第六部分多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 三、了解雷达气象方程 在瑞利散射条件下，雷达气象方程为： 其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z值与雨强I有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模
汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理 1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身 旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。 由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。 为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛声听起来就显得低沉。 用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。 多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。 多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。 20世纪40年代中期，也就是多普勒发现这种现象之后大约100年，人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差（称为多普勒频率），根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备以及科学研究、业务应用装置。 多普勒天气雷达，是以多普勒效应为基础，当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时，通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5～10厘米，除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用，它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运
编号： 高频电路设计与制作实训实训(论文)说明书 题目：调频发射机 院（系）：信息与通信学院 专业：电子信息工程 学生姓名： 学号： 09011301 指导教师：胡机秀班立新 2011年1 月04日
摘要 在无线电通讯和广播中，需要传送由语言、音乐、文字、图像等转换成的电信号。由于这些信号频率比较低，根据电磁理论，低频信号不能直接以电磁波的形式有效地从天线上发射出去。因此，在发送端须采用调制的方式，将低频信号加到高频信号之上，然后将这种带有低频信号的高频信号发射出去，在接收端则把带有这种低频信号的高频信号接收下来，经过频率变换和相应的解调方式"检出"原来的低频信号，从而达到通讯和广播的目的。 本次实训为无线调频发射机的制作，主要是对调频发射机工作原理的分析及其安装调试。发射机相当于一个迷你电台，通过发射机机可以把声音转换成无线电信号发射出去，该信号频率可调，通过普通收音机接收，只要在频率适合时即可接到发射机发射的信号，通过扬声器转换出声音。 关键字：信号；调频；发射机
Abstract With the development of technology and people's living standards, the wireless transmit- terin life is widely used, the most common are radio stations, radio and so on. People through the wireless transmitter can transmit the information to be spread out, the recipient can receive information through the receiver. The training for the wireless FM transmitter. FM transmitter is now in rapid evolving, in many areas has been very widely used, it can be used