分, 由于生命体参数信号是一个准周期信号, 进行积分时会得到一个增强, 相反背景噪声信号是一些随机信号, 在积分过程会相消, 减弱了背景噪声的作用, 在时域上对信号起到积累作用, 从而提高信噪比;选取最佳波形, 寻找出一行信噪比最好的雷达回波信号。
(2) 自适应信号处理利用LMS算法提取呼吸波形:能否提取出所需要的生命参数信号是关键的一步。第一滤波器长度的选取, 过大会损失信息, 但是越小则噪声会越大, 影响提取的效果;第二是收敛因子的选取, 值大到一定程度会导致输出结果发散, 选择越小则输出的噪声也就越小。选择好合适的滤波长度和收敛因子利用LMS算法不断地更新滤波加权系数w, 使性能函数达到最小, 从而达到消除背景噪声提取出所需要的生命参数呼吸信号波形。
(3) 后续相关处理:对自适应处理后的数据进行带通滤波, 统计滤波器输出时域波形的过零点个数。再进行快速傅里叶变换, 找出频域最大值点所对应的频率, 为后面进行判别打下基础。
4 判别标准的选取
在本文中判别过程选择了几个参数来作为标准:时域波形过零点数, 频域最大值所对应的频率值 (对应在FFT对应的频率点上) , 这两点可以在一定程度上反映出检测到的呼吸波形的频率值。最佳波形的信噪比值, 回波信号携带呼吸信号与否在这个比值上存在明显的差别, 故将这一值作为其中的一个判别标准是十分有必要和合理的。时域的绝对值积分值、时域绝对值最大值也是判别标准之一。根据所采集到的数据进行统计分析以此选取出一个能够区分采集回来的数据中存在生命参数信号与否的合理的阈值。从不同日期所做的9次实验采集回来的130组数据验证, 其中有10组数据判错, 正确判断率达92.3%, 从而说明了所选判别标准的有效性。
5 实验结果与结论
本文中所有的原始数据是由该研究室课题组研制改进后的搜救雷达所采集得到的, 雷达天线中心频率为500 MHz, 数据采样率是从16～128 Hz可以调节的, 但是在实际的实验过程中统一采用的是64 Hz的扫描速度, 对其中两组数据处理后的结果如图2所示。
图2和图3为存在人体时, 利用LMS算法所提取的生命参数信号的时频域波形图, 从图形中不难看出当利用雷达照射人体时所提取的波形存在很明显的规律性, 这点在图3出现了一个很明显的0.312 5 Hz的主频中反应出来, 0.312 5 Hz符合人体的呼吸频率, 这也进一步说明了所提取的生命参数信号是可取的。而在图4中是不存在生命体时, 提取的波形很杂乱不存在规律性, 这点也符合当时的实验情形。
从上面的实验结果可以看出, LMS算法可以很好地用来提取生命参数信号波形, 但是如何提取比呼吸信号更微弱的心跳、脉动信号、肠胃蠕动信号等, 以及如何区分生命参数信号和其他生物体特征信号还有待于进一步的研究。
摘要：采用最小均方 (LMS) 算法, 通过对雷达回波信号进行滤波处理来提取生命参数信号。利用超宽带冲击脉冲雷达对砖墙后的人体进行生命探测, 采集雷达回波信号, 运用LMS算法对回波进行生命参数信号提取。通过一系列的信号预处理后利用LMS算法可以很好地提取出回波中的生命参数信号。
关键词：LMS算法,信号提取,生命参数信号,判别标准,非接触,超宽带冲击脉冲雷达
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雷达参数 篇3
通常情况下,对各种执行警备,搜救,探测等功能的收集情报的雷达最行之有效的干扰方式就是采用压制性主动有源干扰。现今评估雷达对抗主动性有源干扰的性能参数指标主要涉及到两个方面的内容,一方面内容是选择什么样的指标参数作为性能评估参数,第二方面内容是采用什么样的评估方式对参数进行评价。比较常见的性能指标有压制性指标参数、最大可视发现距离、改善性因子、抗干扰可见度等。而在方法的选择上同样涉及到两个方面的内容,或者对主动干扰采取抑制的方法,或者对干扰采取回避的处理方式。
