民航內(nèi)蒙古空管分局 韓 毅

DLD100C雷達(dá)更新改造阿萊尼亞雷達(dá)的探索與實(shí)踐

民航內(nèi)蒙古空管分局 韓 毅

蘇尼特右旗阿萊尼亞二次雷達(dá)為雷神雷達(dá)備份手段。為解決阿萊尼亞雷達(dá)設(shè)備老化、覆蓋不足的問題，采用DLD100C型雷達(dá)替換其發(fā)射接收和信號處理部分，保留原雷達(dá)天線部分，從而實(shí)現(xiàn)阿萊尼亞雷達(dá)快速升級的目標(biāo)。

阿萊尼亞雷達(dá)；DLD100C雷達(dá)；升級

引言

空管雷達(dá)是空中交通管理系統(tǒng)監(jiān)視空中飛行情況的重要信息源之一，是確保飛行安全、實(shí)現(xiàn)雷達(dá)管制和提高空域容量的基礎(chǔ)。內(nèi)蒙古空管分局蘇尼特右旗雷達(dá)站安裝一部雷神Condor MK2二次雷達(dá)。該雷達(dá)站覆蓋內(nèi)蒙區(qū)域內(nèi)多條重要航路，是北京管制區(qū)域內(nèi)一個十分重要的監(jiān)視設(shè)施。由于該區(qū)域僅有一部雷達(dá)，未形成多重雷達(dá)覆蓋，故此雷達(dá)長期難以停機(jī)維護(hù)，存在安全生產(chǎn)隱患。一旦雷達(dá)故障，將失去該區(qū)域的監(jiān)視能力。為解決這一安全隱患，2014年華北空管局調(diào)撥一部阿萊尼亞（ALENIA）二次雷達(dá)安裝于雷達(dá)站內(nèi)，作為雷神雷達(dá)停機(jī)時的補(bǔ)充監(jiān)視和備份手段。但是該ALENIA雷達(dá)運(yùn)行年數(shù)超過20年，嚴(yán)重老化，故障頻發(fā)，監(jiān)視距離短，難以完成覆蓋相同區(qū)域的任務(wù)，故2016年內(nèi)蒙古空管分局和電子科技集團(tuán)第14研究所達(dá)成合作協(xié)議，使用14所自主研發(fā)的二次雷達(dá)DLD100C替換ALENIA雷達(dá)詢問機(jī)、錄取器和RHP數(shù)據(jù)處理部分，保留ALENIA雷達(dá)天線及天線驅(qū)動部分，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)設(shè)備升級的目的。

1.現(xiàn)場情況簡介

1.1 備用ALENIA雷達(dá)安裝現(xiàn)場情況

調(diào)撥的ALENIA二次雷達(dá)安裝于方艙之內(nèi)，共有三個機(jī)柜組成，分別為詢問錄取機(jī)柜、RHP數(shù)據(jù)處理及天線驅(qū)動機(jī)柜、CDS綜合顯示機(jī)柜。ALENIA雷達(dá)天線塔位于方艙旁邊，為鋼結(jié)構(gòu)鐵塔，高度約為15米，距離主用雷神雷達(dá)天線塔直線距離20米。該天線塔頂架設(shè)一部大垂直孔徑陣列天線以及相應(yīng)的天線驅(qū)動馬達(dá)，變速箱和旋轉(zhuǎn)鉸鏈。本次更新工作使用DLD100C的相關(guān)部件替換掉方艙內(nèi)部ALENIA雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、錄取器和雷達(dá)頭處理器，保留天線驅(qū)動機(jī)柜，天線塔及雷達(dá)天線不做更新。

1.2 DLD100C型S模式二次雷達(dá)簡介

DLD100C二次雷達(dá)是中國電子科技集團(tuán)第14研究所獨(dú)立研發(fā)的第三代民航二次雷達(dá)設(shè)備，獲得民航局頒發(fā)的設(shè)備使用許可證。具有以下特點(diǎn)：

（1）高可靠性：采用雙機(jī)熱備份，具有通道無縫切換能力；（2）完善的BITE：設(shè)備主要系統(tǒng)參數(shù)能夠在線監(jiān)測；

（3）具有故障遠(yuǎn)程監(jiān)視和操控功能，可實(shí)現(xiàn)無人值守 ；

（4）設(shè)備具有基本S模式能力，輕型大口徑天線，便于與一次合裝；

（5）設(shè)備集成度高，可兼容IFF。

DLD100C型雷達(dá)主要由詢問機(jī)柜、伺服機(jī)柜、綜合機(jī)柜、天線及天線座等五部分組成。詢問機(jī)柜內(nèi)包含饋線組合、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理、數(shù)據(jù)處理和電源等。有A/B兩個獨(dú)立的通道，所有組件為盲插結(jié)構(gòu)。伺服機(jī)柜內(nèi)內(nèi)安裝有雙路的操控箱、變頻器、方位發(fā)生器、控制器，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線運(yùn)行控制。綜合機(jī)柜提供方位增量碼、正北脈沖，匯集伺服分系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過以太網(wǎng)上傳監(jiān)控終端。