for lectures, teaching, toys, securityand other areas. The FM transmitter is the main working principle of the analysis andinstallation. Equivalent to a mini radio transmitter by transmitter unit can be converted into a radio signal transmitting sound out the signal frequency is adjustable, by ordinary radioreceiver, as long as the frequency can be received when the transmitter transmitting the signal through the speaker conversion of sound. Keywords: Radio ；FM； transmitter
1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？ 答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。PUP 的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。 2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？ 答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测； 四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。 3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？ 答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。 4 天气雷达有哪些固有的局限性？ 答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。 5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。 答： P t 为雷达发射功率(峰值功率)； G 为天线增益；h 为脉冲长度； 、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度； r 为降水目标到雷达的距离； ：波长； m ：复折射指数； Z 雷达反射率因子。 6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。 答：∑= 单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无 关。 7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。 答： 定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为?，它能全部接收射到其 上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，Z R C Z m m r h G p p t r ?=?+-=2 2222223212ln 1024λθ?πθ?λi S s R S 24πσ=
多普勒天气雷达发射机主要参数测量初探【摘要】多普勒天气雷达发射机是雷达系统的重要组成部分，其性能和品质直接影响或决定着雷达整机的性能和品质。发射机担负着大功率射频信号的放大任务，主要包括了速调管、灯丝电源、调制器等主要部件，其中包含大量的高功率、高电压、大电流的器件，是多普勒天气雷达故障高发部位。因此，必须经常检测这些参数的最新数值，监控其变化趋势，根据变化趋势及时做有针对性的预防维护，消除发射机潜在的安全隐患，把安全关口前移。本文根据多年来的多普勒天气雷达发射机参数测量实践，归纳了其中主要参数的测量操作方法，力求提炼出适用于不同型号天气雷达的操作方法，作为天气雷达设备维护现场发射机参数测量的一个参考。 【关键词】雷达；发射机；参数；测量 1.引言 多普勒天气雷达发射机是雷达系统的重要组成部分，其性能和品质直接影响或决定着雷达整机的性能和品质。发射机担负着大功率射频信号的放大任务，主要包括了速调管、灯丝电源、调制器等主要部件，其中包含大量的高功率、高电压、大电流的器件，是多普勒天气雷达故障高发部位。通过对发射机参数的分析、对比，即能够从中判断出设备性能参数的变化趋势，也能在设备出现故障时通过具体的参数值的大小、波形的形状从中判断出可能的故障点，为快速排出故障提供参考。相同的参数有不同的测量方法，相同的测量方法更是有多种多样的测量步骤，根据多年的天气雷达参数测