评估雷达对抗有源干扰的能力其本质是一个测试的问题,测试对象就是雷达本身。通过在雷达上作用特定的“标准信号”的输出来评估雷达的抗有源干扰的性能。本论文以现代战争中的电子干扰战为研究背景,提出了对抗有源干扰的雷达数学反应模型,在研究有源干扰特性和雷达工作原理的基础上提出了雷达抗有源干扰的性能参数指标。在此基础上提出了解决该问题的数学模型,并通过仿真验证证明了本文方法的有效性和实用性。
2 雷达有源干扰分析
当多个有源干扰源在空间中综合同时对雷达产生干扰作用时,这就相当于将多个服从正态分布的高斯白噪声同时作用于雷达的接受端。雷达典型的接收装置原理图如图1所示:
这里线性系统Ι代表混频器和中放。其带宽是由中放决定的。而检波器则由代表着非线性系统,中放输出的包络都由检波器负责进行交换。接收机的输出用线性系统Ⅱ来实现。当向系统中输入的噪声符合正态分布的时候,系统输出的符合正态分布的窄带信号,也就是说检波二级管两端输入信号的大小直接影响滤波器的非线性性能。
为了有效比较同一类别雷达产品的有源抗干扰能力大小,可以定义 雷达有源 抗干扰效 率系数 ,其定义公 式如下 :
上述定义中,R0max 代表无任何干扰情况下雷达的最大作用范围, Rcmax为在有源干扰存在条件下,雷达的最大作用半径。很明显μ≤1。如果μ的值越大,表明该类型的雷达抵抗有源干扰的效果越明显。
3 雷达的对抗模型及其数学模型
雷达受有源干扰机(jy)影响的有效区域是一个心形形状的区域,该心形区域的对称轴就是雷达与有源干扰机的两点之间的连接线,曲线上各个点的位置可以根据与雷达原点的夹角大小不同用二维曲线描述如下:
上式中,θjy是雷达天线的最大发射角度与干扰信号之间的夹角;Dt是被监测目标的高度; 是有源干扰源与雷达之间的水平距离, σ为监测目标在雷达反射面的有效最大反射面积,ka代表压制系数,代表极化的损失,γjy代表位于天线方向矢量图中的等效常规系数,Rjy为雷达与有源干扰源之间的距离。
随机有源干扰机(js)所起到的主要干扰是使敌方雷达屏幕上显示的无数亮点淹没真正的“目标亮点”。有源干扰机形成扇形区域亮点时,假如有源干扰的功率发射角方向为θjs,接收机内的噪声水平要高于有源干扰信号的电平水平,具体可以用下式来衡量:
这其中有源干扰源是一个移动的面积对象,它的有效半径为,那么等效有源干扰扇形面积
式中Rmin代表最小的有效干扰压制距离。
由上可知,在有效干扰模型下的各种干扰源,各干扰源和雷达之间构成了有效的雷达干扰对抗模型的数学模型。
在实战中,通常不存在单一干扰源对雷达进行干扰的情况,一般常规情况都是多个复合干扰源合成在一起形成一个复合干扰源,综合的作用在所要干扰的雷达上,形成一种复合干扰雷达源。那么在确定已经采用复合干扰模型的基础上,假定雷达的工况为远距离、自卫攻击编队以及已定的航行线路对地面上的雷达进行突击防护,进行雷达的抗有源干扰性能评估时,通常设定航线为直线。假定雷达的天线方向的最大方位角是能够包含目标的,θjy和θjs本别代表随机干扰机和远距离干扰机与雷达天线最大方向的方位角的夹角。不同种干扰状态下雷达接收机接收端的干扰功率强度计算如下:
随队掩护条件下干扰功率强度:
远距离支援条件下干扰功率强度:
综合上述各条件下的干扰强度功率,雷达接收端输入有源干扰功率为:
在雷达的接收机输入接收端有效信噪比如下:
上式中Ps是雷达接收机内部产生的噪声在输入端产生的等效相当热噪声。从上述计算公式中可以得到目标回波反射功率与距离的四次方呈反比例关系。干扰功率的平方与距离的四次方程正比例关系。在输入端信噪比已定的状态下,信噪比是随着距离的增加而减小的。如果设定一个信噪比,则可以找到一个相应的距离值与之对应。不同大小的距离对应不同的距离定义,例如自卫距离,最大作用距离等等。
