CN108680909A - 一种实现测波雷达性能监视的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现测波雷达性能监视的装置，包括性能监视器、控制板；性能监视器中，PM天线接收雷达收发机发射信号，通过频率转换单元将耦合接收到信号进行下变频至中频；频率转换单元、分配器、第一复用器顺序连接，分配器、第一复用器将中频信号分成2路：1路送至检波器实现信号强度的检测，1路送至AFC环路实现频率跟踪；控制板实现若干模拟测波雷达发射脉冲信号；雷达天线接收性能监视器产生模拟雷达发射脉冲信号，并将回波信号送至显示控制单元，显示控制单元记录和指示雷达收发机的性能和工作状态。本发明在不干涉雷达正常运行状态下，能够实时监控雷达发射机和接收机的动态响应。

Description

一种实现测波雷达性能监视的装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达性能监测领域，特别涉及一种实现测波雷达性能监视的装置及方法。

背景技术

测波雷达是在X-波段导航雷达基础上衍生出来一种专用雷达，通过天线发射和接收定向电磁波束，借助海浪与回波在海面会产生“布拉格散射”机制，通过将回波图像进行三维傅里叶变换，得到图像的波数频率谱；再基于波谱的多普勒频移，导出海表面流的反演过程，进而实现对海浪方向谱、有效波高和单个波参数测量，并提取海浪场、海面流场、水深和海面风速等信息。

世界各国均大力致力于X波段雷达海浪监测系统的实现，陆续推出相关商用测波雷达系统。国内虽然起步比较晚，近年来也有长足的进步。无论国外、国内主流测波雷达中雷达头基本采用磁控管雷达，优点：成本相对较低，普及率广；缺点：长时间使用雷达的发射机(磁控管)发射功率和接收灵敏度性能下降。特别是在测波雷达应用于无人值守、长时间运行时往往导致测波雷达的状态模糊，测波、测浪精度降低，使操作人员不能轻易发现雷达系统存在的问题。传统上的雷达监视器仅实现粗略性能监控(国外雷达头其高级控制功能不开放对外使用)，同时性能监视与正常使用无法同时兼顾，无法满足测波雷达系统的更高需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种实现测波雷达性能监视的装置，能够实现监控雷达发送机(磁控管)电流随时间的变化；监控雷达的总运行时间及发射时间，周期记录对比雷达影像差异；结合测波雷达使用特性，在不干涉雷达正常运行状态下，实时监控雷达发射机和接收机的动态响应。

本发明的另一目的在于提供一种实现测波雷达性能监视的方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种实现测波雷达性能监视的装置，包括性能监视器(PM)、控制板，所述测波雷达包括雷达天线、雷达收发机、显示控制单元，所述性能监视器包括PM天线、频率转换单元、分配器、第一复用器、检波器、AFC环路；其中PM天线接收雷达收发机发射信号，通过频率转换单元将耦合接收到信号进行下变频至中频；频率转换单元、分配器、第一复用器顺序连接，分配器、第一复用器将中频信号分成2路：1路送至检波器实现信号强度的检测，1路送至AFC环路实现频率跟踪；控制板通过时序控制和增益控制实现若干模拟测波雷达发射脉冲信号(其频率与测波雷达发射信号一致，大小正比与雷达发射功率)；雷达天线接收性能监视器产生模拟雷达发射脉冲信号，通过雷达收发机的接收通道将回波信号送至显示控制单元，显示控制单元再通过图形和文本的方式记录和指示雷达收发机的性能和工作状态。

所述频率转换单元包括双向耦合器、3dB环形电桥、混频功率二极管、衰减器。所述频率转换单元实现将9.41GHz雷达信号转换成60MHz的中频信号，用于信号功率检测和频率跟踪。

所述频率转换单元包括双向耦合器、3dB环形电桥、混频功率二极管、衰减器；所述雷达天线接收的雷达射频信号、本振信号(9.47GHz)分别连接到双向耦合器的网络端口1、2；双向耦合器的耦合网络端口3通过混频功率二极管连接到中频放大器；双向耦合器的端口4通过衰减器连接到门限检测保护电路。