量实践，提取发射机的峰值功率及波形、发射高压及电流、灯丝电压及电流等各型多普勒天气雷达共有的性能参数，归纳其测量过程中共性的操作方法，力求为各型多普勒天气雷达的现场参数测量操作提供有益的帮助。 2.测量方法 2.1发射机输出正向峰值功率测量 仪表及测量配件： 峰值功率计及探头、衰减器若干个、测量电缆若干条。 仪表配置： 峰值功率计频率设在被测量雷达的工作频率（如5.625ghz），偏置设置（设备方波导耦合器正向功率输出耦合度+接入的衰减器衰减值+测量电缆在此频率上的衰减值），工作模式为峰值功率测量； 雷达设置： 设置雷达为单prf工作，设置某个发射脉冲宽度； 准备工作： 1）开启雷达，使发射机辐射工作30分钟以上； 2）开启仪表，使其预热15分钟以上（或以仪表使用手册为准）； 3）对峰值功率计进行归零； 测量步骤： 1）用适当的衰减器连接方波导耦合器正向输出口，衰减器按衰减值大小依次连接，然后连接测量电缆（如有需要），再连接功率计探头，待功率计读数稳定后，记录功率计读数即为此脉冲宽度时
中波全固态数字调制发射机基本原理 和常见故障分析与日常维护保养 DAM中波全固态数字调制发射机是一种运用数字技术进行调幅广播的全新的中波发射机。整机大量使用了微功耗数字集成电路，实现了整机的晶体管化，缩小了发射机的体积，极大降低了发射机的日常运行成本，提高了经济效益。由于DAM发射机有完备的各种控制、检测、保护电路，大大提高了发射机日常工作的稳定性和可靠性，为安全播出奠定了物质基础。它在系统中采用了音频数字调制技术，使发射机有极好的动态响应，各项电声技术指标远优于其他各类模拟调制的广播发射机。 一、DAM发射机的基本原理DAM发射机的基本理论是利用信号的包络消除和再恢复的原理。将音频信号先进行带宽处理，避免产生混叠现象，然后利用抽样定理的原理对音频信号进行时间和幅度上的离散化。在DAM 发射机中抽样频率一般是发射机的工作频率1-3分频得到，利用12位的二进制数进行量化，量化后得到12位的二进制的数，再进行调制编码，利用编码后的二进制脉冲串去控制功率放大模块的导通数量，在编码好的脉冲信号作用下进行大功率D/A 转换，利用功率合成技术得到具有量化台阶的已调波，经过带通滤波器的光滑处理，得到典型的调幅射频输出。 TSD-10 发射机的基本组成：1、射频功率系统。2、数字
音频系统。3、监测控制系统。4、电源供电系统。5、计算机远程控制系统。 二、故障的分析 1、故障现象：面板上的中放二极管发红光 故障分析：根据面板显示中放二极管发红光，检查监测显示 板A32的检测电路，电路图如上，根据电路图，检查逻辑与门D54:D 的输入端的电压13脚为高电平，检查运算放大集成电路N44:A的6脚电压，无电压，根据图可知，6脚的电压是由驱动合成母板A14中的T6取样变压器采样得到的，检查驱动合成母板上的峰值检波二极管VD5稳压二极管VD4均是好的，此时怀疑无射频输出信号，检查缓冲防放大和前置放大电路的电源，经检查发现缓冲放大板有30V电源电压，前置放大板上无60V电源电压，经检查电源供电线路上的调压电位器损坏，更换后，调整前置板的电源电压为48V后，设备恢复正常。 故障原因分析：1、在进入冬季后，由于将降温设备（空调）停止运转，加上冬季供暖，使机房温度有所回升，此电位器是一个25W 50欧姆的限流电位器，流经的电流很大，碳刷和钨丝接触的不好，造成局部温度升好，加上所处的部位为风道的末端，散热不好，引起烧坏。2、进入冬季以后，发射场区外，居民住宅小锅炉大量使用，使VD4
第4章发射机 T. A.Weil 4.1引言 发射机是脉冲雷达系统的一个组成部分 图4.1示出典型的脉冲雷达系统框图。在这些方框中，公共媒体一般只标注天线和显示器，其余部分则成为“幕后英雄”。这些不被媒体看重的部分对雷达系统同等重要，而且从设计角度而言也同样有趣。 图4.1 典型雷达系统框图 发射机在雷达系统的成本、体积、重量、设计投入等方面占有非常大的比重，也是对系统电源能量以及维护要求最多的部分。它通常是竖在雷达设备间角落里的大机柜，嗡嗡叫着，身上挂着“高压危险”的牌子，所以人们都宁愿远离它。其内部结构奇特，更像一个酿酒厂，而不是电脑或电视。本章试图解释雷达发射机为何如此，希望给读者展示一个不神秘的雷达发射系统。 为何如此大的功率 发射机体积大，重量重，成本高、消耗功率大，原因是它需产生大功率射频输出，而这种要求来自雷达系统设计的综合考虑。 搜索雷达作用距离的4次方与平均射频功率、天线孔径面积（确定天线增益）、扫描需要覆盖立体角的时间（限制了每个方向上收集信号及为提高信噪比而积累信号的时间长短）成正比，即 4（4.1） ∝ ? A R? T P 探测距离随功率的4次方根变化是因为，输出的发射功率密度与返回的目标回波能量密度随其经过距离的平方而衰减。用提高发射机功率的方法增大雷达作用距离需付出大的代价：
