一種單脈沖跟蹤雷達(dá)的通道檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

李 龍 胡振平 萬 軍

(中國(guó)兵器裝備集團(tuán)(成都)火控技術(shù)中心 成都 611731)

0 引言

作為防空火控雷達(dá)的單脈沖精密跟蹤雷達(dá)，是一種高跟蹤精度的單目標(biāo)跟蹤雷達(dá)，是近程防御系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。跟蹤雷達(dá)的收發(fā)通道主要由天線、TR組件、接收機(jī)、信號(hào)處理和頻率綜合器組成，TR組件是有源雷達(dá)發(fā)射子系統(tǒng)最重要的部件，其主要功能是實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的功放、波束合成所需的相位控制和目標(biāo)回波信號(hào)的低噪放，其性能直接影響整部雷達(dá)收發(fā)通道的穩(wěn)定性[1]。隨著跟蹤雷達(dá)設(shè)備使用年限的增加、貯存環(huán)境的不同以及工作溫度濕度的變化等因素的影響，可能出現(xiàn)連接器插頭插座松動(dòng)、射頻插損增加以及結(jié)構(gòu)零件變形(饋線駐波變化)等，易發(fā)生天線傳輸性能起伏、TR組件增益起伏、TR組件移相不確定和接收機(jī)增益起伏等不定情況，造成天線收發(fā)方向圖畸變、天線電軸指向精度、收發(fā)通道增益下降、幅相不穩(wěn)定以及數(shù)字和差性能降低，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致跟蹤雷達(dá)目標(biāo)跟蹤性能。為使跟蹤雷達(dá)性能在其工作期間處于規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)，需相應(yīng)手段定期或不定期地對(duì)收發(fā)通道工作狀態(tài)進(jìn)行判斷、故障定位和排除，以確保跟蹤雷達(dá)全壽命周期性能優(yōu)良[2-4]。針對(duì)跟蹤雷達(dá)裝備保障需求，基于其自身資源，給出了一種收發(fā)通道共用的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。通過某精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程驗(yàn)證了其有效性，經(jīng)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明此方法具有良好的工作效能。

1 通道檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成

根據(jù)對(duì)跟蹤雷達(dá)設(shè)備保障任務(wù)實(shí)際需要，基于雷達(dá)自身資源的基礎(chǔ)上，給出了一種單脈沖跟蹤雷達(dá)收發(fā)通道共用的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其主要由天線、TR組件、接收機(jī)、信號(hào)處理和頻率綜合器等組成，如圖1所示。

圖1 收發(fā)共用通道檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

收發(fā)通道檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)僅需在跟蹤雷達(dá)設(shè)備現(xiàn)有的收發(fā)通道(TR組件、接收機(jī)、信號(hào)處理和頻率綜合器)和天線之間嵌入一個(gè)基于耦合器、四功分器以及單刀雙擲開關(guān)等構(gòu)建的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)通道工作于發(fā)射模式下通道幅、相和接收模式下通道幅、相四個(gè)參數(shù)的測(cè)量，無需額外的檢測(cè)通道且具備實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn)[5-7]。其中，耦合器集成于天線，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道和接收通道檢測(cè)的復(fù)用，即發(fā)射通道檢測(cè)時(shí)，將經(jīng)TR組件T之路輸出的測(cè)試信號(hào)耦合至檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，接收通道檢測(cè)時(shí)，將頻率綜合器輸出的測(cè)試信號(hào)經(jīng)單刀雙擲開關(guān)和四功分器耦合至TR組件R之路；單刀雙擲開關(guān)和四功分器是收發(fā)通道檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換核心，連接頻率綜合器、TR組件和接收機(jī)；頻率綜合器提供測(cè)試時(shí)序，并按時(shí)序生成發(fā)射通道和接收通道檢測(cè)所需的測(cè)試信號(hào)；接收機(jī)為測(cè)試信號(hào)提供接收通道，完成混頻、低噪放和中頻濾波處理；信號(hào)處理將來自接收機(jī)的IF(中頻)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻以及數(shù)字正交解調(diào)，分離出各通道的測(cè)試響應(yīng)，獲得各通道的幅度與相位參數(shù)。

