雷達收發原理課程教學實驗平臺建設

汪楓 劉潤華 方群樂

摘?要：雷達收發原理是我院雷達工程、預警探測指揮與工程等專業最重要的專業課之一，受實驗條件的制約，多年來實驗教學多以驗證性實驗為主。本文結合雷達收發原理的實驗教學改革，提出了課程實驗設計思路，給出了實驗安排，研制了雷達收發原理實驗教學平臺，三個期班教學實踐證實了實驗教學內容合理性和實驗教學平臺的有效性。

關鍵詞：雷達收發原理;實驗;教學平臺

Abstract：The course of radar transceiver principles is one of the most important professional courses of students majoring in radar engineering，early warning detection command and engineering in our college.Due to the constraints of experimental conditions，experimental teaching has mostly been based on confirmatory experiments for many years.This article combined with the experimental teaching reform of radar transceiver principles，put forward the experimental design ideas of the course，provided the experimental arrangement，and developed an experimental teaching platform for radar transceiver principles.Teaching practice of three classes confirmed the rationality of the experimental teaching content and the effectiveness of the experimental teaching platform.

Key words：Radar transceiver principles;Experiment;Teaching platform

雷達收發原理課程是我院雷達工程、預警探測指揮與工程專業本科學員的一門專業課，是一門集理論性、實踐性和應用性于一體的課程。該課程內容概念多，要在有限的教學時間內達到理想的教學效果[1-3]，使學員對雷達頻綜器、發射機和接收機的組成有一個清晰的整體認識，對關鍵技術指標和工作原理等內容有深刻的理解相當困難。該課程的實驗教學以理論教學為基礎，并為理論教學服務。因此，實驗教學就顯得尤為重要[4-6]。學員通過實驗可以建立雷達頻綜器、發射機和接收機的基本概念，加深對關鍵技術指標和工作原理的理解。為此，本文結合雷達收發原理的實驗教學改革，提出了課程實驗設計思路并給出了部分實驗內容安排，研制了雷達收發原理實驗教學平臺，三個期班教學實踐證實了實驗教學內容的合理性和實驗教學平臺的有效性。

1 雷達收發原理課程實驗

雷達收發原理課程實驗的基本要求是：學員通過實驗對加深對雷達頻綜器、發射機和接收機組成的理解，掌握雷達頻綜器、發射機和接收機關鍵技術指標的測量方法，掌握常用儀表的使用方法。為此，我們設計了三種層次的實驗：一是基礎性實驗，包括實驗設備結構查看和工作原理分析、儀表操作使用和關鍵技術指標的測量;二是設計性實驗，包括實驗設備參數改變、測量儀表參數改變和實驗方法改變對實驗結果的影響;三是綜合性實驗，包括雷達回波的模擬、雷達接收通道的設計和回波信號處理等。

1.1 基礎性實驗

基礎性實驗中的實驗設備結構查看可以幫助學員建立雷達頻綜器、發射機和接收機組成的整體和直觀認識;雷達收發雷達原理中測量儀表包括：示波器、頻譜儀、功率計和頻率特性測量儀等，利用它們測量雷達頻綜器輸出頻率穩定性和頻譜純度、雷達發射信號的時頻域特性、雷達發射機的功率特性和接收機頻響曲線等。

1.2 設計性實驗

設計性實驗包括實驗設備參數改變、測量儀表參數改變、實驗方法改變對實驗結果的影響等，這里給出幾個設計性實驗安排的例子。

1.2.1 噪聲系數測量實驗

噪聲系數測量實驗是為了使學員理解噪聲系數的物理意義及其影響噪聲系數的因素，具體實驗包括如下內容。

（1）將接收機主電路中射頻放大器和射頻濾波器的位置互換，比較兩種電路噪聲系數的測量結果;

（2）改變RF-STC（射頻靈敏度時間控制電路）的衰減量，比較各種不同衰減量條件下的噪聲系數測量結果;

（3）改變IF-STC（中頻靈敏度時間控制電路）的衰減量，比較各種不同衰減量條件下的噪聲系數測量結果;

（4）分析比較影響噪聲系數的因素，總結接收機低噪聲系數的實現方法。

1.2.2 相位噪聲測量實驗

相位噪聲是衡量頻率源輸出頻率短期頻率穩定度的重要技術指標，利用頻譜儀對其進行測量，但頻譜儀的參數設置對測量結果的影響較大，因此可以通過改變頻譜儀設置參數觀察測量結果。具體實驗內容如下。

（1）將頻譜儀的RBW（中頻帶寬）和VBW（視頻帶寬）設置為不同值，測量信號功率值和偏離信號頻率100kHz位置處噪聲功率值;改變RBW和VBW的設置值，計算不同設置參數條件下相位噪聲值，并比較測量結果;

（2）將頻譜儀的RBW和VBW設置為相同值，測量信號功率值和偏離信號頻率100kHz位置處噪聲功率值;改變RBW和VBW的設置值，計算不同設置參數條件下相位噪聲值，并比較測量結果;