功率需要提高16倍才能使探测距离增加一倍。反之，降低距离要求可显著地减少系统成本。 功率孔径积是衡量雷达性能的基本参数。这个参数如此重要，以至于在第一阶段限制战略武器条约中被专门提到，并作为限制反弹道导弹（ABM ）雷达性能的基础。 接收机灵敏度未在式（4.1）中出现，这是由于热噪声对接收机的灵敏度有明确的限制，在这个简单距离方程中，默认接收机总是工作在最高的灵敏度状态。 平均发射功率仅仅是雷达距离方程中的一个因子。而且成本又很高，为何还要求如此之高的功率？用减小功率但增加天线孔径或扫描时间的办法来补偿是否为较好的办法？回答是天线孔径增加使成本增加得更快。这是因为天线的重量、结构的复杂程度、尺寸误差以及对底座的要求都随着天线孔径的增加而迅速增加。公式中另一个因子——扫描时间由一些确定系统工作的要求决定。例如，每4s 观测一次100mile 内的所有飞机，以便及时发现目标航线的改变；所以扫描时间一般是不可变的（这些也许可以解释为什么要讨论雷达的“功率孔径积”，而不是它的“功率孔径扫描时间积”）。 在雷达系统中使用一部巨大、昂贵的天线配接小功率、便宜的发射机显然是不合情理的，反之亦然。因为将弱小的部分加倍，可使巨大的部分减小一半，从而显著减小系统成本。因此，系统总成本最小化要求合理地平衡这两个子系统的成本。其结果是对任何复杂的雷达系统，系统设计师总是要求大的发射机功率。 当系统的设计是基于存在远距离人为干扰（Standoff jammer ）（而非仅仅存在热噪声）的距离覆盖要求时，也会导致同样的结果。 对探测携带自卫干扰机的目标，距离方程变为 ))(2j j r r A P A P R ??∝ （4.2） 式中，P r 和A r 为雷达的发射功率与孔径；P j 和A j 为干扰机的功率及孔径。结论与前述十分相似：功率与天线孔径依然是决定性因子，均衡的系统设计再次引出大的发射机功率。 无可争辩的结论是，“前端瓦特数才是算数的”。期望获得最佳的雷达工作性能多半意味着天线尺寸和发射功率二者都被推到可以忍受的极限。 迫使发射机按其最大可获得功率设计往往导致研制时间、开发经费出现问题和其他风险。这种情况在采用新型射频发射管时尤为突出，例如，AN/FPN —10L 波段雷达研制计划被迫中断，是由于供应商未能使磁控管在大占空系数范围内足够稳定；在使用内部真空腔而不是外部真空腔的大功率速调管的第二只管子（备份管）的合同履行前，弹道导弹早期预警系统（BMEWS ）的研制也面临过同样的危险[1]。即使是“成功”的射频管开发工作也可能因为打火率临界、冷却设计（导致可靠性问题）、过份的维护和后勤经费问题以及用户的不愉快等因素而终止。 迫使射频管开发超出（或无意地超过）当前技术水平面临的风险，特别是当期望达到的功率超过单管的能力时，使用多个射频发射管进行功率合成的想法变得十分有吸引力。这原来是一种将在后面（4.5节）讨论的十分实用的方法。因为单个固态射频器件与单个真空管相比，只能承受很小的功率，所以，能功率合成、易实现、可靠性高是固态发射机实用化的原因。无疑，将一些射频管组合以获得需要的大功率电平，增加了发射机的复杂程度，但另一方面，组合大量射频器件（在固态发射机中常这样做）会带来一些如第5章中所讨论的故障软化以及可靠性高的优点。
【雷达任务：测目标距离、方位、仰角、速度；从目标回波中获取信息 【雷达工作原理：发射机在定时器控制下，产生高频大功率的脉冲串，通过收发开关到达定向天线，以电磁波形式向外辐射。在天线控制设备的控制下，天线波束按照指定方向在空间扫描，当电磁波照射到目标上，二次散射电磁波的一部分到达雷达天线，经收发开关至接收机，进行放大、混频和检波处理后，送到雷达终端设备，能判断目标的存在、方位、距离、速度等。 【影响雷达性能指标：脉冲宽度（窄），天线尺寸（大），波束（窄），方向性。 【测角：根据接收回波最强时的天线波束指向 【雷达是如何获取目标信息的？ 【雷达组成：天线，发射机，接收机，信号处理机，终端设备（电源，显示屏），收发转换开关 【发射机工作原理：为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号，经馈线和收发开关由天线辐射出去。 