所述检波器包括依次连接的功率检波器、第一运放器、A/D单元，其中功率检波器与复用器连接，A/D单元与控制板连接。

所述AFC环路包括顺序连接的第一放大器、鉴频器、低通滤波器、第二运放器，其中第一放大器与复用器连接。

所述鉴频器由一个高频(相对鉴频器零频)滤波器和一个低频滤波器并联，通过检波二极管反接相减实现。

所述性能监视器还包括依次连接的第二复用器、X波段压控振荡器、第二放大器、第一隔离器，其中控制板产生的模拟测波雷达发射脉冲信号(即扫频信号)传输至第二复用器，第一隔离器与频率转换单元连接。第一隔离器、第二放大器、X波段压控振荡器、第二复用器组成一个反馈控制环路，实现测波雷达发射信号频率的跟踪检测。

所述性能监视器还包括依次连接的本振OSC、第三放大器、衰减器、延时控制单元、第二隔离器，还包括D/A单元单元，控制板与延时控制单元连接，控制板通过D/A单元单元与衰减器连接。延时控制单元、控制板中延时控制单元(时序控制)、第三放大器、本振OSC、检波器组成一个反馈控制环路，实现测波雷达发射功率的检测和指示。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种实现测波雷达性能监视的方法，包括以下顺序的步骤：

S1、PM天线接收雷达收发机发射脉冲信号；

S2、频率转换单元将接收到高频RF信号下变频成IF中频信号；

S3、根据功率检波器、第一运放器、A/D单元以及控制板计算得到发射机功率大小，根据功率大小区间量化控制时序和增益(见图4中时序及增益控制曲线)后，产生若干跟等间隔递减脉冲信号；

S4、通过PM天线发射模拟脉冲信号到雷达收发机；

S5、显示控制单元根据设置的性能监视扇区将PPI图上绘制模拟脉冲信号干涉图形，并周期记录收发机运行时间、磁控管发射时间及性能监视扇区的截图信息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

相比于传统导航雷达性能监测装置，本发明可实现在不干涉雷达正常运行状态下，实时监控雷达发射机和接收机的动态响应，且具备更高的测量精度和准确性。

附图说明

图1是本发明所述一种实现测波雷达性能监视的装置的结构示意图。

图2a是本发明所述雷达收发单元的功能框图。

图2b是本发明所述雷达收发单元中控制板的功能框图。

图3是本发明实施磁控管在不同脉冲模式下磁控管电流的周期测试的记录图。

图4是本发明实施性能监视器的时序控制示意图。

图5a是本发明实施性能监视器的鉴频(AFC)曲线示意图。

图5b是本发明实施性能监视器的功率检测特性曲线示意图。

图6a是本发明实施雷达收发机的性能监控指示示意图，此时发射机正常，接收机正常。

图6b是本发明实施雷达收发机的性能监控指示示意图，此时发射机功率降低3dB，接收机正常。

图6c是本发明实施雷达收发机的性能监控指示示意图，此时发射机功率降低3dB，接收机灵敏度降低3dB。

图7是本发明实施设置性能监视扇区显示示意图。

其中，附图标记含义如下：

101-雷达天线、102-雷达收发机、103-磁控管、104-调制器、105-控制板、200-显示控制单元、300-性能监视器、301-PM天线、302-频率转换单元、303-第一隔离器、304-第二放大器、305-X波段压控振荡器、306-第二复用器、307-扫频信号、308-门限检测保护电路、309-分配器、310-第二隔离器、311-延时控制单元、312-衰减器、313-D/A单元、314-第三放大器、315-本振OSC、316-第一放大器、317-鉴频器、318-低通滤波器、319-第二运放器、320-功率检波器、321-第一运放器、322-A/D单元、323-第一复用器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，一种实现测波雷达性能监视的装置，包括性能监视器(PM)、控制板，所述测波雷达包括雷达天线、雷达收发机、显示控制单元，所述性能监视器包括PM天线、频率转换单元、分配器、第一复用器、检波器、AFC环路；其中PM天线接收雷达收发机发射信号，通过频率转换单元将耦合接收到信号进行下变频至中频；频率转换单元、分配器、第一复用器顺序连接，分配器、第一复用器将中频信号分成2路：1路送至检波器实现信号强度的检测，1路送至AFC环路实现频率跟踪；控制板通过时序控制和增益控制实现若干模拟测波雷达发射脉冲信号(其频率与测波雷达发射信号一致，大小正比与雷达发射功率)；雷达天线接收性能监视器产生模拟雷达发射脉冲信号，通过雷达收发机的接收通道将回波信号送至显示控制单元，显示控制单元再通过图形和文本的方式记录和指示雷达收发机的性能和工作状态。

