民机通信导航与雷达-第六章-气象雷达课件.ppt

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1、,本章学习要点了解气象雷达基础知识；理解雷达收发电路的基本工作原理；理解雷达天线的基础知识；了解显示器的基本工作原理；课时分配2学时,第六章 气象雷达,本章主要内容第一节 气象雷达基础；第二节 雷达收发电路的基本工作原理；第三节 雷达天线基础；第四节 显示器的基本工作原理；,一、气象雷达的基本功用及工作概况,基本功用：机载气象雷达用于在飞行中实时探测前方航路上瞬息万变的气象状况，是保证飞行安全的重要机载电子设备之一；,工作方式:,气象气象与湍流地图,第一节 气象雷达基础,（一）雷达对气象目标及其它空中障碍物的探测.雷达对气象目标的探测,图6-1 雷达所提供的气象目标显示图像,O：代表飞机的位置

2、 OA：代表飞机纵轴线的延长线 弧形亮线:代表不同距离的距离标志圈，在距离标志圈的一端显示由该圈所代表的距离（海里）数 O点出发的明亮射线：代表方位线，可以判读目标相对于飞机纵轴的方位,机载气象雷达通过不断扫掠的天线向飞机前方及其两侧扇区辐射功率强大的雷达脉冲信号，同时接收由降雨区等含水气象目标所产生的雷达回波。回波信号在雷达接收机和显示器中经过复杂的处理，最终以光信号明亮的目标图像的形式在显示器上显现出来。,2.气象雷达对其它空中目标和障碍物的探测,对云雾、雪花等不能有效 探测，对晴空湍流也不能检测,气象雷达的这一特性，对在恶劣气象条件下和夜间飞行的飞机，以及在地形复杂地区飞行的飞机来说，具

3、有特别重要的意义。,但是，必须强调指出，决不能把气象雷达作为防撞引导设备来应用。,机载气象雷达除了能发现和探测空中气象目标外，还能有效地发现和探测航路上的山峰、相遇飞机等目标。这些目标也能和降雨区等气象目标一样，有效地反射雷达电波。,（二）气象雷达的地形观察功能,把雷达波束指向地面时，利用地表不同地物对雷达电波反射特性的差异，可以在雷达显示器上显示出飞机前下方扇区内的地表特征的图像，这就是气象雷达工作于“地图”方式时的地形观察功能。当雷达电波投射到大地表面时，不同地表特征便形成了强弱差别明显的雷达回波。根据雷达回波的这一特性，气象雷达便可在显示器上显示出地表特征的平面位置分布图形来。,图6-2

4、,图6-2是雷达工作于地图方式时的显示画面，画面清晰地显示出海岸线、湖泊（箭头2）及较宽的河流（箭头1）的轮廓线。飞行员利用这种地貌特征的平面位置图形，可以方便地判断出飞机的位置。,二、雷达的基本组成,图6-3 机载气象雷达系统,机载气象雷达的基本组件为雷达收发组、雷达天线、显示器、控制盒和波导系统。机载气象雷达还需由垂直陀螺提供倾斜和俯仰稳定信号，倾斜和俯仰信号可以由单独的垂直陀螺组件提供，也可由惯性基准系统提供。图63是由一部雷达收发组、一部显示控制器、天线及波导组成的气象雷达方块图。,（一）雷达收发组,结构：由雷达发射机和雷达接收机两部分基本电路组成,作用：雷达发射机用于产生强力的、周期

5、性的微波脉冲信号 雷达接收机用于接收和处理由天线接收的雷达回波信号,机载气象雷达的工作频率为9333，9345或9375MHz。这一波段属于波段。由于雷达的工作波长仅为3.2c，所以雷达发射电路及接收电路中的高频部分是由各种微波器件组成的,雷达收发组总是安装在尽量靠近天线的位置，例如前设备舱或机鼻罩内，以尽可能缩短连接波导的长度。,（二）雷达天线组,种类：气象雷达所使用的天线有平板型天线和抛物面天线,作用：把发射机所产生的强力脉冲信号形成很窄的雷达波束辐射到空中，并接收由雷达目标反射回来的回波信号。,特点：雷达天线的一个显著特点是需要进行复杂的运动。除了要自动地进行周期性的往复扫掠方位扫掠外，

6、还需要自动进行天线的倾斜俯仰修正运动。,雷达天线组安装在飞机雷达罩（机鼻罩）内的密封舱前隔板上。,雷达罩用于保护雷达天线，保持飞机的流线型外形。雷达罩是用非金属材料制成的，应能保证电磁波的顺利穿透。,（三）显示器与控制盒,彩色显示器在显示气象目标时通常用绿、黄、红以及紫红色来表示强度逐渐增大的降水区。其所显示的目标图像的亮度与目标的距离、面积、降雨率无关在显示地面目标时，通常用蓝绿色、黄色、紫红色来代表反射强度不同的地面目标。黑白雷达显示器则用明亮程度的不同来反映目标反射特性的强弱。,黑白雷达显示器则用明亮程度的不同来反映目标反射特性的强弱。,（四）波导系统,作用：用于实现雷达收发组和天线之间