【发射机基本组成：单级振荡式：脉冲调制器，大频率射频振荡器，电源。 主振放大式：脉冲调制器，中间和输出射频功放，电源，定时器，固体微波源（主控振荡器，用来产生射频信号） 工作过程：（1）单级振荡式：信号由振荡器产生，受调制 （2）主振放大式：信号由固体微波源经过倍频后产生，经射频放大链进行放大，各级都需调制（脉冲调制器），定时器协调工作。 优缺点：单击振荡式：简单经济轻便，频率稳定度差，无复杂波形； 主振放大式：频率稳定度高，相位相参信号，有复杂波形，适用频率捷变雷达【发射机质量指标：（1）工作频率（波段）（2）输出功率：影响威力和抗干扰能力。峰值功率（脉冲期间射频振荡的平均功率）和平均功率（脉冲重复周期内输出功率的平均值）。（3）总效率Pt/P。（4）调制形式：调制器的脉冲宽度，重复频率，波形。（5）信号稳定度/频谱纯度，即信号各项参数。 【调制器组成：电源，能量储存，脉冲形成 【调制器任务与作用：为发射机的射频各级提供合适脉冲，将一个信号载到一个比它高的信号上 【仿真线：由于雷达的工作脉冲宽度多半在微秒级别以上，用真实线长度太长，因此在实际中是用集总参数的网络代替长线，即仿真线 【刚/软性开关：刚性开关的电容储能部分放电式调制器，特点为部分放电，通电利索；软性开关的人工线性调制器，特点为完全放电，效率高，功率大。 【接收机指标：（1）灵敏度：表示接收机接受微弱信号的能力。提高灵敏度，减小噪声电平，提高接收机增益。（2）工作频率宽度：表示接收机瞬时工频范围，提高：高频部件性能（3）动态范围：表示正常工作时接收信号强度的范围，提高：用对数放大器增益控制电路抗干扰（4）中频滤波特性：减小噪声，带宽>回波时，噪声大。（5）工作稳定度（6）频率稳度（7）抗干扰能力（8）噪声系数 【收发软换开关工作原理：脉冲雷达天线收发共用，需要一个收发软换开关TR，发射时，TR使天线与发射机接通，与接收机断开，以免高功率发射信号进入接收机使之烧毁；接收时，天线与接收机接通，与发射机断开，以免因发射机旁路而使微弱接收信号受损。 【收发开关组成及类型：高频传输线，气体放电管。分为分支线型和平衡式。 【显示器分类：距离，平面，高度，情况和综合，光栅扫描。 【显示器列举：距离（A型J型A/R型）平面（PPI）高度（E式RHI） 【A型显示器组成：扫掠形成电路，视频放大电路，距标形成电路。
X波段数字化雷达发射机的基本原理及常见故障的检修 发表时间：2019-01-04T17:15:49.480Z 来源：《防护工程》2018年第29期作者：王振宇王林[导读] 近几年来,随着科学技术的发展,新型的X波段数字化雷达的应用越来越广泛,所起的作用也越来越重要。 上海航天电子通讯设备研究所上海 201100 摘要:近几年来,随着科学技术的发展,新型的X波段数字化雷达的应用越来越广泛,所起的作用也越来越重要。但随之而来的新问题也不断出现,特别是数字化雷达发射机故障。文章就X波段数字化雷达发射机进行了详细的论述,并针对其在工作应用中常出现的几种故障,从原理、现象入手,分析原因,提出合理的解决方法和注意事项。 关键词:数字化雷达;发射机;常见故障 引言： X波段数字化雷达是由“成都信息工程学院新技术研究所”研究成功的,是在原有的711测雨雷达的基础上,并利用计算机技术对雷达进行实时控制、实时数据采集、实时回波图像显示等,进行数字化改造而发展形成的新一代X波段数字化雷达。从1996年至今,在我区中西部已经安装了七部,主要运用于各盟市的人工防雹工作。几年的实践应用证明,在灾害性天气—冰雹的预报和指挥高炮的防雹作业方面,起到了关键性、决定性的作用,得到了地方政府、广大农牧民的普遍肯定。但由于技术、设备和人员素质以及数字化雷达技术说明材料少等原因,致使该雷达在使用上经常会出现一些故障,不但影响了人工防雹工作,而且造成一些负面影响。及时判断、解决雷达常见的故障应是每个雷达工作者必须掌握和了解的。该雷达最常出现的故障主要是发射机故障,本文对几种常见的故障逐一举例,提供判断、解决方法。 一、X波段数字化雷达发射机概述雷达发射机是雷达的重要组成部分。它用来产生大功率的高频脉冲信号,经波导、天线发射出去。（一）发射机的组成本雷达的发射机安装在收发机柜内,主要由调制器、高压整流、磁控管振荡器、控制分机、预调器等组成。（二）发射机工作原理由WRDPS(天气雷达数字处理系统)传送来的400MHz/(5～7V)正极脉冲,经预调板整形后,脉冲幅度达到200V以上,再经滤波器加于氢闸流管(ZQM-500/16)的栅极。当触发脉冲到来之前,氢闸流管截止,此时人工线上由高压电流经充电电感、充电二极管进行直流谐震充电,人工线上的电压约达到高压整流器输出的两倍。