一種雷達通用檢測系統設計?

豐少偉 楊云生 張 晶 金牡丹

（海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）

1 引言

隨著科學技術的快速發展和戰場態勢的不斷變化，雷達作為現代軍事戰爭中非常重要的預警探測裝備，技術日趨成熟，功能日益強大，作用更加明顯［1］。為保持雷達裝備戰技術性能，有效發揮其作戰效能，確保雷達的測試性、維修性和保障性，雷達檢測系統及技術就顯得尤為重要［2］。

某新引進雷達系統結構復雜，設備量大，故障率高，同步未配備專用雷達檢測設備，相關原始設計資料和技術參數缺乏；而系統自帶的自檢程序，只能對通道進行簡單的測試，無法對信號幅值特征等進行定量、定性檢測描述，更不能作為故障分析的科學判據［3］。雷達系統性能檢測通常利用波導耦合引出信號進行，檢測手段不完善、波導耦合方法不方便、需拆卸波導［4］。而通過外置信號發生器、示波器、頻譜儀等人工實施，程序復雜、不安全因素多、檢測周期長、通用化程度低、系統保障效率不高［5］。

因此，本文在考慮某新引進雷達接收機前端饋線部分保障和檢測需求的基礎上，提出一種雷達通用檢測系統設計方法，通過收發雷達需求的電磁波信號，檢查雷達接收和發射通道工作情況，為雷達接、收發機系統故障排查定位提供技術判據。該檢測系統可適用于L、S、C、X、Ku、K、Ka等不同波段，實現了雷達檢測設備的通用化。

2 系統組成及總體方案

2.1 系統組成

雷達檢測系統主要由天線、衰減器、接收前端部件、檢波器、頻率源、信號采集單元、信號處理單元、顯示器等構成。

2.2 總體方案

雷達檢測系統在功能上包括兩個方面：一是對雷達發射支路的檢測，二是對雷達接收支路的檢測。進行雷達發射支路通道檢測時，檢測系統充當接收機的角色；而進行雷達接收支路通道檢測時，檢測系統充當發射機的角色。

2.2.1 對雷達發射支路的檢測

當檢測雷達發射支路通道時，檢測系統充當接收機，主要測量雷達的發射頻率、重復周期、功率、發射脈沖包絡、頻譜、天線方向圖等，具體檢測方案為測量雷達發射頻率時，實施方案如圖1所示；測量雷達重復周期和功率時，實施方案如圖2所示。

圖2 被測雷達功率、重復周期測量

當雷達檢測系統通過天線接收到被測雷達向外發射的電磁波后，接收信號在檢測系統中主要有兩個流向：一是輸入到檢測系統接收前端，在基準頻率源的參與下，通過混頻輸出中頻信號；二是通過衰減器后輸入到檢波器中，檢波器輸出脈沖信號，經信號采集單元、信號處理單元，在顯示器上進行顯示［6］。信號采集單元由雙通道AD變換器組成，采集中頻信號與脈沖信號；信號處理單元將AD變換器輸出的數字信號進行FFT變換或濾波處理，并轉換為VGA信號輸入到顯示器中，顯示信號的頻譜與波形［7］。

當采集到中頻信號并顯示出頻譜后，可通過頻譜推算雷達對外發射的電磁波信號頻率，其滿足：

其中，F0表示雷達對外發射的電磁波信號的頻率，FD為頻譜圖的頻率，FL0為基準頻率源的頻率。

雷達發射功率可通過檢波器輸出的脈沖幅度計算得到［8］，輸入功率Pi與雷達發射功率P滿足：

其中，G1為檢測設備接收天線增益，且G1=15dB；G2為雷達發射天線增益，且G2=38dB；η為檢測設備損耗，且η=4dB；L為自由空間電磁波衰減量，可通過下式計算得出

其中，F為信號的頻率，單位為MHz；D為發射與接收系統的距離，單位為km。

由式（1）、（2）、（3）就可算出被測雷達的發射頻率和功率。

2.2.2 對雷達接收支路的檢測

當對雷達接收支路進行檢測時，主要檢測接收支路是否能正常工作，得到的中頻信號是否正常，此時檢測系統充當發射機的角色，其檢測方案如圖3所示。檢測系統頻率源輸出的信號通過同軸轉換器輸入到天線，天線向被測雷達發射電磁波信號。被測雷達接收到檢測系統發射的電磁波信號后，在接收支路進行信號處理，同時雷達中頻放大器信號輸入檢測系統接收前端中頻接口，經放大器放大后輸入到信號采集單元和信號處理單元，最后通過顯示器顯示其頻譜。

圖3 被測雷達接收支路檢測

3 硬件設計

3.1 接收前端

檢測系統接收前端主要由混頻器、衰減器、濾波器、放大器和SPDT開關等組成，主要有兩個功能：一是將輸入的射頻信號與基準源信號進行混頻處理，獲得中頻信號，即混頻功能；二是將外部輸入的中頻信號進行放大處理，即放大功能，具體原理框圖如圖4所示。

圖4 接收前端原理框圖

從檢測系統天線接收到的電磁波信號輸入到混頻器中，與系統基準頻率源進行混頻，獲得內部中頻信號，再輸入到SPDT開關中［9］。SPDT開關輸出信號通過衰減器、濾波器濾除諧雜波后再經過SPDT開關。SPDT開關主要用于切換輸入外部與內部的中頻信號，SPDT開關輸出中頻信號經過放大器濾波器后再通過單刀開關輸出，最后輸入到信號采集單元中。經過上述電路，輸出中頻信號電平滿足峰值Vpp=1V，非常有利于信號的采集［1］。

