雷达收发原理课程教学实验平台建设

2024.02.28

汪枫刘润华方群乐

摘?要：雷达收发原理是我院雷达工程、预警探测指挥与工程等专业最重要的专业课之一，受实验条件的制约，多年来实验教学多以验证性实验为主。本文结合雷達收发原理的实验教学改革，提出了课程实验设计思路，给出了实验安排，研制了雷达收发原理实验教学平台，三个期班教学实践证实了实验教学内容合理性和实验教学平台的有效性。

关键词：雷达收发原理;实验;教学平台

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

雷达收发原理课程是我院雷达工程、预警探测指挥与工程专业本科学员的一门专业课，是一门集理论性、实践性和应用性于一体的课程。该课程内容概念多，要在有限的教学时间内达到理想的教学效果[1-3]，使学员对雷达频综器、发射机和接收机的组成有一个清晰的整体认识，对关键技术指标和工作原理等内容有深刻的理解相当困难。该课程的实验教学以理论教学为基础，并为理论教学服务。因此，实验教学就显得尤为重要[4-6]。学员通过实验可以建立雷达频综器、发射机和接收机的基本概念，加深对关键技术指标和工作原理的理解。为此，本文结合雷达收发原理的实验教学改革，提出了课程实验设计思路并给出了部分实验内容安排，研制了雷达收发原理实验教学平台，三个期班教学实践证实了实验教学内容的合理性和实验教学平台的有效性。

1 雷达收发原理课程实验

雷达收发原理课程实验的基本要求是：学员通过实验对加深对雷达频综器、发射机和接收机组成的理解，掌握雷达频综器、发射机和接收机关键技术指标的测量方法，掌握常用仪表的使用方法。为此，我们设计了三种层次的实验：一是基础性实验，包括实验设备结构查看和工作原理分析、仪表操作使用和关键技术指标的测量;二是设计性实验，包括实验设备参数改变、测量仪表参数改变和实验方法改变对实验结果的影响;三是综合性实验，包括雷达回波的模拟、雷达接收通道的设计和回波信号处理等。

1.1 基础性实验

基础性实验中的实验设备结构查看可以帮助学员建立雷达频综器、发射机和接收机组成的整体和直观认识;雷达收发雷达原理中测量仪表包括：示波器、频谱仪、功率计和频率特性测量仪等，利用它们测量雷达频综器输出频率稳定性和频谱纯度、雷达发射信号的时频域特性、雷达发射机的功率特性和接收机频响曲线等。

1.2 设计性实验

设计性实验包括实验设备参数改变、测量仪表参数改变、实验方法改变对实验结果的影响等，这里给出几个设计性实验安排的例子。

1.2.1 噪声系数测量实验

噪声系数测量实验是为了使学员理解噪声系数的物理意义及其影响噪声系数的因素，具体实验包括如下内容。

（1）将接收机主电路中射频放大器和射频滤波器的位置互换，比较两种电路噪声系数的测量结果;

（2）改变RF-STC（射频灵敏度时间控制电路）的衰减量，比较各种不同衰减量条件下的噪声系数测量结果;

（3）改变IF-STC（中频灵敏度时间控制电路）的衰减量，比较各种不同衰减量条件下的噪声系数测量结果;

（4）分析比较影响噪声系数的因素，总结接收机低噪声系数的实现方法。

1.2.2 相位噪声测量实验

相位噪声是衡量频率源输出频率短期频率稳定度的重要技术指标，利用频谱仪对其进行测量，但频谱仪的参数设置对测量结果的影响较大，因此可以通过改变频谱仪设置参数观察测量结果。具体实验内容如下。

（1）将频谱仪的RBW（中频带宽）和VBW（视频带宽）设置为不同值，测量信号功率值和偏离信号频率100kHz位置处噪声功率值;改变RBW和VBW的设置值，计算不同设置参数条件下相位噪声值，并比较测量结果;

（2）将频谱仪的RBW和VBW设置为相同值，测量信号功率值和偏离信号频率100kHz位置处噪声功率值;改变RBW和VBW的设置值，计算不同设置参数条件下相位噪声值，并比较测量结果;

（3）通过上述实验，分析测量相位噪声时，RBW和VBW参数设置原则。

1.2.3 临界灵敏度测量实验

临界灵敏度是衡量不同接收機接收微弱信号的能力，是雷达接收机关键技术指标之一，其测量方法通常有直接测量法和间接测量法，直接测量法通常采用等信号法，其中关键的一步是如何让信号源输出功率为零。具体内容如下。

（1）断开信号源与接收机之间连接馈线，记录测量结果;

（2）连接信号源与接收机之间连接馈线，打开信号源，将信号源的衰减量设置为最大值，记录测量结果;

（3）连接信号源与接收机之间连接馈线，关闭信号源，记录测量结果;

（4）比较分析不同测量条件下的测量结果，总结各种使信号源输出为零的方法优缺点;