2.升級方案

本次改造計劃保留ALENIA雷達(dá)天線、天線驅(qū)動和饋線，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號處理部分均替換為DLD100C雷達(dá)的相應(yīng)部分。改造工作的難點(diǎn)在于兩部雷達(dá)的接口部分信號和數(shù)據(jù)的匹配。

2.1 和饋線與差饋線相位匹配

依據(jù)ALENIA雷達(dá)和DLD100C雷達(dá)手冊，ALENIA雷達(dá)對天線饋線相位的要求為和饋線超前差饋線90°，而DLD100C雷達(dá)要求差饋線超前和饋線90°。由于DLD100C和ALENIA對天線和與差饋線的相位要求不同，故DLD100C機(jī)柜進(jìn)入方艙就位后，首先對天線饋線相位進(jìn)行匹配。

根據(jù)電磁場理論，同軸電纜主要傳輸無色散的TEM模，即橫電磁波模式。在真空中TEM波的工作波長為

式中，c = 3 X 108(m/s)，為真空中的光速，f為工作頻率。

一個波長對應(yīng)的相位為2π，即360°，每1°對應(yīng)的波長為λ/ 360°，由此可以通過調(diào)整電纜的物理長度來改變電纜的相位。對于雷達(dá)天線饋線，需要保證和饋線、差饋線兩根射頻電纜的相位一致性，選取任意一根為基準(zhǔn)電纜，通過調(diào)節(jié)另外一根的物理長度，使其與基準(zhǔn)電纜的相位差保持在一定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，通常為10°到15°以內(nèi)。根據(jù)上述理論，雷達(dá)設(shè)備接受頻率為1090MHz，根據(jù)公式（1），計算得出波長為0.275m，除以360度，則可以得出1度對應(yīng)的物理長度為0.76mm。

使用綜合測試儀R&S ZVH4測量和、差電纜相位差。首先進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，

（1）開機(jī)后，按MODE，通過功能鍵選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析模式；

（2）按FREQ/DIST，將中心頻率設(shè)置為1090MHz；

（3）按“MEAS”，按F2選擇傳輸“S21”，測量1口到2口的傳輸系數(shù)。

（4）按CAL，校準(zhǔn)件選擇FSH-Z29，通過F1功能鍵選擇“全兩端口”，

（5）彈出“校準(zhǔn)開路（OPEN）”對話框，將校準(zhǔn)件OPEN端分別接到端口1和端口2，

按F2繼續(xù)，校準(zhǔn)完成。

（6）彈出“校準(zhǔn)短路（SHORT）”對話框，將校準(zhǔn)件SHORT端分別接到端口1和端口2，

按F2繼續(xù)，校準(zhǔn)完成。

（7）彈出“校準(zhǔn)負(fù)載（LOAD）”對話框，將校準(zhǔn)件LOAD端分別接到端口1和端口2，

按F2繼續(xù)，校準(zhǔn)完成。

（8）彈出“校準(zhǔn)直通（THROUGH）”對話框，將綜測儀基準(zhǔn)電纜兩端連接到端口1和端

口2連接，按F2繼續(xù)，校準(zhǔn)完成。此時綜測儀將該基準(zhǔn)電纜相位記為0°，后續(xù)測試均以此為基準(zhǔn)。

將天線分配箱一端的和與控制兩根饋線使用N型母頭轉(zhuǎn)連器連接，從設(shè)備機(jī)房內(nèi)連接詢問接收機(jī)頂部一端分別將和、控制兩條饋線連接至網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口一和端口二，進(jìn)行測量，測得Σ+Ω兩條饋線的相位為，測量結(jié)果為X；同樣的方法對控制、差兩根饋線進(jìn)行測量，測得Δ+ Ω兩條饋線的相位。測量結(jié)果為Y；若X-Y得值大于15°，超出門限值，則需要對和、差兩根饋線的其中一根，根據(jù)每1°長度為0.76mm進(jìn)行裁剪相應(yīng)的長度，以達(dá)到相位匹配的要求。

