汪楓 劉潤華 方群樂

摘?要：雷達(dá)收發(fā)原理是我院雷達(dá)工程、預(yù)警探測指揮與工程等專業(yè)最重要的專業(yè)課之一，受實驗條件的制約，多年來實驗教學(xué)多以驗證性實驗為主。本文結(jié)合雷達(dá)收發(fā)原理的實驗教學(xué)改革，提出了課程實驗設(shè)計思路，給出了實驗安排，研制了雷達(dá)收發(fā)原理實驗教學(xué)平臺，三個期班教學(xué)實踐證實了實驗教學(xué)內(nèi)容合理性和實驗教學(xué)平臺的有效性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)收發(fā)原理;實驗;教學(xué)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(dá)收發(fā)原理課程是我院雷達(dá)工程、預(yù)警探測指揮與工程專業(yè)本科學(xué)員的一門專業(yè)課，是一門集理論性、實踐性和應(yīng)用性于一體的課程。該課程內(nèi)容概念多，要在有限的教學(xué)時間內(nèi)達(dá)到理想的教學(xué)效果[1-3]，使學(xué)員對雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機和接收機的組成有一個清晰的整體認(rèn)識，對關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和工作原理等內(nèi)容有深刻的理解相當(dāng)困難。該課程的實驗教學(xué)以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，并為理論教學(xué)服務(wù)。因此，實驗教學(xué)就顯得尤為重要[4-6]。學(xué)員通過實驗可以建立雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機和接收機的基本概念，加深對關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和工作原理的理解。為此，本文結(jié)合雷達(dá)收發(fā)原理的實驗教學(xué)改革，提出了課程實驗設(shè)計思路并給出了部分實驗內(nèi)容安排，研制了雷達(dá)收發(fā)原理實驗教學(xué)平臺，三個期班教學(xué)實踐證實了實驗教學(xué)內(nèi)容的合理性和實驗教學(xué)平臺的有效性。

1 雷達(dá)收發(fā)原理課程實驗

雷達(dá)收發(fā)原理課程實驗的基本要求是：學(xué)員通過實驗對加深對雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機和接收機組成的理解，掌握雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機和接收機關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測量方法，掌握常用儀表的使用方法。為此，我們設(shè)計了三種層次的實驗：一是基礎(chǔ)性實驗，包括實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)查看和工作原理分析、儀表操作使用和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測量;二是設(shè)計性實驗，包括實驗設(shè)備參數(shù)改變、測量儀表參數(shù)改變和實驗方法改變對實驗結(jié)果的影響;三是綜合性實驗，包括雷達(dá)回波的模擬、雷達(dá)接收通道的設(shè)計和回波信號處理等。

1.1 基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗中的實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)查看可以幫助學(xué)員建立雷達(dá)頻綜器、發(fā)射機和接收機組成的整體和直觀認(rèn)識;雷達(dá)收發(fā)雷達(dá)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(dá)頻綜器輸出頻率穩(wěn)定性和頻譜純度、雷達(dá)發(fā)射信號的時頻域特性、雷達(dá)發(fā)射機的功率特性和接收機頻響曲線等。

1.2 設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗包括實驗設(shè)備參數(shù)改變、測量儀表參數(shù)改變、實驗方法改變對實驗結(jié)果的影響等，這里給出幾個設(shè)計性實驗安排的例子。

1.2.1 噪聲系數(shù)測量實驗

噪聲系數(shù)測量實驗是為了使學(xué)員理解噪聲系數(shù)的物理意義及其影響噪聲系數(shù)的因素，具體實驗包括如下內(nèi)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(shù)的測量結(jié)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(shù)測量結(jié)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(shù)測量結(jié)果;

（4）分析比較影響噪聲系數(shù)的因素，總結(jié)接收機低噪聲系數(shù)的實現(xiàn)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(wěn)定度的重要技術(shù)指標(biāo)，利用頻譜儀對其進(jìn)行測量，但頻譜儀的參數(shù)設(shè)置對測量結(jié)果的影響較大，因此可以通過改變頻譜儀設(shè)置參數(shù)觀察測量結(jié)果。具體實驗內(nèi)容如下。

（1）將頻譜儀的RBW（中頻帶寬）和VBW（視頻帶寬）設(shè)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(shè)置值，計算不同設(shè)置參數(shù)條件下相位噪聲值，并比較測量結(jié)果;

（2）將頻譜儀的RBW和VBW設(shè)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(shè)置值，計算不同設(shè)置參數(shù)條件下相位噪聲值，并比較測量結(jié)果;

（3）通過上述實驗，分析測量相位噪聲時，RBW和VBW參數(shù)設(shè)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(dá)接收機關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)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(guān)鍵的一步是如何讓信號源輸出功率為零。具體內(nèi)容如下。