当氢闸流管受到触发导通时,人工线由氢闸流管向负载变压器放电,由于人工线阻抗和放电电路的阻抗匹配,所以在负载上形成近似巨型的调制脉冲,脉冲的宽度取决于雷达参数,其幅度约等于人工线充得的电压的一半、极性为负。此脉冲经脉冲变压器提高,加至磁控管振荡器,以产生大功率高频脉冲。控制分机在发射机中通过多个继电器、电表和指示灯等,对发射机进行控制、保护及监测基本工作状态。（三）主要技术指标工作频率:9370±30MHz,脉冲宽度:1±0.1us,脉冲重复频率:400Hz±50Hz,脉冲峰值功率:>95kW,平均功率≥38W,电源:50Hz单相220V±5%。 二、X波段数字化雷达发射机故障检修特点（一）充分利用仪器设备、雷达监控系统,大略判断故障范围当发射机出现故障时,应首先听取雷达工作声是否正常,其次观察雷达发射机控制分机面板指示灯和电流表的各种指示,如:±12V、±24V、磁流等是否正常,最后再分析电路,利用仪器设备如:万用表、示波器等测量工具,测量可能出现问题的元器件。（二）注意事项发射机柜内电压高、电流大,这就要求机务检修人员工作要谨慎,注意安全。对高压电源检修一定先放掉高压电容的电。 三、发射机几种常见故障现象及检修发射机是雷达的心脏,出现故障就不能使雷达正常工作。几年工作实践发现,发射机常出现的故障主要有低压加不上、高压加不上、无磁流等。以下主要对这三种故障进行举例。（一）低压加不上（1）故障现象 开启雷达、计算机电源后,发射机无论是在“遥控”状态,还是在“本地”状态,发射机控制分机面板低压指示灯以及计算机雷达监控都无指示,这说明雷达低压加不上。（2）可能原因 1）低压电源保险FU4(2A,在收发机柜控制盒面板上)熔断。 2）K6继电器触点接触不良。 3)K1继电器触点接触不良。 4)无±24V继电器电源。（3）检修方法 1)检查收发机柜控制盒面板上的保险FU4 2)是否熔断,低压开关是否正常。开启雷达电源,将收发机面板“遥控/本地”开关置“本地”。检查收发机柜面板上电表±12、±24低压是否正常,如不正常,检查收发机柜内的低压电源板,更换或维修。 3)开启雷达电源,将收发机面板“遥控/本地”开关置“本地”。扳动“低压”开关,有无继电器吸合声或者打开控制盒面板,观看继电器K1、K6有无吸合动作。如无吸合,检查继电器好坏以及插座接触是否牢固。（二）高压加不上
WCDMA发射机原理及基于Maxim WCDMA参考设计v1.0的测试结果 第一代(1G)电话是基于很多种类似但互不兼容的技术的模拟蜂窝设备。它们提供的服务范围很有限，主要依靠固定电话网络提供服务。 第二代(2G)电话采用TDMA或CDMA技术，使用直接调制到发射载波的数字信道。其结果?D更高的频谱效率?D使信号质量、安全、实际数据服务量和国际漫游几个方面的价值都得到提升。 第三代(3G)终端的目标是提供全球无缝移动性，同时与部分接入技术实现全球兼容，如无线本地环路、蜂窝、无绳和卫星系统。实现终端全球无缝移动性的一个技术上的挑战和困难在于实现全球统一的频率规划。在世界上的每一个地区，至少有部分必须的频谱已经被分配给其他的无线服务。 1992年，世界无线电会议(WRC)在2GHz附近分配了一个频段，随后，国际电信联盟无线通信部(ITU-R)开始着手定义一份3G系统的要求清单，为满足这些要求提出了许多技术：包括WCDMA、OFDM、TDSCDMA和ODMA。 一个叫做第三代合作伙伴项目(3GPP)的技术实体被指定分析这些提议的技术。这项工作的结果是，WCDMA成为了3G系统最倾向于采用的技术。3GPP曾经写过一个技术规范，其中的25.101章包括了WCDMA移动终端RF硬件部分的核心性能要求。3GPP还定义了WCDMA终端两种可选择的工作模式： 频分复用模式[FDD]： ★物理信道由两个参数确定：RF信道号和信道码 ★适合快速移动应用 ★上行和下行链路在频域分开 ★下行链路比上行链路容量大 ★上行和下行链路都是100%的占空比 时分复用模式[TDD]： ★物理信道由三个参数确定：RF信道号、信道码和时隙 ★适合室内或慢速移动应用 ★上行和下行链路具有相似的容量并占用相同的信道 ★上行和下行链路都有DTx DTX(不连续传输)是一种用于优化无线语音通信系统效率的方法，这种方法在没有语音输入的时候随时的关闭移动或便携式电话。典型的2路通话中，每一方说话的时间都略小于总时间的一半，所以如果发射机只在存在语音输入的时候打开，电话工作的占空比就可以小于50%. 这种情况能够节约电池能量、减轻发射机元件的工作负担、使信道更加空闲，允许系统利用空闲带宽与其它信号共享信道。DTX利用语音活动检测(VAD)电路工作，在无线发射机中有时称作工作语音传输(VOX)。