7、的射频能量的传输。,特点：由于雷达信号是频率极高的微波信号，所以不能用一般无线电设备所用的同轴电缆来传输，只能用封闭的波导系统传送。发射机产生的功率强大的雷达发射信号，通过波导系统传送给天线，辐射到空中去；同一部天线所接收的雷达回波信号，也是经过同一波导系统传送给雷达收发组中的接收机的。,结构：由刚性波导和软波导组成。在有的气象雷达的波导系统中，还装设有一个波导开关和等效负载。,三、气象雷达的基本工作原理,（一）气象雷达对目标的探测,1目标对雷达信号的反射 机载气象雷达之所以选择频率为93009400MHZ范围内的波段的信号，其基本原因之一就是因为雨区及其它空中降水气象目标能够对这一波段的信号

8、产生有效的反射。不同气象目标对雷达信号的反射程度,还与它们本身的含水密度及状态等有关 气象雷达所辐射的是能量集中在极短时间内的射频脉冲信号。采用脉冲发射信号，可以有效地探测和区分空中的气象目标。,2回波信号的接收 雷达的接收机和发射机是共用一部雷达天线工作的。信号的发射与回波信号的接收过程交替进行。雷达发射机在极短时间中产生的功率强大的脉冲信号，通过天线辐射出去。在这短短的几微秒内，雷达接收机的输入端是关闭的，不与天线连通。雷达发射过程结束后，雷达工作于接收状态，此时天线与接收机输入端相连接，不同距离处目标所产生的回波信号由天线接收而加至接收机进行复杂的处理。雷达工作在接收状态的时间远远大于它

9、的发射时间，几乎等于脉冲的周期，一般为20008000。在这段接收时间中，距离飞机约400 n mile范围内的明显气象目标所产生的回波信号，都能够被雷达所接收。,3天线波束及其扫掠 雷达发射机所产生的脉冲射频信号，由雷达天线汇聚成束后向空中某一方向辐射出去。在某一瞬间，雷达天线指向空间某一方向，此时，我们可以简单认为只有在这一方向的目标才会被雷达波束照射到，从而产生相应的回波信号而被雷达所探测；其它方位的目标，由于不可能被雷达信号照射到，所以在这一瞬间是不会产生回波而被雷达探测到。,为了探测飞机航路前方及其左右两侧的气象情况，气象雷达天线在一定范围内进行往复方位扫掠。通过天线的周期性方位扫掠

10、，雷达就可以探测这一方位范围内被波束所依次照射到的目标。气象雷达对目标的上述探测过程如左图,（二）气象雷达对目标距离的测定雷达天线所辐射的电磁波是以光速c在空中向前传播的。在气象雷达中，通过度量所接收到的目标回波信号与发射脉冲之间的时间间隔，就可以确定目标相对于飞机的距离。设目标的距离为R，则信号往返于飞机与该目标之间所需的时间t为：例如，对于距离为1km的目标来说，信号往返所需的时间为6.67s。这样，对于距离为10km，100km的目标来说，回波信号相对于发射脉冲的时间延迟就是66.7，667s。同样，对于距离为1n mile的目标，其回波延迟为12.36；10n mile，100n mi

11、le处的目标则为123.6和1236s，以此类推。,（三）雷达显示目标方位的基本原理前已说明，由于雷达天线所形成的辐射波束是宽度很窄的圆锥形波束，因而可以认为当天线指向某一方位时只有该方位的目标回波才能被雷达所接收。基于这一事实，只要把接收到回波信号时的天线方位值正确地传送到显示器中去，使回波图像显示在荧光屏上的对应方位，就能正确地显现出该目标的实际方位。在模拟式的机载气象雷达中，是利用同步器或旋转变压器一类机电式同步系统来实现上述目的的。在现代数字式气象雷达中，实现上述显示目标方位的过程和电路要复杂得多，但其基本思想则是一致的。,四、雷达信号及其基本参数,气象雷达发射机所产生的雷达发射信号，

12、是一种工作频率在93009400MHz之间的周期性脉冲射频信号，如下图所示。,在雷达短暂的发射期内，雷达发射机产生功率很大的等幅正弦振荡，形成包络形状为矩形的周期性脉冲发射信号；在两次发射脉冲的间隔期内，接收机接收来自由不同距离的目标所反射回来的回波信号。回波信号的幅度远远小于发射信号，在时间上延迟于发射脉冲一定的时间，但其频率仍可认为与发射信号相同。,1工作频率 雷达的工作频率即雷达发射信号的频率。工作频率也可以称为射频频率，通常用 来表示。气象雷达的工作频率是固定的，通常在93009400范围内选择，例如9333MHZ，9345MHZ，9375MHZ。只有少数气象雷达的工作频率为波段的54