从常规意义上来讲,雷达对抗有源干扰的方式有多种方式,经常采用的有信号滤波、频段选择、波形匹配、功率抵消、空间投影选择、极化处理等方式。还有就是可以选择一下硬件抗干扰措施,比如抗有源干扰电路,窄带滤波器电路、硬件虚值报警处理器等。这些不同的抗有源干扰措施在雷达的输入端可以获得不同的信号增加增益。在具体操作过程中,实际效果的好坏取决了两个方面,一方面就是雷达本身固有的硬件性能,另外一个方面就是雷达操作人员的操作技能和技术水平及对操作参数的掌握程度。人工调整雷达的转动速度,发射频率以及天线波束都会对雷达抗有源干扰的性能产生影响。常规情况下,应结合雷达的具体硬件性能及参数对雷达抗干扰性能有效参数计算工式中的具体参量进行调整改变,可以有效增强雷达的抗干扰能力。
在的航线一定的情况下,从发出有源干扰一方的角度出发,应该选择干扰效果好的角度来设定路线,即所谓的“标准航线”。“标准航线”可以用来评定不同种雷达的有源抗干扰能力。实际应用中,结合战况设定的暂定航线也可以用来评估雷达在此时此刻此航线上的抗干扰性能,但是该参数不能作为雷达的标准抗干扰参数。干扰方式的选择有多种方式,例如有远距离支持,自卫干扰(定向瞄准,宽带滤波),随队干扰等多种方式。干扰机也有很多参数需要设置,其主要取决于它的参数设置库,主要的几个部分有机型,名称,所搭载的干扰机功率,主动干扰频段,干扰的方法,干扰的数量,天线的增益,有效物体反射面等等。在实际操作过程中,雷达操作人员可以在雷达操纵面版上随意选择多种参数作为抗主动干扰的基本参数设置。这些参数也都是取自于雷达本身自带的参数库中。供选择的参数主要有雷达型号,雷达的最大覆盖范围、工作的频段、工作的机制、反射的功率值、接收机的工作频、接收天线的角度、接收机的灵敏程度。当雷达观测目标进入雷达的最大观测范围以内的时候,雷达的观测结果就会被输出到观察器中,从雷达对抗台的观察器中可以观测到各种参数值。在充分了解获知雷达各抗干扰参数大小后,可以得到较准确地计算出雷达的增益调整值的大小,确保有效计算有源干扰作用下雷达最大有效增益距离的大小。
4 仿真评估
在有源干扰源的配置、类型、干扰参数及方式确定的干扰路线基础上,按照公式(1)-(5)就可以计算出某种类型雷达抗干扰效率的数值。对编号为1、2、3、4的情报雷达进行仿真评估,具体的结果如表1所示:
通过上表数值可以准确获得主动干扰下,雷达的具体性能参数,为调整雷达的各种参数增益提供有力的帮助。本文在分析雷达及主动干扰工况的条件下,从系统分析测试的角度出发,考虑各种因素,通过对雷达干扰抑制作用特点与机理和有源干扰特性研究的基础上,建立了雷达对抗有源干扰的模型及其数学模拟模型,并通过仿真计算出雷达的抗干扰参数,为有效评估雷达抗主动干扰提供了一种有效的途径,具有很大的参考意义。在实际应用中,可以将雷达抗干扰模型参数的各个因素进行典型标准化处理后对雷达的抗有源主动干扰性能加以评估,有效地提升实战能力。
摘要：在研究有源雷达干扰的特点和不同种有源干扰作用下雷达反应机理的基础上,发现了评估雷达对抗有源干扰性能的参数指标,从而建立了有源干扰对抗机理模型,提出了计算此参数指标的数学理论方法。从系统的角度出发,通过仿真验证的方法对在典型条件下对抗有源干扰性能参数指标的性能进行了验证,取得了满意的效果。
雷达参数 篇4
关键词：新一代天气雷达,年维护,参数测试,方法
新一代天气雷达是气象部门用来分析中小尺度天气系统, 预警强对流灾害性天气, 制作短时临近预报以及指挥人工增雨作业强有力的工具。雷达维护保养工作可以有效地预防和减少故障的发生, 将故障排除在萌芽阶段, 对保证设备连续正常工作具有重要意义。按维护要求不同, 分为日维护、周维护、月维护、年维护和不定期维护。其中年维护工作直接关系到雷达在汛期的运行质量, 且年维护工作纷繁复杂, 建立行之有效的年维护流程就至关重要。我国新一代天气雷达投入业务运行以来, 在雷达的维护和维修方面, 已积累了一些实践经验[1,2]。柴秀梅等[3]提出了新一代天气雷达分类维护和分级维护方法, 梁金元等[4]总结了雷达维护保养的技术方法, 梁华等[5]总结了C I N R A D/C C雷达相关技术指标测试方法, 但是具体针对CINRAD/SC型雷达年维护方法的研究不多。本文根据雷达的结构组成和工作原理, 总结出一套行之有效的年维护方法, 重点介绍了CINRAD/SC型雷达重要性能参数测试的步骤。