（5）比较直接测量法和间接测量法的测量结果，分析测量结果不同的原因。

1.3 综合性实验

综合性实验是为了让学员理解雷达的工作过程，掌握关键节点雷达信号的频率和功率变化。因此实验内容包括雷达回波信号模拟、接收通道的设计和回波信号处理等内容。

1.3.1 雷达回波信号模拟实验

利用实验平台中的P波段信号发生器模拟不同距离单元、不同RCS大小、不同径向速度的目标或杂波，并选择不同信号形式，包括单载频信号、线性调频信号、非线性调频信号等。

1.3.2 接收通道设计实验

将模拟的雷达回波信号输入到雷达接收机，合理设置雷达接收机RF-STC和IF-STC衰减量，确保雷达接收机能正常工作，并对中频输出信号直接采样，将中频采样结果输出到终端计算机进行信号处理。

1.3.3 回波信号处理实验

编程采用不同方法对中频采样信号进行I、Q分离，对I、Q通道数据进行脉冲压缩、杂波抑制等处理。

2 实验平台建设

2.1 实验平台建设概述

为支撑上述三种层次的实验，必须构建完善的实验平台。实验平台分为L波段雷达发射机实验平台和P波段雷达接收机实验平台。L波段雷达发射机实验平台包括L波段雷达发射机实验箱、频谱仪、示波器和功率计等。P波段雷达接收机实验平台包括P波段雷达信号发生器实验箱、P波段雷达接收机实验箱、扫频仪、数字存储示波器和终端计算机等，其组成框图见图1所示。

2.2 L波段雷达发射机实验箱

L波段雷达发射机实验箱主要完成的功能如下：一是用于频率源特性参数的测量;二是用于雷达发射信号形式及其脉冲波形的测量;三是用于固态雷达发射机功率特性的测量。

L波段雷达发射机实验箱由波形产生模块、开关滤波器模块、上变频模块、功放模块、频率源模块、控制保护模块和电源模块等组成，其原理框图如图2所示，其中功放模块的原理框图如图3所示。

2.3 P波段雷达信号产生器实验箱

P波段雷达信号发生器实验箱主要完成的功能如下：一是利用DDS波形产生模块产生复杂多样的雷达信号波形;二是可模拟产生雷达目标回波信号，用于接收机通道接收性能和增益控制性能的分析实验;三是可产生不同点频连续波信号，用于接收机临界灵敏度和动态范围的测量;四是可对接收机30MHz的中频信号进行A/D采样，将数据传送给终端计算机用于后续信号处理。

P波段雷达信号发生器由数字收发模块、上变频模块、显控模块、步进衰减、电源等模块组成，其原理框图如图4所示。

2.4 P波段雷达接收机实验箱

P波段雷达接收机实验箱主要完成的功能如下：一是用于雷达接收通道灵敏度和噪声系数的测量;二是用于增益和动态范围的测量;三是用于接收机滤波特性的测量;四是用于模拟正交鉴相电路性能的测量;五是用于对数放大视频检波性能的测量。

P波段雷达接收机实验箱主要接收前端、中频接收、频率源及其电源组成，其中接收前端包络高频放大器、数控衰减器、射频滤波器、混频器1、混频器2组成，中频接收由数控衰减器、线性中放、I/Q正交鉴相、对数放大器组成，其原理框图如图5所示。

3 结语

雷达收发原理课程实验教学使得学员能够较快地建立雷达频综器、雷达发射机和雷达接收机的感性认识，加深对课堂理论教学内容的理解，还可以开展设计性和综合性实验，提高学员综合能力素质。本文讨论的实验教学平台可以开展各个层次的各种实验，为雷达收发原理的课堂教学起到了良好的辅助作用。三个期班教学实践证明，基础性教学实验内容使绝大部分学员基本掌握仪表的操作使用、关键技术指标的测量方法和雷达收发分系统的组成;设计性教学实验内容使大部分学员掌握影响测量关键技术指标结果的因素，综合性实验内容使基础较好的同学透彻地理解了雷达的工作过程及其雷达各分系统之间的关系。

参考文献：

[1]张雪.关于士官学员雷达原理课程教材方法探讨[J].科技信息，2011，27：169.

[2]黄传波.《雷达原理》课程教学改革与探索[J].时代教育：教育教学刊，2012，23：170-172.

[3]汪枫.雷达收发原理课程教学改革探究[J].空军预警学院学报，2013（12）：5.

[4]王伟.“雷达原理与系统”课程教学实验平台建设[J].电气电子教学学报，2010（10）：5.

[5]姜本清.雷达原理实验教学[J].实验室研究与探索，2008，27（8）：73：75.

[6]刘向阳.专业实验室建设与改革实践[J].实验室研究与探索，2010，29（2）：145-148.

作者简介：汪枫（1974—?），女，湖北安陆人，副教授，教研室主任，空军预警学院预警技术系系统与机电技术教研室，主要从事雷达系统和雷达信号处理研究。