13、40MHZ。,2脉冲重复周期或脉冲重复频率 雷达发射机所产生的周期性脉冲射频信号的重复频率称为雷达的脉冲重复频率，常记为PRF。有时，也习惯用脉冲重复周期PRT来表示雷达脉冲信号的发射间隔时间。脉冲重复周期是周期性脉冲信号相邻两个脉冲之间的间隔时间，应从脉冲的前沿测量到下一个脉冲的前沿时刻，如图所示。,3脉冲宽度 通常所定义的脉冲宽度，指高频脉冲包络半功率点（0.707电压点）之间或前后沿0.5点之间的时间间隔。在需要进一步说明脉冲波形的特性时，则以脉冲最大值的10%处的时间间隔为脉冲底部宽度；脉冲最大值的90处的间隔为脉冲顶部宽度。,4脉冲功率与平均功率雷达发射机在脉冲期间所输出的信号功率称

14、为脉冲功率，常用符号 来表示。脉冲功率是决定雷达探测范围的主要因素之一。提高脉冲功率，所发射的信号能量增大，远距离目标所产生的回波信号能量也相应增大，因而能够增大雷达的探测范围。机载气象雷达的脉冲功率为100瓦至几十千瓦。旧式雷达的功率较大，通常为几十千瓦。新式雷达在探测范围相同的情况下，发射功率远低于旧式雷达。平均功率指在整个发射周期中雷达发射信号的功率，常用 表示。气象雷达的平均功率从1瓦左右到几十瓦不等。,5占空比 脉冲占空比也叫脉冲占空系数或脉冲工作比，占空比等于脉冲宽度与脉冲重复周期的比值，即脉冲宽度与脉冲重复频率的乘积。,五、气象雷达的工作方式,（一）气象方式气象方式是机载气象雷达

15、最基本的工作方式。气象方式在苏式雷达中称为“障碍物”方式。雷达工作于气象方式时，显示器上所呈现的是空中气象目标及其它目标的平面位置分布图形。此时，天线波束在飞机前方及左右两侧的扇形区域内往复扫掠，以探测飞机航路前方扇形平面中的气象目标，通常是飞机所处的飞行高度层中的目标。天线所辐射的是很窄的锥形波束，俗称“铅笔波束”。雷达发射机产生周期性射频脉冲信号，经由波导系统输往天线辐射。天线所接收的空中气象目标及其它目标的回波，经由波导系统输入到接收机进行放大及其它处理。,（二）地图工作方式 地图方式是各型机载气象雷达所共有的一个基本工作方式，在苏式雷达中称为“观察”方式。雷达以地图方式工作时，呈现在荧

16、光屏上的是飞机前下方地面的地表特征。在一些旧式气象雷达中，地图方式时的天线波束形状是不同于气象方式的余割平方波束，俗称为“宽波束”。这种波束在水平面内仍然是很窄的，其水平波束宽度与探测空中目标时的窄波束相同；所不同的是宽波束的能量在垂直平面内分布范围较宽，向天线电轴前下方约30俯角的范围内辐射。利用这种余割平方波束，就可以照射飞机前下方较宽范围内的地面区域，达到视察地形的目的。,（三）测试方式大多数新型机载气象雷达都设置有功能完善的机内测试电路，以对雷达进行快速的性能检查。下图是一种典型的雷达测试图形。当选择测试方式时，显示器上即显现如图6-7所示的彩色测试带及其它自检信息。（四）准备方式有的

17、气象雷达设置有准备方式，以使发射机中的高频功率振荡器及显示器有一定的加温准备时间。准备时间约70，有的则长达34min。应用全固态器件的雷达通常不需要设置准备方式。在准备方式，发射机不产生射频振荡，因此天线不会辐射电磁能量。,一、电路组成与结构特点,（一）收发组的功用和组成 各型气象雷达收发组都是由发射电路、接收电路、收发转换电路三部分基本电路及电源供给电路、状态监控电路等组成的，如图。除此之外，通常还把控制天线稳定的电路设置在收发组中。,第二节 雷达收发电路的基本工作原理,发射机电路 作用:用于产生功率强大的周期性脉冲射频信号。它所产生的发射信号经由收发转换开关输出，通过波导系统传送到天线上

18、辐射。接收处理电路 作用:用于对天线所接收的微弱的回波信号进行放大及其它处理，产生视频回波信号或相应的视频信息输送给显示器。收发转换电路 作用:能自行完成雷达天线及波导系统与发射机或接收机之间的良好连接，并使接收端与发射端互相隔离。,电源供给电路 输入的电源通常由收发组内的电源供给电路转换为各种不同的直流稳定电压，供给收发组内的各部分电路，以及雷达系统的其它组件。监控电路特点:在高电压、大功率的状态下工作 作用:主要用于监控发射机振荡器、调制器、高压电源等电路 的工作状况。天线稳定放大电路 这一部分电路的工作原理将在天线一节中予以说明。,（二）收发组电路的结构特点 分类:可以分为高频部分与中、