1 CINRAD/SC型雷达的结构和工作原理
CINRAD/SC型天气雷达由天线馈线系统、发射系统、接收系统、信号处理系统、数据处理和终端显示系统、伺服系统、监控系统、配电系统等8个部分组成, 其简易图见图1[6]。雷达发射机将频率综合器输出的小功率高频信号进行高功率放大, 经过铁氧体天线收发开关、波导馈线、方位和俯仰铰链送到馈源, 由天线将能量辐射到空间。云、雨等目标后向散射和晴空大气衍射的电磁波被天线收集后, 由接收机处理成数字中频信号, 再经过信号提取和数据处理, 输出强度、径向速度和速度谱宽等参数, 在终端显示并生成产品, 同时可以通过网络将产品分发给用户。
2 年维护方法
年维护工作应遵循先整体后分机, 由表及里, 自上而下的维护原则, 雷达年维护就是对雷达整机做全面彻底的除尘、清洗、检查和保养工作。目的是为了使每个元部件都能保持有良好散热性、标准绝缘性、完整无损性、连接可靠性[4], 使雷达各项性能处于良好的工作状态, 延长使用期限。
2.1 除尘
除尘工作要彻底就应遵循由表及里, 自上而下的原则。除尘步骤:一是用吸尘器、棉布将天线座, 机柜外表面大面积积尘清除。二是用吸尘器、棉布、软毛刷清除天线座和机柜内各机箱包括电路板、保险丝、开关、继电器、接触器等元器件表面的积尘, 重点是清除计算机、机柜顶部散热风扇叶片上的灰尘。三是清除机柜背后下方进风窗口、机柜顶部排风窗口、发射柜后门上风管窗口、风冷柜风管窗口及柜体侧面和顶部窗口[7]。
2.2 清洗
清洗就是用酒精等清洗剂对雷达部件表面脏物进行清洗, 确保元器件具有良好散热性、标准绝缘性。清洗步骤:一是用蘸有酒精的纱布清洗所有继电器、按键开关触点, 以保持各触点接触良好。二是拆开外波导系统清洗每节波导内壁。三是用脱脂棉沾酒精仔细清洁汇流环环芯表面, 切断电源, 分别拆下外壳上的盖板上的4个螺钉、取下盖板后可见到环芯上的铜环, 用手推动天线旋转, 然后再由上向下擦洗环芯至无黑色即可[7]。
2.3 检查
外观检查主要包括三点:一是检查所有插件是否接触良好, 机械部件固定有无松动, 检查并拧紧所有电缆接头, 插紧各元器件[8]。二是天线转台有无漏油及渗油现象, 油标处油量是否有变化, 天线传动系统是否灵活。三是检查电元器件外表面有无烧焦现象及电机碳刷有无磨损现象, 及时更换。
2.4 保养
保养工作主要是对所有传动齿轮和轴承都要进行润滑、加油和换油, 润滑是保证雷达机械长期正常工作, 如不及时润滑, 会使天线转动不灵活, 齿面磨损加剧, 出现异常响声。年维护时应用软刷沾汽油擦齿轮表面直至彻底清除干净, 然后将新润滑脂涂在齿面上。
3 重要性能测试
3.1 脉冲包络和重复频率
测脉冲包络和重复频率试框图见图2所示[9]。
按图1所示连接测试设备, 可变衰减器为SHK-3型衰减器, 检波器T J 8-3的输出端接射频连接器 (B N C-J-5 0 Q和B N C-50KKJ) , 连接电缆均采用特性阻抗为75Ω的雷达综合测试仪配套电缆。开启发射机高压, 从示波器上读取射频脉冲包络的宽度T (即-3d B时的脉冲宽度) 和周期T, 计算出射频脉冲重复频率。
3.2 功率
在接收机内配置有峰值功率计 (A通道用于发射机输出功率的测试) , 可将雷达工作频率、总的衰减量设置到功率计参数上。改变雷达工作频率, 可直接在峰值功率计上读取发射机的峰值功率。
3.3 噪声系数
S波段雷达正常测试值为2.0~3.9 db。测试步骤: (1) 在开低压状态下, 多普勒处理模式应在PPP或FFT模式, 雷达脉冲重复频率选择不变比。 (2) 在雷达实时处理程序中点击雷达控制, 在下拉菜单中选择噪声系数测试。 (3) 在弹出的窗口依次点击无噪生源、采样、加噪声源、采样, 分别读出其V1、V2和NF1。 (4) 根据公式计算得出噪声系数NF2, 其中ENR有效为机内噪声源的有效超噪比, V1为断开噪声源读数, V2为接通噪声源读数, NF1为计算机显示读数。
