信息化條件下雷達原理與系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容革新研究

呂 波 張宏偉 馬俊濤 梁四洋

中國人民解放軍軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系 河北石家莊 050003

雷達原理與系統(tǒng)是學(xué)習(xí)雷達基本理論、工作體制、系統(tǒng)組成的一門專業(yè)課，是雷達工程、電子工程等專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，對學(xué)員掌握雷達基本理論，建立完整的雷達系統(tǒng)概念，提高雷達工程實踐能力具有重要作用。目前，本課程是生長干部學(xué)歷教育雷達工程專業(yè)和電子工程(防空兵雷達指揮)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中一門專業(yè)必修課程；也是生長干部任職培訓(xùn)雷達維修工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中一門任職崗位的必修課程。因此，較好地掌握本課程教學(xué)內(nèi)容對于各層次學(xué)員具有舉足輕重的作用。

目前，該課程的教學(xué)內(nèi)容包含發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、天饋分系統(tǒng)、終端顯示分系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)等多個雷達組件，涉及電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字邏輯電路、信號與線性系統(tǒng)分析、微波電子電路、微波工程基礎(chǔ)和雷達信號處理等多門課程的相關(guān)知識。課程的突出特點是跨度大、涉及面廣，學(xué)員普遍反映內(nèi)容抽象，較難理解，學(xué)習(xí)難度大。國內(nèi)大部分電子信息類大學(xué)及其他綜合性大學(xué)、軍事院校不是沒有實際的雷達裝備，就是裝備數(shù)量和種類有限且較為陳舊，開展該課程教學(xué)時只能采用灌輸?shù)姆椒ǎ茸寣W(xué)員掌握基本理論，在學(xué)員接觸到實際雷達裝備后再自行理解，因此很難保證教學(xué)效果。

目前我院擁有各型雷達裝備幾十種，其中涵蓋警戒雷達、火控雷達、偵察校射雷達、氣象雷達等，數(shù)量龐大，技術(shù)較新，體現(xiàn)了當(dāng)前我國雷達技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來發(fā)展的趨勢。如果充分利用這一有利條件，將新型雷達裝備、雷達原理與系統(tǒng)教學(xué)各個環(huán)節(jié)相結(jié)合，必將有力地提高課程的教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)實施中將無形而枯燥的雷達基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與有形的新型雷達裝備相結(jié)合，幫助學(xué)員理解教學(xué)內(nèi)容，掌握雷達裝備發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)國內(nèi)外新型雷達裝備發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，與時俱進更新教學(xué)內(nèi)容，將原課程教材中一些陳舊的內(nèi)容替換為新型雷達的技術(shù)和理論，使學(xué)員所學(xué)的知識與整個雷達裝備的發(fā)展現(xiàn)狀相適應(yīng)，可實現(xiàn)無縫銜接，避免出現(xiàn)理論知識與實際裝備斷代、隔代的問題。

1 雷達原理與系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，我院雷達原理與系統(tǒng)、現(xiàn)代雷達原理兩門課程選用的教材是西安電子科技大學(xué)出版社出版的2002年版(第三版)《雷達原理》一書。該教材是國家重點教材，被多所高等院校選為授課教材，其內(nèi)容經(jīng)典，講述較為詳細，目前已經(jīng)多次改版重印。但正如其第三版的前言所述，在編修時雖然內(nèi)容做了較大更新，但也只能盡量反映20世紀80年代以來雷達技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

進入21世紀后，特別是“十一五”期間，隨著微波技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，我國雷達技術(shù)和裝備出現(xiàn)了一次大繁榮、大發(fā)展的時期，我軍研制和列裝了一大批新型、高性能的雷達裝備，大大縮短了與國外在雷達技術(shù)方面的差距。在此期間全固態(tài)發(fā)射機，MMIC，DSP，F(xiàn)PGA，CPLD，DRFM，相控陣雷達，數(shù)字波束形成技術(shù)，合成孔徑技術(shù)，逆合成孔徑技術(shù)，電子對抗技術(shù)，雷達性能檢測技術(shù)等飛速發(fā)展，日新月異。反觀《雷達原理》一書，雖然多次更新改版，但是其前8章內(nèi)容幾乎沒變，只是對其中的印刷錯誤加以修改，并增加了第9章的高分辨雷達。這些改動不能讓學(xué)員掌握目前雷達技術(shù)發(fā)展的真實現(xiàn)狀，特別是某些章節(jié)的觀點略顯陳舊、個別地方表述不清。