19、低频部分 特点:,高频率:雷达信号为波段的微波信号。大功率:收发组中的中、低频电路的工作频率为数十或上百兆赫，其电路结构与一般电子设备相似，是由集成器件或分立元件组成的电路板。,（三）两种类型的发射电路1单级振荡式发射电路 发射机中的调制器用于实现对磁控管振荡器的控制，以使磁控管振荡器形成的周期性脉冲射频信号的重复周期、脉冲宽度、幅度符合要求。2主振放大式发射电路 雷达所需的发射功率是通过功率放大器保证的。,（四）雷达维护中的一些注意事项散热问题 雷达收发组设置有专用的冷却风扇，以利于散热。有的收发组面板上装有超温指示器。防磁 使用磁控管的雷达收发组的磁控管外装有磁性很强的永久磁铁工作中应注意

20、避免影响它们的磁性，也要防止其它器具被磁化。电磁辐射及其它 雷达所辐射的微波波束能量集中。这种微波有害人体健康。,二、发射电路的基本工作原理（一）磁控管振荡器 1磁控管的构造 磁控管是一种特殊的电真空器件。如下图是典型的磁控管的外形图。由图可见，它是由阳极及阳极散热片、阴极、灯丝和外加永久磁铁等几部分组成的。,阳极及阳极槽孔:用纯铜制成的圆柱形导体，两端封闭，内部抽成高度真空;(由图可以看到8个规则的圆形槽孔)槽孔的几何形状及尺寸决定了磁控管振荡器的振荡频率;控管振荡器不需要外加振荡元件 阴极与灯丝:阴极外表面敷有脉冲 放射能力很强的氧化 物;磁控管阳极A和阴 极K之间加有极高的 直流电压 外

21、加永久磁铁:作用在磁控管内部阳极与阴极之间的作用空间，其方向与管轴平行;磁控管内部电子的运动是受外加永久磁铁所产生的恒定磁场控制的,下图是磁控管的剖面示意图,图中以 表示磁场射入纸面。永久磁铁的磁性很强，其磁感应强度可达几千高斯。由于在管内作用空间中，磁场与由阳、阴极之间的直流高压所形成的电场互相垂直，所以这类振荡器件称为正交型振荡器件。,正是由于正交的电场与磁场的共同作用，才使管内电子的运动形成特殊的轨迹，从而产生振荡。,2磁控管产生振荡的基本原理（1）电子在正交电磁场中的运动,加热阴极所发出的电子群，在阳极与阴极之间的直流高压所形成的直流电场的作用下，会被加速而高速飞向阳极。但是，当电子具

22、有一定的速度后，由于受到与其运动方向相垂直的恒定磁场的作用，会在磁场力的作用下改变其运动方向，最终使电子沿所谓滚轮线而不是沿径线向阳极运动。如图所示，图中所画的是展开的部分阳极表面与阴极图形，图中只画出了三个电子运动的轨迹。,（2）振荡的产生与维持 所产生的振荡的频率，主要决定于等效电容和等效电感的数值，即决定于槽孔和槽口的几何形状与尺寸。所建立的交变电磁振荡会延伸到阳极与阴极表面之间的作用空间。图中表示某一瞬间的交变电场的分布情况。所产生的交变电磁场同样会对后续电子的运动产生影响，最终使管内作用空间的电子群聚成旋转的车轴状的运动电子云，不断地从阴极飞向阳极，使振荡得以加强和维持。,3交变电磁

23、能的输出 磁控管内所产生的高频电磁振荡的磁场，集中在槽孔空间内。在阳极某槽孔壁上开孔，装设耦合环，即可将管内所产生的高频电磁振荡能量耦合到与磁控管输出装置紧连的波导中去。4磁控管振荡器的电源电路与振荡的调制 从原理上讲，磁控管振荡器的外电路只是它的阴极负高压的供给电路和灯丝电路，十分简单。阴极负高压的高压电源电路，实际上是受调制器控制的。当调制管导通时，直流负高压通过调制器加至阴极，磁控管振荡的条件得到满足，即可产生高频电磁振荡，这就是雷达脉冲信号的作用期间。调制器关闭时，没有直流负高压作用到阴极，磁控管就停止振荡，这就是雷达发射脉冲之间的接收期。,（二）脉冲调制器1脉冲调制器的基本功用 脉冲