3.4 系统动态特性
指标要求:≥85 db。测试步骤: (1) 在雷达实时处理程序中点击雷达控制, 在下拉菜单中选择系统标校的标校检查。 (2) 在雷达参数设置和控制面板窗口中选择RVP8控制, 变比选NONE, 滤波器选不滤波, 将杂项控制的距离订正取消;选择接收机控制, 在标校数据中的衰减值中改变衰减值 (参考现场测试报告) 。 (3) 读取其相应的强度值, 根据输入输出数据, 采用最小二乘法进行拟合, 由实测曲线和拟合直线对应点的输出数据差值≤1.0 db来确定接收系统的低端下拐点和高端上拐点, 上下拐点对应的输入信号功率差值为接收系统动态范围。
3.5 系统相干性
测试方法: (1) 雷达在高压状态下进行, 脉冲重复频率选择不变比, 在雷达实时处理程序中点击雷达控制, 在下拉菜单中选择相位稳定度。 (2) 在弹出的窗口中读取相位噪声, 点击清零, 读取新数据。
3.6 强度定标
回波强度测量值与注入信号计算回波期望值的最大差值应在+-1 db的范围内。测试方法: (1) 在雷达开高压的状态下, 通过雷达自动测试读取雷达常数C, 通过雷达方程10lgZ=C+Pr+20lgR+RLat, 其中C为雷达常数, Pr为输入信号功率, R为距离, Lat为大气损耗, 由注入信号功率计算出相应的回波强度期望值。 (2) 在低压状态下, 在雷达控制面板中点击系统标校的标校检查。注:RVP8杂项控制的距离订正通断应加上。 (3) 改变接收机控制中标校数据的衰减值。 (4) 点击工具栏中鼠标按钮, 在提示窗口中读取其不同距离档的强度值为测量值。 (5) 计算出期望值和测量值的差值。
3.7 速度定标
用机内微波移相器对速度测量进行检验方法: (1) 由机内测试信号经移相器后注入接收机, 改变发射脉冲移相器的变化值, 由公式V2= (λF/4π) ∆ϕ公式中∆ϕ为相移, 计算出速度值V2。 (2) 在雷达控制中程序中选择速度图, 选择1000 Hz或750 Hz, 不变比, 不滤波。 (3) 选择控制面板中的接收机控制, 在标校数据中的移相角度值。 (4) 在雷达实时处理程序中点击系统标校的标校检查, 点击工具栏的鼠标按钮, 在提示窗口中读取速度值V1。 (5) 计算出各个V2和V1的差值。
3.8 雷达天线水平测试
测试方法: (1) 将水平仪放在测试平台上, 将方位调到0°, 调整水平仪, 使水泡处于中间位置, 记下读书。然后手动方位减速器手摇炳, 每转动45°后调整水平仪使水泡处于中间位置, 并记下水平仪变化后的读数。 (2) 计算方位角度相差180°的两读数的差值, 选取最大差值。
4 安全作业
年维护是一项工作量非常大的技术工作, 需要一定的时间才能完成, 不可操之过急, 必须在断电停机状态下施, 安全作业。如擦拭调制机柜和高压机柜内元器件时必须等相关元器件充分放电后进行;进入天线罩内应先将安全开关盒置于“断”;上天线时应注意将安全插销拉出将方位或俯仰按钮操作位置锁死;不要使用不合适的清洁剂来清洗机电元件及汇流环等。否则会出现“机损人伤”的后果, 不可疏忽大意, 应高度重视。
5 结语
雷达维护保养工作可以有效地预防和减少故障的发生, 将故障排除在萌芽阶段, 对保证设备连续正常工作具有重要意义。雷达技术人员应加强业务学习, 进一步努力掌握新一代天气雷达的工作原理和基本结构, 做到多维护, 勤思考, 在工作中不断累积经验, 才能做好年维护工作。年维护工作纷繁复杂, 掌握一套行之有效的年维护方法和参数测试步骤对雷达保障人员做好本职工作有重要意义。该文根据雷达的结构组成和工作原理, 总结出一套简单的年维护和重要性能参数测试方法, 但存在一定的局限性, 还有很多细节需要在以后的年维护工作中实践且完善。
参考文献
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