（3）通過上述實驗，分析測量相位噪聲時，RBW和VBW參數設置原則。

1.2.3 臨界靈敏度測量實驗

臨界靈敏度是衡量不同接收機接收微弱信號的能力，是雷達接收機關鍵技術指標之一，其測量方法通常有直接測量法和間接測量法，直接測量法通常采用等信號法，其中關鍵的一步是如何讓信號源輸出功率為零。具體內容如下。

（1）斷開信號源與接收機之間連接饋線，記錄測量結果;

（2）連接信號源與接收機之間連接饋線，打開信號源，將信號源的衰減量設置為最大值，記錄測量結果;

（3）連接信號源與接收機之間連接饋線，關閉信號源，記錄測量結果;

（4）比較分析不同測量條件下的測量結果，總結各種使信號源輸出為零的方法優缺點;

（5）比較直接測量法和間接測量法的測量結果，分析測量結果不同的原因。

1.3 綜合性實驗

綜合性實驗是為了讓學員理解雷達的工作過程，掌握關鍵節點雷達信號的頻率和功率變化。因此實驗內容包括雷達回波信號模擬、接收通道的設計和回波信號處理等內容。

1.3.1 雷達回波信號模擬實驗

利用實驗平臺中的P波段信號發生器模擬不同距離單元、不同RCS大小、不同徑向速度的目標或雜波，并選擇不同信號形式，包括單載頻信號、線性調頻信號、非線性調頻信號等。

1.3.2 接收通道設計實驗

將模擬的雷達回波信號輸入到雷達接收機，合理設置雷達接收機RF-STC和IF-STC衰減量，確保雷達接收機能正常工作，并對中頻輸出信號直接采樣，將中頻采樣結果輸出到終端計算機進行信號處理。

1.3.3 回波信號處理實驗

編程采用不同方法對中頻采樣信號進行I、Q分離，對I、Q通道數據進行脈沖壓縮、雜波抑制等處理。

2 實驗平臺建設

2.1 實驗平臺建設概述

為支撐上述三種層次的實驗，必須構建完善的實驗平臺。實驗平臺分為L波段雷達發射機實驗平臺和P波段雷達接收機實驗平臺。L波段雷達發射機實驗平臺包括L波段雷達發射機實驗箱、頻譜儀、示波器和功率計等。P波段雷達接收機實驗平臺包括P波段雷達信號發生器實驗箱、P波段雷達接收機實驗箱、掃頻儀、數字存儲示波器和終端計算機等，其組成框圖見圖1所示。

2.2 L波段雷達發射機實驗箱

L波段雷達發射機實驗箱主要完成的功能如下：一是用于頻率源特性參數的測量;二是用于雷達發射信號形式及其脈沖波形的測量;三是用于固態雷達發射機功率特性的測量。

L波段雷達發射機實驗箱由波形產生模塊、開關濾波器模塊、上變頻模塊、功放模塊、頻率源模塊、控制保護模塊和電源模塊等組成，其原理框圖如圖2所示，其中功放模塊的原理框圖如圖3所示。

2.3 P波段雷達信號產生器實驗箱

P波段雷達信號發生器實驗箱主要完成的功能如下：一是利用DDS波形產生模塊產生復雜多樣的雷達信號波形;二是可模擬產生雷達目標回波信號，用于接收機通道接收性能和增益控制性能的分析實驗;三是可產生不同點頻連續波信號，用于接收機臨界靈敏度和動態范圍的測量;四是可對接收機30MHz的中頻信號進行A/D采樣，將數據傳送給終端計算機用于后續信號處理。

P波段雷達信號發生器由數字收發模塊、上變頻模塊、顯控模塊、步進衰減、電源等模塊組成，其原理框圖如圖4所示。

2.4 P波段雷達接收機實驗箱

P波段雷達接收機實驗箱主要完成的功能如下：一是用于雷達接收通道靈敏度和噪聲系數的測量;二是用于增益和動態范圍的測量;三是用于接收機濾波特性的測量;四是用于模擬正交鑒相電路性能的測量;五是用于對數放大視頻檢波性能的測量。

P波段雷達接收機實驗箱主要接收前端、中頻接收、頻率源及其電源組成，其中接收前端包絡高頻放大器、數控衰減器、射頻濾波器、混頻器1、混頻器2組成，中頻接收由數控衰減器、線性中放、I/Q正交鑒相、對數放大器組成，其原理框圖如圖5所示。

3 結語

雷達收發原理課程實驗教學使得學員能夠較快地建立雷達頻綜器、雷達發射機和雷達接收機的感性認識，加深對課堂理論教學內容的理解，還可以開展設計性和綜合性實驗，提高學員綜合能力素質。本文討論的實驗教學平臺可以開展各個層次的各種實驗，為雷達收發原理的課堂教學起到了良好的輔助作用。三個期班教學實踐證明，基礎性教學實驗內容使絕大部分學員基本掌握儀表的操作使用、關鍵技術指標的測量方法和雷達收發分系統的組成;設計性教學實驗內容使大部分學員掌握影響測量關鍵技術指標結果的因素，綜合性實驗內容使基礎較好的同學透徹地理解了雷達的工作過程及其雷達各分系統之間的關系。

參考文獻：

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作者簡介：汪楓（1974—?），女，湖北安陸人，副教授，教研室主任，空軍預警學院預警技術系系統與機電技術教研室，主要從事雷達系統和雷達信號處理研究。