24、调制器的基本功用是控制脉冲的波形，以形成具有一定宽度和形状的周期性脉冲射频信号。2电子开关调制器 调制器主要是由调制管、储能元件（电容）、峰化电感、阻尼二极管等组成的，见右图。,当外加触发脉冲（正极性）加到调制管的控制栅极时，调制管导通，储能电容通过导通的调制开关迅速放电，在与磁控管并连的分布电容两端建立起脉冲高压作用在磁控管阴极与阳极之间的负高压。当外加触发脉冲消失后，调制管截止，分布电容通过峰化电 感迅速放电，加在磁控管两端的直流高压也随之消失，磁控管停止振荡。峰化电感除了作为充、放电的通路外，还可以起到缩短脉冲后沿的作用。阻尼二极管用于消除脉冲尾部振荡。,3由可控硅与仿真线组成的调制器调

25、制器利用可控硅（SCR）作为 电子开关；利用仿真线（脉冲 形成网路PFN）作储能元件并控 制脉冲的宽度与波形；利用脉冲 变压器实现阻抗匹配，升高脉冲 电压。扼流圈为充电元件。电路 简图见右图。,外加触发脉冲加到可控硅的控制极时，脉冲高压，使磁控管振荡器产生射频振荡仿真线放电完毕后，可控硅开关截止，磁控管停止振荡，从而成一定宽度的脉冲射频信号。,（三）主振放大式发射电路右图为一种典型的彩色气象雷达发射电路的原理方块图,振荡源利用晶体振荡器产生两路频率稳定的激励信号输至变频器，两路信号的频率分别为763.88MHz和13.88MHz。变频器输出两者的和频的信号，经缓冲放大后加至脉冲调制电路。所形成

26、的周期性脉冲信号的频率远低于发射频率；其信号功率同样也远低于发射机的功率要求。信号在功率放大器中进行组合放大；再在功率倍频器中两次倍频组合，最后形成频率9333MHz的功率符合要求的周期性脉冲射频信号。,三、收发转换电路（一）收发转换开关收发转换开关应能满足两方面的要求:机载气象雷达所使用的收发开关是由波导器件组成的环流器。环流器的内部装有一定形状的铁氧体。铁氧体的非互易特性和波导器件内电磁场的幅度与相位分布特性，共同形成了它所特有的收发转换功能，使环流器的四个端口之间的电磁能量的传输，只能沿12，23，34的方向传输，而不能逆向传输。,应能实现天线与发射机或接收机的电气连接。应能保证发射机输

27、出端与接收机输入端之间的距离。,如左图所示的原理图。,发射机产生的功率强大的射频脉冲信号接至1端，由2端输出，经波导系统输往天线。由1端进入环流器的发射信号是不会耦合到3端去的。接收机的高频输入端与3端相连接，由天线输入的微弱的回波信号，即由2端耦合到3端而进入接收机。4端装设有匹配负载。,（二）放电管,放电管装在接收机的高频输入端。它的功用是保护接收机的混频器晶体。,图6-18 气体放电管结构图,图6-18是气体放电管的结构原理图。放电管两端是封闭的。封闭端面上有能使电磁能量通过的窗口。管内上下壁间装有两对锥形电极，形成放电间隙。管内充满惰性气体，所以称为气体放电管。,放电管电离后，能量被反

28、射回来，沿端口3传输到端口4，被装在端口4的匹配负载吸收。,接收机混频器的晶体是十分灵敏的，因而极易被逸漏过来的发射能量所损坏。装设在混频器之前的放电管，可以在发射期间阻塞接收机，起到对接收机的保护作用。,四、接收电路的基本工作原理,（一）接收电路的基本组成与工作概况,机载气象雷达接收机通常都采用二次变频的超外差式接收电路。下图为一种常见的气象雷达接收电路的组成方块图。按照信号的工作频率，我们可以把接收电路分为高频、中频、视频三个基本组成部分以及其它附属电路。,1高频部分,组成:由信号混频器和本机振荡器等电路组成。作用:接收机高频部分的基本任务，就是通过变频降低回波信号的频率，以利于对信号进行

29、放大及进行其它处理。特点:第一中频信号频率为30MHz、60MHz、166.6MHz或其它与此相近的数值。,2中频部分,作用:放大回波信号和滤除噪声。特点:中频电路包括第一中频放大器、第二本机振荡器、第二混频器和第二中频放大器。气象雷达常用的第二中频频率有10.7MHz、13.8MHz等。,3视频检波电路,用于产生对应于中频回波信号包络的视频回波信号、放大视频信号并进行其它处理。数字式接收电路的数字信号处理过程比较复杂，它可以形成高质量的视频信息输往显示器。,4接收机中的其它电路,除对信号进行放大、处理的主电路及自频调电路外，接收机中通常还设置有自动增益控制电路（）、时间灵敏度控制电路（）、自

30、检信号产生电路以及监测电路等附属电路。,（二）信号混频器,图（）为射频回波信号，它是脉冲信号。其射频频率与发射信号频率 一致。,图（）为本机振荡信号，它连续等幅正弦振荡，其频率 比回波信号频率（即发射信号频率）低了一个中频。,回波信号与本机振荡信号在混频器中相混频所产生的差频信号就是频率降低了的中频回波信号，其频率为，振幅包络与所输入的射频脉冲信号一致。,1微波二极管,上述信号变频过程，是借助于微波二极管的非线性特性实现的。需要指出的是，为了保证电路的性能，必须使一对混频二极管的特性尽可能地一致，因此在需要时总是成对地更换混频二极管。,微波二极管的外形不同于一般的高频二极管，如图所示。当回波信