國內(nèi)多所高等院校在教授本課程時，由于學(xué)校沒有雷達裝備，不能掌握我軍新型雷達裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，更沒有能力獲取準(zhǔn)確的雷達技術(shù)資料，因此只能按照教材上的內(nèi)容教學(xué)。學(xué)生畢業(yè)后接觸到實際裝備，發(fā)現(xiàn)很多雷達裝備的技術(shù)性能與課本上學(xué)到的有出入，會感覺技術(shù)上有明顯的跳躍性。

由于我院具備雷達裝備方面的優(yōu)勢，并且掌握了大量的雷達裝備技術(shù)資料，且有大批雷達方面的專家教授，因此完全具備對課程教學(xué)內(nèi)容進行改革的基礎(chǔ)、條件和能力。我們可以對《雷達原理》一書的內(nèi)容適當(dāng)增刪，結(jié)合新型雷達裝備發(fā)展現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地開展雷達原理與系統(tǒng)課程的教學(xué)工作。

2 教學(xué)內(nèi)容革新

2.1 結(jié)合裝備現(xiàn)狀，革新教學(xué)內(nèi)容

(1)增加雷達發(fā)展概況研究，更新和補充《雷達原理》一書中的緒論部分。教材中本章的參考文獻最新的是1999年，無法充分反映進入21世紀以來雷達裝備的發(fā)展現(xiàn)狀。此外，補充雷達發(fā)展史介紹，讓學(xué)員明白雷達是如何發(fā)展而來的，為什么有這么多種類的雷達。講述發(fā)展史時，要注意結(jié)合各個時代的政治背景。例如，由于防空襲轟炸的需要，20世紀30年代英國制造了首部雷達；由于冷戰(zhàn)時期美蘇爭霸的刺激，20世紀60年代美軍研制了首部高頻超視距雷達，用于提前預(yù)警前蘇聯(lián)洲際導(dǎo)彈的攻擊；由于越戰(zhàn)的需要，20世紀70年代美軍研制了首部探地雷達，用于探測地下的游擊隊地道。

(2)增設(shè)《雷達天線》一章。我院目前開設(shè)有微波工程基礎(chǔ)，在該課程中學(xué)員會學(xué)習(xí)到如拋物面天線、陣子天線、八木天線等一些基本的天線形式。但是，由于該課程主要目的在于學(xué)習(xí)天線的基本原理，適用于通信、無人機、雷達、制導(dǎo)等各個方向，因此與實際的雷達裝備結(jié)合較弱，過于偏重理論。同時，它介紹的一些天線形式也較為簡單，在雷達裝備上很少見到。針對這一問題，我們增設(shè)《雷達天線》一章，重點介紹目前國內(nèi)外雷達裝備的天線技術(shù)，如相控陣天線、波導(dǎo)裂縫天線、平面貼片天線及其陣列技術(shù)、多波束天線等，結(jié)合雷達的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)進行分析探討，讓學(xué)員明白不同種類天線的特點和用途。

(3)將全固態(tài)發(fā)射機的最新技術(shù)融入課程內(nèi)容，結(jié)合我軍多種使用固態(tài)發(fā)射機的雷達裝備和大型相控陣雷達裝備進行講述。

(4)補充講述全相參雷達脈沖調(diào)制的實現(xiàn)原理。

(5)研究雷達接收部分相關(guān)高頻微波器件的發(fā)展現(xiàn)狀，更新有關(guān)新型雷達裝備接收機中所用的微波高頻器件的知識點，如鐵氧體器件、限幅器、對數(shù)放大器、超低噪聲微波晶體管、場效應(yīng)器件，雙平衡混頻器及單片MMIC器件等。