（1）斷開信號源與接收機之間連接饋線，記錄測量結(jié)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(shè)置為最大值，記錄測量結(jié)果;

（3）連接信號源與接收機之間連接饋線，關(guān)閉信號源，記錄測量結(jié)果;

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

（5）比較直接測量法和間接測量法的測量結(jié)果，分析測量結(jié)果不同的原因。

1.3 綜合性實驗

綜合性實驗是為了讓學(xué)員理解雷達(dá)的工作過程，掌握關(guān)鍵節(jié)點雷達(dá)信號的頻率和功率變化。因此實驗內(nèi)容包括雷達(dá)回波信號模擬、接收通道的設(shè)計和回波信號處理等內(nèi)容。

1.3.1 雷達(dá)回波信號模擬實驗

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

1.3.2 接收通道設(shè)計實驗

將模擬的雷達(dá)回波信號輸入到雷達(dá)接收機，合理設(shè)置雷達(dá)接收機RF-STC和IF-STC衰減量，確保雷達(dá)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(jié)果輸出到終端計算機進(jìn)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(jìn)行I、Q分離，對I、Q通道數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮、雜波抑制等處理。

2 實驗平臺建設(shè)

2.1 實驗平臺建設(shè)概述

為支撐上述三種層次的實驗，必須構(gòu)建完善的實驗平臺。實驗平臺分為L波段雷達(dá)發(fā)射機實驗平臺和P波段雷達(dá)接收機實驗平臺。L波段雷達(dá)發(fā)射機實驗平臺包括L波段雷達(dá)發(fā)射機實驗箱、頻譜儀、示波器和功率計等。P波段雷達(dá)接收機實驗平臺包括P波段雷達(dá)信號發(fā)生器實驗箱、P波段雷達(dá)接收機實驗箱、掃頻儀、數(shù)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(dá)發(fā)射機實驗箱

L波段雷達(dá)發(fā)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(shù)的測量;二是用于雷達(dá)發(fā)射信號形式及其脈沖波形的測量;三是用于固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機功率特性的測量。

L波段雷達(dá)發(fā)射機實驗箱由波形產(chǎn)生模塊、開關(guān)濾波器模塊、上變頻模塊、功放模塊、頻率源模塊、控制保護(hù)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(dá)信號產(chǎn)生器實驗箱

P波段雷達(dá)信號發(fā)生器實驗箱主要完成的功能如下：一是利用DDS波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生復(fù)雜多樣的雷達(dá)信號波形;二是可模擬產(chǎn)生雷達(dá)目標(biāo)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(chǎn)生不同點頻連續(xù)波信號，用于接收機臨界靈敏度和動態(tài)范圍的測量;四是可對接收機30MHz的中頻信號進(jìn)行A/D采樣，將數(shù)據(jù)傳送給終端計算機用于后續(xù)信號處理。

P波段雷達(dá)信號發(fā)生器由數(shù)字收發(fā)模塊、上變頻模塊、顯控模塊、步進(jìn)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(dá)接收機實驗箱

P波段雷達(dá)接收機實驗箱主要完成的功能如下：一是用于雷達(dá)接收通道靈敏度和噪聲系數(shù)的測量;二是用于增益和動態(tài)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(shù)放大視頻檢波性能的測量。

P波段雷達(dá)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(luò)高頻放大器、數(shù)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(shù)控衰減器、線性中放、I/Q正交鑒相、對數(shù)放大器組成，其原理框圖如圖5所示。

3 結(jié)語

雷達(dá)收發(fā)原理課程實驗教學(xué)使得學(xué)員能夠較快地建立雷達(dá)頻綜器、雷達(dá)發(fā)射機和雷達(dá)接收機的感性認(rèn)識，加深對課堂理論教學(xué)內(nèi)容的理解，還可以開展設(shè)計性和綜合性實驗，提高學(xué)員綜合能力素質(zhì)。本文討論的實驗教學(xué)平臺可以開展各個層次的各種實驗，為雷達(dá)收發(fā)原理的課堂教學(xué)起到了良好的輔助作用。三個期班教學(xué)實踐證明，基礎(chǔ)性教學(xué)實驗內(nèi)容使絕大部分學(xué)員基本掌握儀表的操作使用、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測量方法和雷達(dá)收發(fā)分系統(tǒng)的組成;設(shè)計性教學(xué)實驗內(nèi)容使大部分學(xué)員掌握影響測量關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)結(jié)果的因素，綜合性實驗內(nèi)容使基礎(chǔ)較好的同學(xué)透徹地理解了雷達(dá)的工作過程及其雷達(dá)各分系統(tǒng)之間的關(guān)系。

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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(yù)警學(xué)院預(yù)警技術(shù)系系統(tǒng)與機電技術(shù)教研室，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)信號處理研究。