如图2a、2b，测波雷达收发机主要完成功能包括：接收来自于显示控制单元的控制指令；发射雷达脉冲信号，接收和处理回波信号；向显控台单元发送回波数据。测波雷达收发的工作流程如下：

发射通路：采集控制器控制下产生调制器需要的触发脉冲及脉宽控制信号，调制器产生高压调制脉冲触发磁控管工作，磁控管产生高频(9.41Ghz)脉冲，通过三端环形器，并通过旋转关节送至天线，定向辐射至空间。脉冲的宽度和重复频率与显控台单元的选择有关。发射脉冲可以是：短、中、长三种。

接收通路：目标的回波经天线、旋转关节进入至三端环形器进入雷达接收机通路，接收通路经限幅器保护、STC组件抑制、经接收前端增益放大并下变频至中频信号，中频信号经中频放大器对数放大、检波变为视频信号输出至采集控制板，采集控制板经A/D采集，将视频信号、方位信号打包成距离、方位信息，通过网络送至显示控制单元。传动机构带动天线以固定的转速旋转，并产生船首、方位信号，识别目标的方位信息。

雷达收发机的性能监控指示示意图，如图6a、6b、6c所示。

显示控制单元主要完成功能包括：主要是用来显示雷达的PPI图像以及海浪的一维频率谱图。界面的左侧是文本显示区域和系统操作区。显示栏主要显示海浪反演过程获取的各种海态参数如波高、峰值周期、峰值方位等。在系统状态辅助工具栏打开雷达性能监视功能，通过设置性能监控扇区，实时显示当前雷达收发机性能状态，调用存储历史数据，包括：发射机运行时间、设备工作时间，收发机性能状态的态势曲线等。图3表示实施设置性能监控扇区的示意图，图4是表示实施磁控管在不同脉冲模式下磁控管电流的周期测试的记录。

工作流程：由收发单元送来的下行数据经信号接口板送入视频接口板进行解码，解出触发脉冲、方位信号和舰首信号，触发脉冲经整形后作为系统工作的同步信号，方位信号进行倍频处理。由收发单元送来的下行数据同时进行放大及预处理后与解出来的触发脉冲、方位信号和舰首信号一起送入信号处理板进行下一步处理，经信号处理板处理后的雷达视频回波打包数据通过PCI-E总线送PC系统，PC系统采用一台主机来进行显控终端的处理，主机从信号处理板读取回波、目标信息等数据，经过主控软件处理后在显示器上显示，另外接收鼠标、键盘传来的控制消息，向信号处理板和雷达收发机发送控制指令。

性能监视器(PM)：通过空间耦合感应雷达发射的信号强度，由测波雷达收发机中的控制板采集以此判断测波雷达收发机的性能和状态。

工作流程：PM天线接收测波雷达收发机发射脉冲信号；频率转换单元将接收到高频RF信号下变频成IF中频信号；根据功率检波器、第一运放器、A/D单元及控制板计算得到发射机功率大小，根据功率大小区间量化控制时序和增益(见图4中时序及增益控制曲线)后，产生若干跟等间隔递减脉冲信号；通过PM天线,发射模拟脉冲信号给测波雷达收发机(102)；显示控制单元(200)根据设置的性能监视扇区将PPI图上绘制模拟脉冲信号干涉图形，并周期记录收发机运行时间、磁控管发射时间及性能监视扇区的截图信息。

性能监视(PM)装置,可通过模拟若干脉冲信号在显示控制单元PPI显示中产生不同干涉图形(同心圆弧)来指示测波雷达收发机的性能状态，区别其他设计的特性:可以设置性能监视扇区，实现性能监与测波同时工作，互补干涉；通过显示圆弧的距离远近来指示发射机性能；通过显示圆弧的数量来指示接收机的性能(见图7)。

频率转换单元包括双向耦合器、3dB环形电桥、混频功率二极管、衰减器等实现将9.41GHz雷达信号转换成60MHz的中频信号，用于信号功率检测和频率跟踪。

性能监视(PM)发射机监控通过延时控制单元、控制板中时序控制、第三放大器、本振OSC、功率检波器组成一个反馈控制环路，实现测波雷达发射功率的检测和指示，见图4实施性能监视器时序控制示意图。