(6)將本振部分從《雷達接收機》一章中剝離，增加DDS，PLL，直接頻率合成和PLDRO等內(nèi)容，將其擴展為《雷達頻率綜合技術(shù)》，單獨成章。

(7)由于新型雷達裝備普遍采用光柵掃描顯示器，因此研究如何擴充光柵掃描雷達顯示終端的授課內(nèi)容，使學(xué)員了解該種顯示終端的工作原理。

(8)擴展雷達目標(biāo)檢測理論和雷達目標(biāo)極化特性方面的分析，配合實際雷達裝備進行教學(xué)。

(9)結(jié)合多種新型警戒雷達，擴展三坐標(biāo)警戒雷達實現(xiàn)技術(shù)的知識點。

2.2 豐富教學(xué)手段，增設(shè)實驗教學(xué)內(nèi)容

(1)設(shè)計雷達原理課外上機操作實踐環(huán)節(jié)，輔助學(xué)員了解雷達的整個工作流程，形成一個完整的雷達系統(tǒng)概念。檢驗學(xué)員對所學(xué)知識的理解、掌握程度，最好的辦法就是通過實踐來進行。通過操作環(huán)節(jié)的教學(xué)訓(xùn)練，不僅可以檢驗學(xué)員對所學(xué)知識的理解、掌握程度，還可以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動手能力、操作技能、分析問題和解決問題的能力等[1]。

(2)開設(shè)教學(xué)實驗。我院培養(yǎng)的學(xué)員，畢業(yè)后很多成為部隊的裝備保障技術(shù)骨干。如果他們在學(xué)校僅僅學(xué)到一些空洞的理論，將無法應(yīng)付工作崗位中遇到的各類實際問題，滿足不了崗位任職能力要求。通過開設(shè)雷達實驗，尤其是與部隊實際需求緊密結(jié)合的實驗活動，可以培養(yǎng)學(xué)員自己動手解決各類工程實際中技術(shù)難題的勇氣和信心，培養(yǎng)學(xué)員堅忍不拔的意志和毅力，并在這個過程中增強學(xué)員的工程意識。

3 方法措施

3.1 新型雷達裝備資料搜集和整理

整理已有的新型雷達裝備資料，與承研、承制單位溝通協(xié)商，掌握更多的裝備發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀和未來裝備發(fā)展的趨勢，最后建立一份較為完整的新型雷達裝備資料庫。資料庫應(yīng)該涵蓋裝備的主要技戰(zhàn)術(shù)特點、與該課程內(nèi)容相關(guān)的原理資料、實裝圖片、電路圖紙等。

3.2 課程教學(xué)內(nèi)容校對

教學(xué)內(nèi)容校對，主要針對以下幾個問題：

(1)課程哪些內(nèi)容較為陳舊，滯后于目前雷達技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀。

(2)課程哪些內(nèi)容囿于編寫時條件限制，講述不清，學(xué)員普遍難以理解。

(3)課程需要增添的雷達知識，這些知識在新型雷達裝備中已普遍采用。

3.3 課程教學(xué)內(nèi)容補充更新

根據(jù)已經(jīng)掌握的新型雷達裝備資料以及前期教學(xué)內(nèi)容校對結(jié)果，增刪相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容，補充文字材料、圖片資料和電路圖紙，對于較難理解的部分，設(shè)計課外實踐上機環(huán)節(jié)，輔助學(xué)員消化理解雷達的基本理論，并最終形成新的教學(xué)實施方案。

3.4 實驗教學(xué)內(nèi)容優(yōu)選

通過實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力，完成從雷達原理到電路設(shè)計、電路分析、參數(shù)測試、結(jié)果分析的全過程，訓(xùn)練綜合實驗?zāi)芰蛣邮帜芰Γ_到綜合應(yīng)用書本知識、深化課堂內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)，對于提高學(xué)員認知能力和專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力有著重要的作用。

鑒于實驗環(huán)節(jié)在學(xué)員能力、素質(zhì)培養(yǎng)方面的重要作用，我院正在積極籌劃本課程的教學(xué)改革，下一步準(zhǔn)備增加10～20個學(xué)時用于實驗環(huán)節(jié)。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容需要，擬開設(shè)如下5個實驗項目。

