信号流逐级可测的雷达教学实验平台

信号流逐级可测的雷达教学实验平台

杨沛松

（中国电子科技集团公司第20研究所，710068，陕西省西安市）

摘 要：针对雷达理论实践教学的需求，提出一种信号在雷达通道内传输过程逐级可测的思路，以此设计了雷达教学实验平台。教学实验划分为天线与伺服、发射通道、接收通道、显示操控四部分，匹配雷达原理的教学内容。通过故障注入技术实现平台硬件级故障模拟，支持排除故障训练教学。研制教学导控系统，可协助教员全面掌控教学流程，制定对学员的考核规则并输出考核结果。通过教学实践，平台可以满足雷达装备教学需求，取得了良好的教学效果，对其他同类教学设备具有借鉴意义。

关键词：信号流；雷达原理；教学实验；故障注入；考核评估

中图分类号：TN955          文献标志码：A

1引言

随着大批先进雷达装备列装[1]，对一线官兵深入理解装备原理的需求日益凸显。这就要求相关院校进一步提高雷达原理教学的能力。雷达是涉及机械、电路、微电子、计算机、信号处理等多门学科的复杂电子设备。学员不仅要学习理论知识，更应结合具体应用场景，落实理论实践，否则在面对实际问题时，仍然会不知所措[2]。然而，使用实装装备进行教学实践，从经济性、可观性、测试性、系统性等方面出发其效费比都比较低[3]。实装设备的分机、组合内模块众多，而且根据自身作战任务需要有较多特殊设计，以此进行教学培训缺乏普适性与范式意义。信号传输通路相互级联，测量时需要先行拆卸诸多结构件，并且可测量的信号数量也非常有限，不足以覆盖全部教学内容。由于实装设备使用成本较高、配备数量有限，在有限的课程学时内[4]，学员的人均实践时间难以满足[5]。所以使用实装设备进行教学训练存在以上诸多难点。

基于以上原因，雷达教学实验模拟器代替实装设备的教学方案受到青睐[6-9]。借助雷达模拟器的思想设计雷达教学装置，不仅可以满足雷达装备教学需求，还可以节约成本、丰富教学内容及方法[10,11]。利用虚拟现实技术构建了雷达教学系统，现实学习环境提供了贴近实装的教学辅助，让学生在模拟真实环境中学习知识和技能，提高了知识呈现的情境性与直观性[12]。采用半实物仿真技术设计的雷达教学仿真平台，通过模拟设置故障，可实现雷达附件的深度维修测试[13]。将雷达实装与模拟器进行一体化设计，使用雷达真实回波数据作为训练素材，训练界面与装备操作界面保持一致，模拟真实场景处置方式进行实装训练[14]。基于商用服务器搭建的教学系统可以使学员聚焦于算法实践，不必在接口调试上花费过多时间[15]。以上方法均取得了良好的教学效果。本文充分借鉴以上文章的优点，并结合自身特点完成本实验平台的设计。

本实验平台使用全实物仿真的方法。利用商用计算机作为控制核心，真实的微波组件作为学习对象，以教学导控软件作为辅助，搭建了雷达教学实验平台。实现雷达信号产生，信号变换流程逐级可测，增加硬件级故障注入技术，及对学员的考核评价。

2 实验平台的构建

2.1 系统组成

实验平台由五部分组成，分别是1.天线与伺服实验台；2.显示操控实验台；3.发射通道实验台；4.接收通道实验台；5.教学导控台。1~4号学习实验台可供学员完成理论实验、实践操作、故障定位等内容的学习。5号教学导控台可实时监测各实验台的工作状态，通过下发目标指示、设置关联故障、实时监测学员的操作过程，完成对学员的实践考核评价。

2.2 系统工作原理

实验平台采用全相参、捷变频、脉冲多普勒的工作体制，以模拟信号流为主线，逐级讲解各个模块在信号变换过程中的作用。

如图1所示，图中红色粗实线箭头为雷达通道内逐级传输的信号流。首先，发射通道实验台内的频率源通过倍频、混频产生发射激励信号、本振信号，发射激励信号进入发射功放后被放大。放大后的信号传输至天线与伺服实验台内的天馈线模拟模块，并通过天馈线将单路信号分为和、方位差、俯仰差三路信号，分别进入雷达接收通道实验台，接收前端将三路射频信号下变频至中频，中频放大模块对中频信号进行增益控制、滤波后，通过检波模块将中频信号下变频至视频I/Q信号。以此构成了由发射到接收的完整的闭环信号流。