通過觀察綜合測試儀測試結(jié)果，原有的和與差饋線相位匹配很好，未發(fā)生偏移。因此為了實(shí)現(xiàn)相位匹配，可以有兩種實(shí)現(xiàn)方案。第一種依據(jù)上述的相位原理，修剪饋線長度，實(shí)現(xiàn)和與差相位由之前的超前90°改變?yōu)闇?0°，即總共180°的轉(zhuǎn)變，按照1°長度為0.76mm，則共剪掉差電纜136.8mm即可。但此方法要求精度高，裁剪電纜和制作電纜頭均有可能引入相位誤差，需要使用專用工具才能達(dá)到較好的精度；

第二種方法較為簡單，即直接在差饋線接口處增加一個180°移相器，從而實(shí)現(xiàn)差饋線超前和饋線90°的目標(biāo)。此方法省去修剪電纜的復(fù)雜性，且精度較高，因此我們通過該方法實(shí)現(xiàn)了相位的調(diào)整。

2.2 正北信號和方位信號接入

由于天線部分不進(jìn)行更換，無法產(chǎn)生DLD100C雷達(dá)系統(tǒng)需要的方位信號，需要將ALENIA雷達(dá)產(chǎn)生的方位信號送入DLD100C雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部。

ALENIA雷達(dá)天線驅(qū)動部分使用增量式光電方位編碼器。天線大盤旋轉(zhuǎn)帶動編碼器轉(zhuǎn)動，每一固定角度產(chǎn)生一個方位增量脈沖信號（ACP），編碼器轉(zhuǎn)動一周后產(chǎn)生一個正北脈沖信號（NRP）。根據(jù)天線旋轉(zhuǎn)周期不同，每4s或6s產(chǎn)生一個正北信號NRP，每兩個NRP信號之間產(chǎn)生4096個方位增量信號ACP。ACP和NRP信號從編碼器輸出后，通過天線驅(qū)動單元的J13接口送入系統(tǒng)，經(jīng)EDR板處理后輸出標(biāo)準(zhǔn)ACP和NRP信號供后端設(shè)備使用。DLD100C二次雷達(dá)接收的正北信號和方位信號來自伺服系統(tǒng)中的軸角檢測裝置，該裝置由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器組成。安裝在天線座中心軸下的高頻交連的下端，通過彈性聯(lián)軸器由高頻交連內(nèi)圈帶動，保持和天線同步運(yùn)轉(zhuǎn)，1：1輸出方位轉(zhuǎn)角信號。該信號形式為差分信號，信號幅度要小于+5V；

使用示波器測量天線驅(qū)動模塊輸出NRP和ACP信號的參數(shù)，連接示波器探頭至驅(qū)動控制單元ASC 背板的ACP和NRP信號輸出接口引腳J11和J14，觀察到ACP信號，但無NRP信號，ACP信號幅度約為10V，高于DLD100C可以接收的信號幅度。查看ALENIA天線驅(qū)動部分電路圖，發(fā)現(xiàn)編碼電路板EDR的前面板也存在NRP和ACP信號的輸出接口，使用示波器觀察到了J11輸出NRP信號，J14輸出ACP信號，信號幅度為4.3V，符合要求。

DLD100C雷達(dá)的方位處理模塊要求輸入的ACP和NRP信號為差分形式，即±ACP和±NRP，且信號幅度為+5V。由于ALENIA僅輸出一路ACP和NRP，故需要新加一個差分電路來實(shí)現(xiàn)功能。使用集成電路DS26LS31MJ/883QS搭建一個差分電路，該電路可實(shí)現(xiàn)四路差分電路驅(qū)動，將輸入信號轉(zhuǎn)換為差分形式進(jìn)行輸出，且輸出信號幅度可達(dá)5.5V。其邏輯連接圖如下。

圖1 DS26LS31MJ/883QS邏輯圖

將ALENIA天線驅(qū)動單元的EDR電路前面板J11輸出的NRP信號和J14輸出的ACP信號接入DS26LS31MJ/883QS的INPUT A和INPUT B，對ACP和NRP信號進(jìn)行差分處理，順利實(shí)現(xiàn)了方位信號的形式轉(zhuǎn)換。

將產(chǎn)生的ACP和NRP差分信號接入DLD100C雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)容，登錄顯控終端，進(jìn)入雷達(dá)綜合機(jī)柜設(shè)備狀態(tài)界面的雷達(dá)詳細(xì)狀態(tài)表，看到A角碼方位增量個數(shù)顯示4096，A角碼正北脈沖周期顯示4.02秒。證明ALENIA雷達(dá)的方位信號接入DLD100C雷達(dá)系統(tǒng)正常。