脉冲雷达发射机举例 一、单级振荡式发射机 单级振荡式发射机是应用最广泛的一种雷达发射机。诸如导航雷达、气象雷达、搜索引导雷达和炮瞄雷达几乎都采用这一种程式。下面介绍一部航海导航雷达中的发射机。 某工作在X波段的航海导航雷达，其发射机的主要技术指标是： 工作频率f0=9370±30MHz 发射脉冲的脉冲宽度τ和重复频率F 150~80 τ=ns相应的Fr1=200Hz 20.16~0.2 τ=us相应的Fr2=2000Hz 30.45~0.6 τ=us相应的Fr3=1000Hz 脉冲功率Pτ≥14kW 该发射机由预调器、调制器和磁控管振荡器三大部分组成，图画出了其方框图。 1.预调器 预调器除产生激励调制器的调制开关脉冲外，同时输出一个幅度为8~15V的正极性触发脉冲去触发显示器作为定时信号。此外还提前输出一个极性为正、幅度大于8V的脉冲去触发海浪抑制（时间增益控制）电路。预调器由控制脉冲形成电路、触发脉冲产生器和预调脉冲形成电路三部分组成。 控制脉冲形成电路的原理线路如图所示。由电源变压器来的21V、1000Hz的交流电压对称地加至二极管D1和D2的负端，在其正端得到一个负的脉动电压，此电压经过稳压管D3和D4限幅后形成方波，它再经电容C1和电阻R3组成的微分电路变成正负相间的尖脉冲送至由BG1组成的限幅放大器，由于BG1处于零偏置的截止状态，故正极性尖脉冲不起作用，而当负尖顶脉冲输入时，它便由截止状态进入导通状态，在其集电极获得一正极性脉冲波，该脉冲一路经过电阻R2进入海浪抑制电路，作为该电路的触发信号；另一路则经耦合电容C2和由R5、C5组成的积分电路变成有较长上升边的脉冲波，然后经由BG2组成的射极跟随器输出至触发脉冲产生器去启动可控硅SCR工作。积分电路R5C5的作用是使海浪抑制触发脉冲能提前于发射脉冲，以防止由于海浪抑制电路的接入而干扰接收机工作。继电器J3用来转换触发脉冲的重复频率，当雷达工作在量程为0.5~4浬范围内时，继电器J3动作，二极管D1和D2同时工作，相当于全波整流，此时重复频率为2000Hz（相应的脉冲宽度为80mus或0.25us），在其它量程则继电器J3不动作，只有二极管D1工作，相当于半波整流，脉冲重复频率转换为1000Hz。 触发脉冲发生器的电路如图所示，实质上是一个最简单的线型调制器，SCR作为调制开关，电容C7用作储能和脉冲形成，当控制极触发脉冲还没有到来时，SCR的控制极电流Ig=0，管子处于正向阻断状态，这时电源电压Ec就通过电感L1、二极管D5向电容C7谐振充电。当控制极触发脉冲到来且达到规定的触发电平后，SCR就进入正向导通状态，于是电容C7就经SCR、脉冲变压器MB初级绕组放电。与此同时，在脉冲变压器MB的次级绕组感应出一个幅度近于300V的正极性脉冲，它被送至下一级去触发它激式间歇振荡器工作。当放电电流减少到SCR的维持电流时，SCR恢复到正向阻断状态，重复前述过程，如此周而复始就得到一系列的脉冲串。 预调脉冲形成电路采用它激式间歇振荡器，图画出了它的电原理图。在脉冲间歇期内，电子管G1因栅极接有负偏压而处于截止状态，一旦正极性的触发脉冲到来，电子管G1导通，
中波发射机常用数字集成电路工作原理详解 本节列举了21种数字电路在全固态数字中波发射机单元电路的典型应用，并对其工作原理进行分析。 一、四二输入与非门（74HC00） 74HC00是应用广泛的四二输入与非门电路，它内部含有4个独立的2输入与非门，其逻辑功能是：输入全部为“1”时，输出为“0”；输入端只要有“0”，输出端就为“1”。 在发射机本地遥控显示电路中，74HC00（N17）作为导向器使用。 原理分析：S1投向“遥控”时，能产生低电平操作指令，该电平由非门N17B 倒相为高电平驱动遥控指令H28，同时“本地”指示灯H29熄灭。N17A 输出高电平，用于外部显示。 二、四二输入或非门（74HC02） 74HC02为四二输入或非门电路，内部含有4个独立的2输入或非门，其逻辑功能是：A 、B 任意一个或全部为“1”时， 输出为“0”； A=B=0时，输出端为“1”。 在发射机驻波故障检测电路中，74HC02（N43）作为禁止门、合门和倒相器使用。 当输出网络出现反射时，不影响天线系统的调配，而当天线出现反射时会导致输出网络失配，为了避免不必要的误报警，设置了识别禁止门电路。 其原理是：当天线出现反射时，输出网络与天线驻波检测电路分别送出19ms 和14ms 的负脉冲信号，其中前14ms 被禁止门N43B 禁止住，后5ms 输出输出正 图1 74HC00应用单元图