31、号和本机振荡信号共同作用在混频二极管两端时，就在电路中产生了这两个信号频率的各种组合频率。适当设计电路，选择合适的二极管，可以产生较强的差频信号。,2信号混频器的基本结构,雷达信号混频器通常采用平衡混频电路，但其结构与高频、甚高频接收机中的平衡混频器有很大的不同。雷达回波信号与本机振荡信号均为9300z左右的微波信号，所以混频器是用波导器件组成的，其电路结构简图见下图,回波信号自三分贝电桥的一端输入，均匀地分配到如图所示的上、下二路波导里；本机振荡信号则加到电桥的另一输入端，通过耦合孔作用到两个混频二极管上。两个混频管的特性是对称的，但极性相反。,（三）本机振荡器,1本机振荡器的结构和基本工作

32、原理,现代气象雷达通常利用各种微波固体器件来产生本振信号，下图为P-90雷达收发组所应用的本机振荡器的结构简图。,当供给耿氏二极管所需的直流电压时，即可在谐振腔内激励起所需频率的微波振荡，直流电压（在P-90中为9）通过射频滤波器加至耿氏二极管，以消除本机振荡器和供电源之间的射频耦合，保证振荡的稳定。,这种本机振荡器是由耿氏二极管、变容二极管和波导器件等组成的,2对本振频率的控制,对本机振荡器的控制电压是由自动频率微调电路产生的。,在变容二极管两端的控制电压改变时，它的等效电容随之变化，从而使本振频率按照自频调电路所产生控制电压而变化，达到控制本振频率的目的。,在利用自动频率微调系统来稳定中频

33、频率的雷达接收机中，本机振荡器所提供的本振信号的频率可以在它的中心频率 附近的一个范围内加以控制调节，如图所示。,（四）中频与视频电路,1中频放大器：中频放大器由第一中频放大器和第二中频放大器组成。通常，雷达接收机的中频放大器包括4至6级调谐放大器。,（1）中频放大器的增益与增益控制,中频放大器必须具有很高的增益，以提高雷达对远距离目标的探测能力。中频放大器还必须具有足够的动态范围，以使强信号和弱信号都能顺利通过中频放大器，最终在显示器上显示出来。,（2）中频放大器的通频带,采用多级调谐放大器，可以获得较为理想的通频带具有一定宽度的接近矩形的通频带，如图所示。这种中频放大特性可以保证回波信号能

34、量的顺利通过和放大，有效地滤除噪声，并抑制邻道的各种干扰信号。,（3）对数中频放大器,定义:中频放大器输出端的信号幅度与输入幅度的对数成正比的放大器特点:能在输入信号幅度变化范围很大的情况下，大大压缩放大器输出电压的变化范围;能够有效地放大弱信号,2第二混频器与第二本机振荡器,第一中频放大器输出的中频回波信号，在第二混频器中与第二本振信号相混频，所产生的差频信号输至第二中频放大器进行放大。,第二本机振荡器应能提供频率稳定的第二本振信号,3检波与视频放大电路,在采用黑白显示器的雷达显示器上，最强的雷雨中心区域呈现为环绕明亮回波的中心黑洞。,视频轮廓电路的方块图见下图,当轮廓电路输入端的视频信号幅

35、度尚未达到轮廓电平时，反向放大通道是截止的，因而视频信号由正向放大通道放大输出。只有超过轮廓电平的视频信号，才能进入此反向放大通道，产生与正常视频极性相反的反向视频，它在轮廓电路输出端与正向视频相加抵消，从而在显示器上显现为黑洞。,数字式雷达接收机的视频处理电路比较复杂。在对视频信号进行一系列复杂的处理后，使视频信号的质量大为提高，最后以数字视频信息的形式输送给显示器。,（五）自动增益控制与灵敏度时间控制电路,1自动增益控制（AGC）,右图为自动增益电路的原理方块图，自动增益电路取样控制门电路的工作由同步定时电路（或程序控制电路）所产生的AGC波门控制。这一波门与发射触发信号同步，它的作用是使

36、取样控制门只在每一个发射周期后期的部分时间内开启，例如8.2周期的最后2内开启。这样，就使得进入自动增益控制电路的只是雷达作用距离之外的视频噪声。自动增益控制电压产生电路的功用是根据所输入的取样噪声电平，产生一个增益控制直流电压，加到中频放大器调节中频放大器的增益。,2灵敏度时间控制电路（STC）,灵敏度时间控制电路又可以称为“时间增益控制电路”、“近程增益控制电路”或“近距增益电路”。它的作用是降低雷达接收机在接收近距离目标时的增益，使一定范围内不同距离处同样性质（反射能力及反射面积相同）的目标的输出近乎相等。,灵敏度时间控制电路产生一个幅度随时间变化的电压去控制中放的增益。电压的波形见右图