图1中绿色长虚线箭头为实验平台间的网络数据链路，以显示操控台做为平台间网络数据的交换节点。链路中传输系统状态字、控制字、目指信息、目标参数、自检结果等数据。

图1中黑色细实线箭头为实验台内部数据链路，收/发实验台将平台间交互的网络信息进行转换后，通过RS422异步串口或TTL信号与各实验模块进行交互，从而控制各模块的工作状态。显示操控实验台的人机交互模块与实装设备保持一致，主要包括摸球、摇杆、触摸键盘，以上模块通过RS232异步串口与显控系统进行数据交互。

图1中蓝色短虚线箭头是过显示控制系统与天线伺服实验台进行交互的数据链路，使用RS422异步串口，通过此链路传输伺服控制数据、位置信息、自检信息等。

系统内所有时序信号由发射实验台内时序产生模块产生，以

RS422电平向各模块传输。所有模块按设计的时序进行工作。

本实验平台内各模块基本原理与常规实装雷达系统完全一致，没有必要再展开详细论述，以下内容主要针对本实验平台的特点进行说明。

图 1实验平台组成与原理

3实验平台的特点

3.1 信号流逐级可测

本实验平台以信号流为主线，引导学员使用仪器仪表便捷地测量信号逐级变化的过程，使学员更加深入理解雷达工作原理、信号流程及信号的相关性。下面以发射通道实验台，频率源内的高频上变频模块为例进行说明。

高频上变频模块实物如图2所示，模块面板上丝印有本模块的基本原理图，原理图内各符号均符合相关标准化要求。通过原理图，学员可以清晰直观地查看本模块内部元器件组成及模块工作原理，培养学员的识图能力。图中红线框出的SMA连接器为本模块正常工作时的信号输入口，以及对后级模块的信号输出口，蓝线框出的SMA连接器为信号测试口。本实验平台预设有多个测试口，可在正常工作状态下直接测量信号通路内的各级信号。为了便于学员学习，面板上的原理图用线条标注出各测试口处所测信号在信号通路中的位置，并用文字予以说明。

图 2  频率源上变频模块实物

本模块采用两级本振将中频信号上变频至发射频率。本模块学习重点内容为混频器与滤波器的工作原理。

如图2所示，测试口1为输入二本振信号经过二功分器后的输出，此处可以测量到二本振信号。使用频谱仪测量结果如下图3(b)所示，二本振频率为1.5GHz。本模块输入的中频信号由上一级频率源中频信号产生模块产生。使用频谱仪在频率源中频信号产生模块处测得中频信号如图3(a)所示，为75MHz。

测试口2位于第一次混频器输出端，中频信号与二本振信号经过混频器混频后，产生和频信号1.575GHz与差频信号1.425GHz，信号频谱如图3(c)所示。图中可见1.5GHz处依然存在较小信号分量，这是由于本振信号泄漏所致。信号继续向后传输至高通滤波器，此处实际为一带通介质滤波器，中心频率为1.575GHz，带宽为20MHz。

测试口3位于滤波器输出端，原本信号通路中存在的三个频率分量，经过滤波器后信号频谱如图3(d)所示，只剩下1.575GHz信号存在。

综上，通过对比图3(a),(b),(c)的信号波形，可以学习混频器工作的基本原理。通过对比图3 (c),(d)的信号波形，可以学习滤波器工作的基本原理。

图 3上变频信号通路信号逐级变化情况。

（a）前级中频信号产生模块处测得的中频信号；（b）测试点1处测得的信号；

（c）测试点2处测得的信号；（d）测试点3处测得的信号

使用这种信号流逐级可测的思想，设计了实验平台内所有的模拟信号模块。模块清单如表1所示。这些模块串联组成整个雷达发射—接收通道闭环信号流。

表 1实验平台模块清单

本实验平台其他实验模块实物如下图4所示，子图中左上角序号对应于表1中的序号。

图 4本实验平台其他模块实物

3.2 硬件级故障注入

本实验平台中的每个实验模块可以人工设置故障，设置故障后，对应信号通道处的信号将被截断，或者信号没有按照设计的要求向后级传输。对此学员可以学习故障点的故障模式以及影响。此外，教员通过导控系统设置故障后，学员通过设备工作状态以及现象，快速判断故障点，并通过仪器仪表进一步确认判断结果，以此完成对学员的学习效果考核。每个故障设置点是对其所在的模块进行FMECA（故障模式影响及危害性分析）后，根据典型故障模式选取的，与实装设备实际故障情况相符。