(1)增益控制實驗：本實驗的目的是讓學(xué)員深入理解增益控制在增加雷達動態(tài)范圍方面的作用。對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容涉及AGC，IAGC和STC三種增益控制方法[2]。實驗系統(tǒng)圍繞一個小型的雷達收發(fā)前端構(gòu)建，再輔以不同RCS的角反射器擺放在距離雷達不同距離處，讓學(xué)員直觀感受：不用增益控制時，近距離強目標(biāo)對遠距離弱信號的遮蔽問題；使用增益控制后的改善效果。

(2)抗干擾跳頻實驗：本實驗的目的是讓學(xué)員體會雷達跳頻的抗干擾方法。跳頻的方式有手動跳頻、隨機跳頻和自適應(yīng)跳頻三種。實驗系統(tǒng)圍繞一個具備跳頻功能的雷達收發(fā)模塊構(gòu)建，輔助一個中心頻率可調(diào)的干擾源。當(dāng)干擾源工作時，學(xué)員可以選擇不同的抗干擾方式，通過對三種跳頻方式抗干擾效果的觀察，明白各自的優(yōu)劣，深入理解雷達跳頻抗干擾的原理。

(3)雷達測距實驗：本實驗的目的是讓學(xué)員明白雷達測距的實現(xiàn)方法，特別是調(diào)頻法測距。實驗系統(tǒng)由一套小型的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達組成，輔以簡單的信號處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等。實驗時，學(xué)員對著某一目標(biāo)照射，F(xiàn)MCW雷達輸出一個頻率差信號，信號處理經(jīng)過FFT處理得到頻率值，由距離—頻率轉(zhuǎn)換公式便可測出目標(biāo)的距離，并在顯示系統(tǒng)上顯示距離值。學(xué)員可以自行利用卷尺測量實際值，驗證測量的準(zhǔn)確度，并分析誤差產(chǎn)生的原因，提出改進的措施。

(4)多普勒效應(yīng)及雷達測速實驗：本實驗的目的是讓學(xué)員理解多普勒測速的原理，明白多普勒頻率fd與速度V和波長λ之間的關(guān)系。實驗系統(tǒng)由雷達收發(fā)前端、頻譜儀組成。實驗時，一名學(xué)員攜帶速度計量設(shè)備以某一恒定速度靠近(或遠離)雷達，其他學(xué)員觀察頻譜儀畫面，會明顯看到多普勒頻率；改變行進速度，發(fā)現(xiàn)多普勒頻率大小發(fā)生變化；改變雷達的發(fā)射頻率，即改變發(fā)射信號波長，重復(fù)上述實驗，發(fā)現(xiàn)多普勒頻率也會改變。將頻譜儀測得的多普勒頻率記錄下來，帶入公式fd=2V/λ，驗證速度測量精度，并分析誤差原因。

(5)雷達測角演示實驗：雷達測角的方法有最大信號法和等信號法兩種。本實驗基于某小型化相控陣雷達實驗系統(tǒng)開設(shè)。在距離雷達一定距離處放置一個輻射源，模擬目標(biāo)回波。通過相控陣技術(shù)，讓天線波束在搜索區(qū)域內(nèi)掃描，找出回波信號最大時天線波束的指向角，即為信號源所在的角度。比較測量值與實際值的偏差，分析引起測量偏差的原因，如步進數(shù)字移相器的影響等。通過該實驗，可以讓學(xué)員近距離接觸相控陣雷達，明白相控陣雷達的工作過程，天線波束的掃描方法以及基于最大信號法的雷達測角實現(xiàn)方法。

4 結(jié)束語

雷達是一個不斷發(fā)展、不斷創(chuàng)新的技術(shù)領(lǐng)域，所以雷達原理與系統(tǒng)課程的教學(xué)也要不斷發(fā)展與革新。軍校的課程教學(xué)要緊跟當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的水平，適時階段性地補充和完善教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，才能與時俱進，培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實、素質(zhì)全面、思維活躍、創(chuàng)新能力強的新時期軍校畢業(yè)生，滿足部隊對人才的需求。

[1] 王建生.改革教學(xué)方法加強實踐環(huán)節(jié)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報∶社會科學(xué)版,2001,2(4)∶75-76.

[2] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].西安∶西安電子科技大學(xué)出版社,2004.