2 檢測(cè)原理及工作流程

2.1 發(fā)射通道幅相檢測(cè)

收發(fā)通道檢測(cè)時(shí)，頻率綜合器產(chǎn)生跟蹤雷達(dá)所需的測(cè)試時(shí)序，按測(cè)試脈沖的節(jié)拍生成測(cè)試信號(hào)，測(cè)試時(shí)序包括測(cè)試起始(PRF，為一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào))和測(cè)試信號(hào)(10μs)，且發(fā)射通道檢測(cè)和接收通道檢測(cè)的測(cè)試時(shí)序相同，如圖2所示。測(cè)試信號(hào)是跟蹤雷達(dá)收發(fā)通道檢測(cè)的關(guān)鍵，流經(jīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路的各組成分機(jī)，在PRF前沿延時(shí)60μs觸發(fā)，與跟蹤雷達(dá)正常工作時(shí)的信號(hào)類同，采用單載頻信號(hào)形式。

圖2 測(cè)試時(shí)序示意圖

發(fā)射通道幅度、相位檢測(cè)時(shí)，測(cè)試信號(hào)流經(jīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路各組成分機(jī)由頻率綜合器最后進(jìn)入信號(hào)處理。發(fā)射通道檢測(cè)時(shí)，需TR組件T之路逐一工作在發(fā)射狀態(tài)獨(dú)立進(jìn)行，以4#TR組件為例，發(fā)射檢測(cè)時(shí)4#TR組件T之路工作在發(fā)射狀態(tài)，其余TR組件T之路處于關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)試信號(hào)沿圖3中加粗虛線方向進(jìn)行。

圖3 發(fā)射通道幅相檢測(cè)工作流程示意圖

通道檢測(cè)開始時(shí)，頻率綜合器輸出檢測(cè)所需的測(cè)試時(shí)序，按照測(cè)試時(shí)序的節(jié)拍生成測(cè)試激勵(lì)信號(hào)。測(cè)試RF(射頻)信號(hào)入TR組件T之路經(jīng)功率放大后，過TR組件T之路的測(cè)試信號(hào)經(jīng)耦合器耦合之后，沿四功分器、單刀雙擲開關(guān)K1和K2，入接收機(jī)進(jìn)行混頻、低噪放和中頻濾波處理后輸出IF信號(hào)至信號(hào)處理，信號(hào)處理對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻以及數(shù)字正交解調(diào)，獲得I、Q信號(hào)，分離出各通道的測(cè)試響應(yīng)，通過計(jì)算逐一得到每個(gè)通道的發(fā)射幅相值，最終獲得每個(gè)通道的幅度與相位參數(shù)。在某精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程中，實(shí)測(cè)了其發(fā)射通道幅相，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)發(fā)射通道幅相檢測(cè)數(shù)據(jù)

由發(fā)射通道的幅度、相位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，發(fā)射通道幅度檢測(cè)時(shí)，TR組件T之路近于飽和發(fā)射狀態(tài)，且四路發(fā)射通道鏈路所經(jīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)硬件差別不大對(duì)幅度影響可忽略。四路發(fā)射通道工作正常時(shí)，發(fā)射通道測(cè)得的幅度值相差無幾(正常的四路TR組件T之路發(fā)射功率一致性較高)；若某一發(fā)射通道性能衰減或工作異常，此發(fā)射通道測(cè)得的幅度值會(huì)顯著下降。于此，將四路通道多次(取四次)發(fā)射通道檢測(cè)的幅度測(cè)量數(shù)據(jù)作相對(duì)歸一化處理取差值，考慮各發(fā)射通道的些許特性差異，依據(jù)合適門限(如-5dB)即可判定某一發(fā)射通道是否異常。幅度測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)歸一化處理，取差值Δi