37、,控制电压通常是利用电容器的充放电过程来产生的。,五、本机振荡频率的自动微调,（一）频率控制关系,直接振荡式雷达收发组中的自动频率电路所控制的是接收机本机振荡器的振荡频率，而不是发射机的振荡频率。,当雷达发射频率 发生频率漂移时，自频率微调电路自动调节接收机本机振荡器的振荡频率，使两者的差频稳定在接收机的额定中频 附近，其控制关系见右图,（二）自动频率微调电路的工作过程,1跟踪状态,定义:在雷达正常工作时，发射信号的频率可能产生缓慢的漂移。此时，自频调电路自动微调本机振荡频率，以跟踪发射频率。这种工作状态，称为跟踪状态,设发射信号的频率 向增大的方向漂移，此时自频调混频器输出的差频信号（）也随

38、之增高，并高于额定中频。于是，鉴频器所产生的负极性的误差电压幅度增大，使控制电压产生电路所输出的正极性的直流控制电压()增大。这样，本机振荡频率 随之增高，从而保持差频（）稳定不变。,上述过程可表示如下：（稳定）,2搜索状态,产生条件:当发射信号频率发生突变，超出正常的自频调跟踪范围，或发射机尚未产生正常发射信号输出时，自频调电路处于搜索工作状态 形成方式:周期性搜索电压是利用电容器的充放电形成的 注意事项:以上过程是在(即)的情况下自频调系统的跟踪和搜索过程。,一、天线的组成与工作概况,（一）天线高频部分的工作概况,组成:辐射器天线波导部分和波导旋转关节天线组内的传输波导 特点:具有很强的方

39、向性,把信号能量集中在天线轴线方向的很窄的范围内,（二）天线的运动概况,方位扫掠,天线扫掠的范围一般为 80或 90,天线的方位扫掠速率一般为每分钟14次至18次。,第三节 雷达天线基础,天线的稳定,天线的人工俯仰 人工俯仰的范围一般为15,当飞机的俯仰或倾斜角度没有超过一定极限时，稳定机构都能使天线波束轴扫掠平面与水平面平行。例如，当飞机上仰时，稳定修正机构使天线进行相对于飞机机身平面的下俯修正运动；当飞机倾斜时，稳定修正机构同样能够把波束轴修正到水平面内，如图中虚线所示。修正运动是自动进行的,二、天线高频系统,（一）天线的方向性特性与增益 1方向性特性 天线汇聚电磁能的能力，可用波瓣的宽度

40、来衡量。通常，用水平面内的方向图和垂直面内的方向图的波瓣张角来表示。气象雷达天线的波瓣张角（即波瓣宽度）是指方向图中主波键的两个半功率点之间的夹角，见右图 天线口径尺寸越大，波瓣张角越小，或者说天线的方向性越好。波瓣宽度为35。有的使用抛物面天线的雷达，可在工作于地图方式时形成能量比较分散的余割平方波束，即宽波束。,2天线增益系数,雷达天线汇聚电磁能量的能力，也可用天线增益系数来衡量 雷达天线具有良好的方向性，它的天线增益系数总大于1 雷达天线的增益，常用增益分贝数表示 雷达天线的增益，可达3335dB,（二）平板型天线,现代机载气象雷达常用平板型天线，如上图。在面向天线前方的波导壁上，开有很

41、多窄长的缝隙。波导内的电磁波就是从这些缝隙中辐射出来的，每一条缝隙相当于一个等效的天线。因此，可以把这种微波天线称为缝隙波导天线。这种天线对缝隙的长度、宽度及位置要求极其严格。维护中应注意避免天线的变形。,（三）抛物面天线,特点:这种天线可以形成窄波束和宽波束两种不同的波束组成:由辐射器、抛物面反射器、扩散档等组成。结构如右图所示,1抛物反射面的特性抛物反射面是对称于轴线的旋转抛物面 作用是把电磁波，汇聚成轴向的波束 电磁能量只沿天线轴向传播而不会偏离轴线方向 波束是具有一定的宽度,2辐射器与波束转换器,组成:由一段圆形的波导和前面的锥形波导、反射片构成 作用:改变电磁波的极化方向,3扩散档,

42、组成:由平行的极细金属栅条组成，有的则由镀银钢丝编成 作用:形成电磁能量分布范围较宽的余割平方波束,三、天线方位系统,（一）组成,天线方位系统是由各种电机、传感器及其它机电部件组成的，其组成方块图见右图。图中的虚线表示机械传动关系，双线为波导。,方位系统的基本功用可以分为以下三个方面：,驱动辐射器进行往复扫掠。把天线波束轴的扫掠信息传送给显示器；实现对稳定信号的修正。,（二）方位扫掠与换向 1方位电机及其驱动信号,气象雷达天线通常用步进电机或两相异步电机来驱动天线进行方位扫掠 应用平板型天线的方位系统通常用步进电机来驱动天线进行方位扫掠。电机的驱动信号为两相脉动信号,2方位扫掠的换向,改变电机