脉冲，使网络驻波显示灯亮0.5s后转为绿色。当天线不匹配时5ms和14ms正脉冲分别加到N43C的8脚和9脚，经N43C合成19ms的负脉冲，去关功放和驻波自检处理电路。 图2 74HC02应用单元图 三、双4输入与非门（74HC20） 74HC20为双4输入与非门电路，它内部含有2个独立的4输入与非门，其逻辑功能是：输入全部为“1”时，输出为“0”；输入端只要有“0”，输出端就为“1”。 在发射机功率控制电路中，74HC32（N63、N64、N65）作为功率升、降计数控制门使用。 图3 74HC20应用单元图 工作原理：当高功率等级开机时，N63A4脚为高电平，时钟脉冲送到1脚，发射机没有达到设定的最大功率时，“999”禁止电路输出高电平信号到5脚，这时N63A方可进行升功率操作。同理，当功率没有完全降到零时，N63B的9、10、13为高电平，此时方可进行降功率操作。如果一个或多个为低电平，则无法进行升功率操作。 四、四二输入与门（74HC08）
雷达发射机是雷达系统的一个重要组成部分，它产生满足要求的大功率射频发射信号，经馈线系统再由天线辐射出去，从而照射远处目标。典型脉冲雷达框图如下，其中发射机(Transmitter)主要由三部分组成：高压电源，脉冲调制器和射频放大器。 发射机性能的好坏直接影响雷达整机的性能和质量，首先发射的电磁波信号必须具备一定的发射功率，对于不同体制和不同任务的雷达，发射机功率量级差别很大，例如，脉冲雷达的峰值功率可达到兆瓦级，而连续波雷达功率几十瓦就已经很高了。雷达发射机输出功率的大小将直接影响雷达的探测威力，通常可分为峰值功率和平均功率。 通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率，峰值功率指脉冲期间射频振荡的平均功率，用Pt 表示；而平均功率则是脉冲重复周期(PRI)输出功率的平均值，常用Pav 表示。 对于简单的矩形脉冲列来说，峰值功率和平均功率有如下关系： av t t P P P PRF T ττ=?=?? 其中T 表示脉冲重复周期，τ表示脉冲宽度。由于平均功率是决定雷达潜在探测距离的一个关键因素，雷达发射总能量等于平均功率乘以时间。 之前有人问：对于相参雷达，在不改变雷达设备硬件的基础下，怎么提高探测距离？ 这里从雷达发射机的角度给出几个方法：不改变雷达设备，说明峰值功率功率也已调制最高了，那么可以做的一种方法是：提高雷达的占空比D ，也就是要么增大脉冲宽度，要么增大PRF ；另外，多个脉冲积累会有效提高信噪比，从而改善雷达对目标的发现能力，也就是提高积累时间来获得更多的发射能量。 对于这个问题还需要结合具体的雷达和修正后的雷达方程来分析哪些参数是不能变的，哪些参数是方便改变的。修正的雷达方程相关知识可见：
第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章 我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性 （密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 2 /3730/776.0T e T P N +=波束直线传播 波束向上弯曲波束向下弯曲000=> 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： ?=dD D D N Z 6)( 0lg 10Z Z dBZ ?= 360/1m mm Z = 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z 值与雨强I 有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。 第二章 天气雷达图像识别 一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，也称为多普勒频移，其与目标的径向运动速度成正比，与多普勒天气雷达波长成反比。 二、了解多普勒天气雷达测量反射率因子、平均径向速度和速度谱宽的主要技术方法 多普勒雷达利用降水粒子的后向散射与多普勒效应来达到对其探测的目的。通过发射信号与接收信号的延迟来测量距离，通过降水粒子的多普勒频移来测量其速度。 反射率因子：雷达的反射率因子是降水粒子后向散射被雷达天线接收到的回波，为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和，反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多。
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