雷達接收機故障檢測訓練系統設計＊

蔡云龍 潘紅兵 朱啟龍

（海軍工程大學 武漢 430033）

1 引言

在雷達故障檢測和維修培訓過程中，如果采用實裝對學員進行訓練，不僅裝備的配置成本高難度大，而且對雷達裝備的損傷程度大，維護費用高。為了在有限的條件下滿足學員雷達故障診斷訓練的需求，尋求在仿真環境下進行訓練成為一條有效的途徑。雷達接收機是雷達系統的關鍵組成部分，長期以來一直是雷達整機中故障頻率較高的分機。本文就以接收機故障檢測仿真訓練介紹一個方案，對雷達整機仿真訓練也有一定的研究意義。

傳統的接收機故障診斷方法是維修人員根據接收機一些關鍵部件上有限的BIT和自身的經驗進行分析、猜測、判斷，缺乏故障推理機制，對多故障并發的情況較難進行隔離定位［1］。如果能提供接收機模塊適當的電源和信號激勵，使接收機模塊在仿真的環境下工作，這樣學員就可以直觀地對模塊的輸出信號和模塊內部中間的信號進行檢測，可以加深學員對雷達接收機工作機理的理解，提高他們雷達故障檢測和診斷能力。基于這一目的，本文研究設計一種可以模擬、仿真雷達接收機工作環境的故障檢測訓練系統。

2 系統硬件

系統以嵌入式微處理器小系統作為中心處理器，通過相應接口分別控制FPGA信號發生系統，信號調理系統，電源系統。依據接收機模塊的電源和信號激勵要求，嵌入式微處理器系統發送指令給FPGA，控制FPGA信號發生系統產生標準仿真信號。仿真信號進入信號調理電路進行調制、放大等處理后，作為雷達接收機模塊的激勵信號。電源系統根據嵌入式微處理器傳來的指令產生相應的電壓，作為接收機模塊的電源輸入［2～3］。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.1 信號發生系統

信號發生系統主要是以FPGA、晶振及相應的外圍電路組成。FPGA采用的是EP2C8Q208C8芯片，管腳電平和嵌入式微處理器是一致的，和嵌入式微處理器通信不需電平轉換電路。FPGA根據嵌入式微處理器的指令有選擇性的輸出相應的脈沖信號［4］。其中FPGA信號產生及選擇輸出模塊的頂層設計圖和仿真信號如圖2～圖4所示。

圖2 信號產生和選擇模塊FPGA頂層設計圖

圖3 信號周期和脈寬控制電路

圖4 信號發生系統仿真結果

2.2 信號調理系統

信號調理系統主要包括振蕩電路、信號調制電路和信號放大電路。振蕩電路由有源晶振電路構成，振蕩產生的信號通過衰減和濾波網絡作為中頻載波。中頻載波和FPGA產生的脈沖信號進行ASK調制，生成中頻調制信號［5］。振蕩電路和調制電路實現如圖5所示。

圖5 晶體振蕩電路和AD835ASK調制電路

由于信號放大電路一方面要放大信號產生系統產生的脈沖信號，一方面要放大調制電路調制好的中頻調制信號，所以要求放大電路具有較寬的帶寬和良好的放大性能［6］。本系統采用低噪聲、寬帶寬的高頻放大芯片AD8009，作為放大電路的核心芯片。具體實現如圖6所示。

圖6 AD8009信號放大電路

2.3 電源系統

雷達接收機采用直流供電，鑒于它是接收、放大和處理雷達微弱電磁中頻信號的，對電源噪聲要求較高，本系統采用以下措施對電源系統進行了處理［7］：

1）在電源輸出端采用大電容和扼流圈等措施扼制紋波電壓；

2）運用電磁兼容等技術手段，合理布線，減少外來干擾和內部串擾；

3）將數字地和模擬地分開處理，最后再集中到一點接地，減少接地電阻。

3 系統軟件

本系統軟件包括嵌入式微處理器系統程序和FPGA信號產生程序。嵌入式微處理器控制鍵盤輸入、液晶顯示、FPGA信號產生、電源供給，是整個系統的控制中心，也是人機交互的接口。系統啟動后，嵌入式微處理器對各模塊進行初始化，并根據不同的接收機模塊進入對應的檢測程式，仿真產生對應的電源和信號激勵。首先，系統啟動電源對模塊供電。如果電源監測系統報警，則待檢測模塊可能發生短路、斷路等故障，斷開電源，結束檢測。而后，系統啟動FPGA信號產生系統，生成對應脈沖到信號調理電路進行信號調制和放大，作為接收機模塊的中頻輸入［8～9］。

嵌入式微處理器程序流程框圖如圖7所示。

圖7 嵌入式微處理器程序流程框圖

4 結語

采用仿真的訓練手段可以培養學員的故障檢測能力，但是也不能完全代替采用實裝進行訓練。環境因素、人為因素、硬件軟故障等等在仿真環境中不可能完全考慮進去。在實驗教學中，可以采用仿真實驗和實物實驗相結合的方法，用仿真的方法對學員進行培訓，再在實裝上進行驗證性訓練，逐步提高學員的實踐能力

本系統可以實現對雷達接收機工作狀態的模擬和仿真。學員在訓練過程中可以對接收機機所有輸入輸出進行檢測，進而進行故障診斷和故障隔離。由于本系統直觀地仿真接收機各模塊信號的特征，它也可以幫助學員增強對雷達接收機工作原理的理解，進而幫助他們提高雷達故障診斷能力。

［1］余志紅.電氣設備在線監測與故障診斷技術的現狀與前景［J］.江西電力，2008，32（5）：28－31.

［2］孟憲元，錢偉康.FPGA嵌入式系統設計［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［3］段哲.嵌入式系統通信機制的研究與應用［J］.艦船電子工程，2012，30（7）：81－84.

［4］任建新，余樂詠，張鵬.基于FPGA的高精度信號發生器的實現與優化［J］.測控技術，2011，30（1）：13－16.

［5］宋依青.一種新型ASK調制系統的設計與實現［J］.通信技術，2011，44（2）：22－25.

［6］孟麗霞，于林麗，濮鈺麒，等.微小信號放大電路設計［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1012－1013.

［7］晏勇.現代電子系統中電源技術的發展和應用［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009，11：12－15.

［8］張齊.單片機原理與應用系統設計［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［9］毛永毅，張宏君，王宏亮.一種新型嵌入式無線傳感器網絡的設計［J］.測控技術，2012，31（10）：37－41.

［10］朱大奇.電子設備故障診斷原理與實踐［M］.北京：電子工業出版社，2004.