性能监视(PM)发射机监控通过第一放大器、鉴频器、低通滤波器、第二运放器、与X波段信号源产生电路：第一隔离器、第二放大器、X波段压控振荡器、第二复用器组成一个反馈控制环路，实现测波雷达发射信号频率的跟踪检测。

性能监视(PM)接收机监控通过延时控制单元(用于时序控制)、衰减器(用于增益控制)、控制板中增益控制和时序控制、第三放大器、本振OSC、功率检波器组成一个反馈控制环路，实现测波雷达接收电路的检测和指示。

性能监视(PM)实现测波雷达发射信号频率的跟踪检测(AFC)中鉴频器由一个高频(相对鉴频器零频)滤波器和一个低频滤波器并联，通过检波二极管反接相减实现。其鉴频特性曲线见图5a所示的性能监视器鉴频(AFC)特性曲线示意图、图5b所示的功率检测特性曲线示意图。

测波雷达收发机中磁控管电流特性的检测与记录，见图4实施磁控管在不同脉冲模式下磁控管电流的周期测试的记录。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：包括性能监视器、控制板，所述测波雷达包括雷达天线、雷达收发机、显示控制单元，所述性能监视器包括PM天线、频率转换单元、分配器、第一复用器、检波器、AFC环路；其中PM天线接收雷达收发机发射信号，通过频率转换单元将耦合接收到信号进行下变频至中频；频率转换单元、分配器、第一复用器顺序连接，分配器、第一复用器将中频信号分成2路：1路送至检波器实现信号强度的检测，1路送至AFC环路实现频率跟踪；控制板通过时序控制和增益控制实现若干模拟测波雷达发射脉冲信号；雷达天线接收性能监视器产生模拟雷达发射脉冲信号，通过雷达收发机的接收通道将回波信号送至显示控制单元，显示控制单元再通过图形和文本的方式记录和指示雷达收发机的性能和工作状态。

2.根据权利要求1所述实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：所述频率转换单元包括双向耦合器、3dB环形电桥、混频功率二极管、衰减器；所述雷达天线接收的雷达射频信号、本振信号分别连接到双向耦合器的网络端口1、2；双向耦合器的耦合网络端口3通过混频功率二极管连接到中频放大器；双向耦合器的端口4通过衰减器连接到门限检测保护电路。

3.根据权利要求1所述实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：所述检波器包括依次连接的功率检波器、第一运放器、A/D单元，其中功率检波器与复用器连接，A/D单元与控制板连接。

4.根据权利要求1所述实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：所述AFC环路包括顺序连接的第一放大器、鉴频器、低通滤波器、第二运放器，其中第一放大器与复用器连接。

5.根据权利要求4所述实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：所述鉴频器由一个高频滤波器和一个低频滤波器并联，通过检波二极管反接相减实现。

6.根据权利要求1所述实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：所述性能监视器还包括依次连接的第二复用器、X波段压控振荡器、第二放大器、第一隔离器，其中控制板产生的模拟测波雷达发射脉冲信号传输至第二复用器，第一隔离器与频率转换单元连接。

7.根据权利要求1所述实现测波雷达性能监视的装置，其特征在于：所述性能监视器还包括依次连接的本振OSC、第三放大器、衰减器、延时控制单元、第二隔离器，还包括D/A单元单元，控制板与延时控制单元连接，控制板通过D/A单元单元与衰减器连接。

8.一种实现测波雷达性能监视的方法，其特征在于，包括以下顺序的步骤：

S1、PM天线接收雷达收发机发射脉冲信号；

S2、频率转换单元将接收到高频RF信号下变频成IF中频信号；

S3、根据功率检波器、第一运放器、A/D单元以及控制板计算得到发射机功率大小，根据功率大小区间量化控制时序和增益后，产生若干跟等间隔递减脉冲信号；

S4、通过PM天线发射模拟脉冲信号到雷达收发机；

S5、显示控制单元根据设置的性能监视扇区将PPI图上绘制模拟脉冲信号干涉图形，并周期记录收发机运行时间、磁控管发射时间及性能监视扇区的截图信息。