(1)

其中，i為通道號(hào)，取1、2、3和4；j為測(cè)量次數(shù)，取1、2、…、n；Eij為第i通道第j次幅度測(cè)量值；Δi為第i通道的差值。

2.2 接收通道幅相檢測(cè)

接收通道幅度、相位檢測(cè)時(shí)，測(cè)試信號(hào)流經(jīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路各組成分機(jī)由頻率綜合器最后進(jìn)入信號(hào)處理。接收通道檢測(cè)時(shí)，所有TR組件T之路處于關(guān)閉狀態(tài)、R之路處于工作狀態(tài)，以4#TR組件為例，接收檢測(cè)時(shí)4#TR組件R之路工作在接收狀態(tài)，測(cè)試信號(hào)沿圖5中加粗虛線方向進(jìn)行。

圖5 接收通道幅相檢測(cè)工作流程示意圖

通道檢測(cè)開始時(shí)，頻率綜合器輸出檢測(cè)所需的測(cè)試時(shí)序，按照測(cè)試時(shí)序的節(jié)拍生成測(cè)試信號(hào)。測(cè)試RF信號(hào)沿單刀雙擲開關(guān)K1和四功分器，經(jīng)耦合器耦合進(jìn)TR組件R之路，再入接收機(jī)進(jìn)行混頻、低噪放和中頻濾波處理后輸出IF信號(hào)至信號(hào)處理，信號(hào)處理對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻以及數(shù)字正交解調(diào)，獲得I、Q信號(hào)，分離出各通道的測(cè)試響應(yīng)，通過計(jì)算逐一得到每個(gè)通道的接收幅相值，最終獲得每個(gè)通道的幅度與相位參數(shù)。在某精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程中，實(shí)測(cè)了其接收通道幅相，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)接收通道幅相檢測(cè)數(shù)據(jù)

由接收通道的幅度、相位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，接收通道幅度檢測(cè)時(shí)，TR組件R之路接收增益一致性較高，且四路接收通道鏈路所經(jīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)硬件差別不大對(duì)幅度影響可忽略。四路接收通道工作正常時(shí)，接收通道測(cè)得的幅度值相差不大；若某一接收通道性能衰減或工作異常，此接收通道測(cè)得的幅度值明顯降低。于此，將四路通道多次(取四次)接收通道檢測(cè)的幅度測(cè)量數(shù)據(jù)作相對(duì)歸一化處理取差值，依據(jù)合適門限(如-5dB)即可判定某一接收通道是否異常。

接收通道相位檢測(cè)與發(fā)射通道相位檢測(cè)過程略有不同，接收通道相位檢測(cè)時(shí)，無需控制TR組件R之路進(jìn)行移相。在接收通道幅度測(cè)量正常狀態(tài)下，通過計(jì)算同一通道前后兩次實(shí)測(cè)相位的差值，依據(jù)合適門限(如8°)可判定某一接收通道TR組件R之路相位是否異常。由于接收通道相位檢測(cè)沒有經(jīng)過相對(duì)相位測(cè)量，其檢測(cè)結(jié)果只供參考。故此，接收通道故障的判定應(yīng)以幅度檢測(cè)結(jié)果為主，相位檢測(cè)結(jié)果可進(jìn)一步證實(shí)故障狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)精密跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)工作過程和原理研究分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)某型跟蹤雷達(dá)收發(fā)通道狀態(tài)檢測(cè)判定，給出了一種收發(fā)共用的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，基于相對(duì)幅相測(cè)量方式，在缺少標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)設(shè)備狀態(tài)的快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)。在某精密跟蹤雷達(dá)產(chǎn)品的調(diào)試過程中，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該收發(fā)共用檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅相測(cè)試，具有測(cè)試過程安全、操作簡(jiǎn)單、故障快速定位等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一種低成本的測(cè)試保障手段，對(duì)裝備全壽命周期維護(hù)十分有益。