2.3 DLD100C參數(shù)調(diào)整

2．3．1 正北修正

不同于ALENIA二次雷達(dá)需要通過調(diào)整EDR板S1～S4中的36位開關(guān)位置調(diào)整正北方位。DLD100C 雷達(dá)調(diào)整正北方位較為簡單，直接通過顯控終端軟件就可實(shí)現(xiàn)天線方位角修正。進(jìn)入伺服狀態(tài)與控制界面，在應(yīng)答機(jī)地理方位角編輯框中輸入應(yīng)答機(jī)方位角。該方位角可以通過廠家提供的excel表格，分別填入雷達(dá)設(shè)備的經(jīng)緯度和高度，以及模擬應(yīng)答機(jī)的的經(jīng)緯度和高度，即可以計算得出模擬應(yīng)答機(jī)相對于雷達(dá)的方位角。

在測試目標(biāo)A代碼編輯框中輸入應(yīng)答機(jī)的A代碼，點(diǎn)擊“清零”按鈕進(jìn)行相對方位角清0；點(diǎn)擊“自動修正”完成正北方位修正。

2．3．2 角敏函數(shù)表制作

單脈沖測角技術(shù)中，使用角敏函數(shù)表（OBA）來確定目標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)軸的角度，從而可以通過一次詢問應(yīng)答來確定目標(biāo)的位置。

雷達(dá)安裝完成后，首先需要制作OBA表。在顯控終端上進(jìn)入顯示與控制界面，在屏幕上找到應(yīng)答機(jī)目標(biāo)，記錄應(yīng)答機(jī)的A代碼、方位角、距離數(shù)值。查看視頻眉毛所占的角度。返回主監(jiān)控界面，進(jìn)入“天線”模塊，點(diǎn)擊“角敏函數(shù)表制作”，進(jìn)入角敏函數(shù)表制作界面。在“參數(shù)控制”組框中，在距離輸入框輸入記錄的應(yīng)答機(jī)目標(biāo)距離值，在方位輸入框輸入記錄的應(yīng)答機(jī)目標(biāo)方位角，在波寬輸入框輸入目標(biāo)波束駐留寬度，即視頻眉毛所占的角度，在航班號輸入框內(nèi)輸入記錄的應(yīng)答機(jī)A代碼，在SDR上下限輸入框內(nèi)分別輸入SDR上下限值，然后點(diǎn)擊“確定”按鈕。點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，動態(tài)框中開始采集數(shù)據(jù)，等待10分鐘時間，觀察動態(tài)輸入框鐘的曲線，如果曲線已經(jīng)足夠平滑，且以中心線對稱時，表示此次采集是成功的，如圖2所示。

圖2 角敏函數(shù)制作

生成完整的角敏函數(shù)曲線后，點(diǎn)擊“結(jié)束采集”按鈕，結(jié)束此次數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕，可將此次生成的OBA表應(yīng)用到雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器，刷新為當(dāng)前測量的OBA修正表。點(diǎn)擊“保存應(yīng)用”按鈕，可將此次生成的OBA表保存到雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器的電子硬盤上，雷達(dá)下次開機(jī)或者重啟后，將自動加載保存在電子硬盤上的數(shù)據(jù)。注意在角敏函數(shù)表制作期間，雷達(dá)自動工作A模式，因此監(jiān)視席位上的目標(biāo)將無高度顯示。

3.結(jié)束語

該雷達(dá)系統(tǒng)自更新以來，運(yùn)行穩(wěn)定，覆蓋效果良好，在主用雷神雷達(dá)停機(jī)時，高效的完成了補(bǔ)充監(jiān)視的功能。兩部不同類型的雷達(dá)組裝，接口部分是關(guān)鍵。民航內(nèi)蒙古空管分局本次采用DLD100C型雷達(dá)升級改造老舊ALENIA雷達(dá)，解決了饋線相位調(diào)整和方位信號接入的兩大關(guān)鍵問題。升級后的系統(tǒng)有效解決了安全生產(chǎn)隱患。

[1]張虹．單脈沖二次雷達(dá)的研制和改進(jìn)[J]．現(xiàn)代雷達(dá),2001(6):24～27．

[2]Steven Michael C． Secondary surveillance radar[M]． Artech House Boston and London． 1988．

[3]RADAR AND SYSTEM DIVISIOON Logistic Dept．ALENIA Technial Manual, Antenna Pedstal[Z]． Italy：Alenia Company, March 1992．