硬件级故障注入主要依靠切断有源器件电源实现。以检波模块为例进行说明。本模块的主要功能是将中频信号与相参本振信号通过正交混频器，获取I/Q视频信号。模块实物图如图5所示，本模块共有三个可设置故障的模块，如图5中红色虚线框所示，分别是和路正交相位检波器，方位路正交相位检波器，俯仰路正交相位检波器。输入信号测试口和输出信号测试口如图5中蓝色实线框所示。

图 5检波模块实物与功能说明

本模块正常工作时，使用示波器在和路信号测试口测得信号如图6(a)所示，可见I/Q两路信号，此时每路信号峰值约为350mV。I路信号与Q信号正交，实测相位差约为为87.9°，这是由于正交相位检波器相位不平衡引起的。

通过导控系统将和路正交相位检波器设置为故障状态。此时使用示波器在与之前同样的参数设置下测量I/Q输出信号，结果如图6(b)所示，信号已经基本无法测出。

图 6和路正交相位检波输出信号对比。

(a)正常情况下示波器测量和路输出I/Q信号；(b)故障情况下示波器测量和路输出I/Q信号；

以本次故障设置情况为例，学员实验过程中在操作显示控制台时，如果发现显示控制系统A显无回波信号，或者目标角度跟踪异常等情况，可初步判断

I/Q数据异常，使用仪器仪表在检波模块输出端测量信号，判定输出信号确实异常后，再测量检波模块的的输入信号，包含和路中频信号与本振信号。如果输入信号都正常，则可定位到检波模块故障。如果输入信号也异常，则需沿着信号流通路向前逐级排查，直到定位到故障点。通过以上方式，可以巩固学习效果，并为考核提供了方法。

3.3 教学导控系统

教学导控系统是本实验平台与其他常见实验设备相比优势之处。导控系统运行于独立的教学导控台上，实现教员对整个教学流程的掌控。

图 7  导控系统操作界面。(a)导控系统主界面；(b)考核显示分区；(c)故障设置子界面

导控系统主界面如图7(a)所示，主界面左侧主要为系统状态监测区，便于教员实时获取实验平台当前工作状态及工作参数。并且可以下达做题指令，不同题目内预置了不同类型的目标航迹。当目标航迹下发后，学员可操作雷达对目标进行捕获、跟踪。

主界面右侧为“考核显示区”，该区域细节如图7(b)所示，“手动跟踪训练”界面，在学员在手动捕获目标时，可实时获取目标当前状态信息和学员对设备的操作信息。根据学员捕获目标所耗的时间、目标相对起始点移动的距离，考核学员对设备操作的熟练程度。“故障排除训练”界面，在对学员进行排故考核时，可实时记录考核过程。上方的表格主要记录学员全程排故操作，表中红色记录表示此次排故错误，绿色记录表示排故正确。当学员排故正确时，排除的故障会在下方表格记录排故时间以及错误次数，当学员无法排除故障，结束上报后，此故障错误次数显示为“未排”，以此作为教员对学员操作进行打分的依据。通过排故训练与考核，可检验学员对系统原理理解的程度，实现对学习效果的检验。

故障设置子界面如图7(c)所示，界面左上区域为“故障设置区”，可选择需要设置的具体故障。右侧区域为当前选择的故障点说明，此处使用故障所在模块的原理图进行说明。左下区域为当前已经选择的故障。虽然在实际情况下，实装设备在同一时刻发生多处故障的情况少有发生，但是为了提高对学员的考核难度，本实验平台允许一次选取多个故障，多个故障既可以依次注入到设备中，也可同时注入，同时注入多个故障时，设备呈现复合故障状态。

4 总结

本文提出了信号流传输过程逐级可测的思想，设计了雷达教学实验平台，实现了模块硬件级故障注入。在充分考虑学员学习效果最优化的前提下，从教员角度出发，创新加入了便于教员全面掌控教学模式与流程的教学导控系统。本实验平台较好地支撑了从原理教学到操作实践，最终考核评估的全流程闭环教学模式。通过教学实践验证，有效支撑了雷达原理与实践操作的教学内容，取得了较好的教学效果。本文采用的设计思想对同类型设备的教学实验系统具有较好的借鉴意义。

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