3.2 檢波器

檢波器主要用于對功率的測量，選用包絡檢波器對輸入射頻信號進行檢波輸出，具體原理框圖如圖5所示。

圖5 檢波器原理框圖

檢波器由限幅器和包絡檢波器組成。從檢測系統天線接收到的射頻信號通過限幅器后進入包絡檢波器，輸出周期脈沖。檢波器輸入信號頻率為0.5GHz～43.5GHz，滿足 L～Ka波段，功率范圍為-30dBm～+15dBm，輸出幅度與輸入功率為正相關。因此，可以通過脈沖幅度獲知雷達發射電磁波信號的功率。

3.3 檢波器

信號采集和處理單元主要由可編程邏輯器件和AD變換器組成。圖6為中頻信號的處理框圖，圖7為脈沖信號的處理框圖。雷達檢測系統采用雙通道的AD轉換器，一個通道實時對中頻信號進行采集，另一個通道實時對脈沖信號進行采集。

圖6 中頻信號的處理框圖

圖7 脈沖信號的處理框圖

當從接收前端輸出的中頻信號輸入到中頻放大器經放大處理后，進入到AD轉換器中。可編程邏輯器件FPGA將控制AD轉換器完成高速采樣（采樣率 ≥250M），獲得數據后進行量化處理和FFT變換，并在顯示器上顯示出信號的頻譜。通過信號頻譜，最終獲得輸入中頻的具體數值。

對脈沖信號的處理，首先將接收的脈沖信號輸入到放大器中，并進行阻抗匹配；然后輸入到AD轉換器中進行變換。FPGA將獲得的電壓數據進行濾波處理后在顯示器上顯示其電壓波形。

3.4 天線

由于雷達檢測系統涵蓋L～Ka波段范圍，因此，天線采用寬頻段天線［10］。本系統采用專用訂制天線，其頻率范圍為0.5GHz～42GHz，增益為15dB。

4 軟件設計

檢測系統軟件部分主要完成FPGA對硬件的控制及圖形顯示功能，其軟件流程如圖8所示。FPGA負責完成對外圍硬件的初始化，包括對電子開關的初始狀態控制、ADC轉換器的初始化以及對顯示器的驅動控制。初始化完畢后，FPGA實時控制ADC轉換器，完成對中頻信號與脈沖信號的處理，當獲得正確有效的數據且緩存滿一幀時，進行FFT變換或濾波處理，并完成對數據的量化，再驅動顯示器顯示頻譜波形或脈沖波形［11］。

圖8 軟件流程圖

5 試驗分析

在實驗室環境條件下，對檢測系統檢波器進行了性能測量，在0.5GHz～40GHz工作頻率范圍內選擇三個頻點測量其線性度，其輸出電壓與誤差如圖9、圖10、圖11所示。由圖9～圖11可知，檢波器在輸入功率為-15dBm～+15dBm范圍內輸出電壓線性度良好，輸出誤差也比較小。

圖9 0.5GHz頻點處線性度

圖10 20GHz頻點處線性度

圖11 40GHz頻點處線性度

2019年4月5日在浙江舟山，利用設計的通用雷達檢測系統，對某型船載新引進雷達進行了實際測量。測量時，檢測系統的發射系統和用于測量雷達發射系統性能的接收系統均架設在碼頭上，用于測量雷達接收系統性能的測量電路連接在雷達接收機中頻輸出接口上。

接收系統獲得了其發射支路發射信號的脈沖信號波形圖，如圖12所示。通過圖12的波形，可以讀取出重復頻率參數。

圖12 脈沖信號波形圖

通過測量，獲得了雷達發射電磁波信號經接收前端部件處理后的中頻信號頻譜圖，如圖13所示。改變信號源輸出頻率，當調節為F0時，頻譜儀30MHz頻點處波形如圖所示。繼續改變頻率，頻譜儀頻譜最大功率點也發生偏移，30MHz頻點處信號大大減小。讀取此時信號源的頻率，即可獲得發射信號的頻率參數。

圖13 中頻信號頻譜圖

在測量雷達接收支路時，通過雷達檢測系統發射信號，在中頻信號輸出端口測量出脈沖信號。

圖14 中頻端口脈沖信號

試驗結果表明，可以通過雷達檢測系統直接讀取被測雷達中頻信號的頻率、脈沖信號的幅度，從而計算出雷達發射信號的頻率和功率。檢測系統測量得到的脈沖信號重復頻率等于雷達發射信號的重復頻率。同時，檢測系統可以測量出接收支路的中頻信號，對比雷達檢測系統的發射信號，可推斷出接收支路是否正常，雷達通用檢測系統達到了預期設計目標。

6 結語

本文闡述并設計了一套通用寬頻段雷達檢測系統，用于船載雷達裝備的性能檢測盒日常維護保障。檢測系統通過采用寬頻的射頻器件，可以實現對L～Ka波段雷達接收和發射支路的檢查測試。通過測量雷達發射支路的發射功率、頻率、重復周期數據判定發射支路是否正常；通過測量接收支路中頻信號的重復周期、頻率判定接收支路是否正常，從而實現了多波段雷達檢測的通用化。如果需要進一步測量雷達裝備中天饋系統各個部件的性能指標，如插入損耗、噪聲系數等，檢測系統還需專用儀器設備的輔助。