43、一相绕组中的电流方向，即可改变电机的转向 对两相异步电机的换向通过机械换向机构和继电器来实现 利用步进电机的方位扫掠换向通过换向电路控制激励信号的相位关系来实现,3方位人工转动,方位人工转动系统通过同步器来控制 旋转方位人工转动旋钮时，带动与旋钮机械交连的同步器转子一起转动。,（三）天线扫掠传感装置,作用:用于感受天线的方位扫掠信息并将信息传送给显示器,天线扫掠传感装置见下图，当方位电机驱动天线进行方位扫掠时，也同时通过传动机构带动传感器的转子一起转动，从而在传感器件的绕组中产生相应的电信号，输送给显示器,在数字式气象雷达中,通过对电机驱动信号的控制来实现天线扫掠传感,（四）对陀螺信号的方位修

44、正,俯仰系统所需要的俯仰修正信号与天线的方位角有关有的雷达只需对陀螺俯仰信号进行修正，所用的修正器件可称为俯仰余弦修正器,四、天线姿态稳定系统与人工俯仰（一）姿态稳定系统,姿态稳定系统的主要部件为倾斜和俯仰前置放大器、方位解算器、功率放大器、俯仰驱动电机及减速机构、俯仰同步器及俯仰测速电机。稳定系统的组成方块图见右图,垂直陀螺及稳定信号,垂直陀螺的转子高速转动时具有定轴特性 幅度与飞机的俯仰角或倾斜角成比例，相位与俯仰或倾斜方向有关。,俯仰与倾斜前置放大器:俯仰和倾斜信号加至收发组中的俯仰前置放大器和倾斜前置放大器分别进行电压放大,俯仰放大器及稳定解除控制,对俯仰信号进行功率放大 稳定解除控制

45、电路的工作状态受显示器或控制盒上的稳定键或稳定解除开关的控制,俯仰电机驱动结构,俯仰同步器用于产生与输入的陀螺稳定信号相抵消的信号 俯仰测速电机用于产生与俯仰电机转速有关的负回授信号,天线稳定过程:当俯仰电机驱动天线辐射器俯仰到一定角度时，被俯仰电机同时驱动的俯仰同步器产生的信号恰与方位解算器输出的稳定信号相抵消，俯仰放大器的输入电压趋向于零，于是俯仰电机停止转动。上述修正过程是一个动态的平衡过程。,（二）人工俯仰控制 人工俯仰的范围是15 工作过程与上述飞机俯仰时的自动修正过程相似,一、显示信息与控制功能,（一）平面位置显示器,定义:像机载气象雷达这样的能够显示目标的平面几何位置和强弱信息的

46、显示器，称为平面位置显示器，简称为PPI显示器。,1目标的存在及强弱情况,气象雷达显示器以辉亮的回波图像来表示目标的存在 对黑白显示器而言，气象目标的强弱程度反映为荧光屏上对应回波区象的明暗程度相同距离处的雨区降雨率越大，荧光屏上与其相对应的回波图像的亮度越亮；反之则越暗。这种显示目标的存在及其强弱的方式称为辉度显示。,第四节 显示器的基本工作原理,在彩色显示器中，气象目标的强弱则由不同的色彩来区分，如下表所示：,2目标的平面位置几何信息距离与方位,一般情况下，气象雷达所显示的是飞机所处的飞行高度平面中目标平面位置图像。只有在人为地俯仰天线一定角度时，显示器上才显示相应俯仰平面中的气象目标分布

47、情况。,（二）控制功能,雷达的工作方式与电源通断控制通过利用相应的方式按键或旋钮来实现 下图为一种典型的彩色气象雷达控制显示器的面板图。,1.电源断开键 2.准备键 3.气象键4.循环键 5.地图键 6.亮度旋钮7.俯仰旋钮 8.方位刻度 9.冻结（保持）旋钮10.目标警告按钮 11.扇形扫掠按钮 12.方位按钮13.荧光屏 14.距离选择按钮 15.增益控制按钮16.稳定控制按钮,方式选择与电源控制,距离选择：用于选择显示器所显示的距离范围；改变所选择的距离，并不改变雷达的探测范围。选择较小的显示距离，可以获得较大的图像比例，以利于较细致地观察近距离目标；选用较大的距离，可以获知较大范围的气

48、象状况，及早选择安全有利的避绕航线。,显示画面控制,冻结或保持：把某一瞬间的画面保持在显示器上不变，这种方式称为冻结（FRZ）或保持（HOLD）左右选择与扇形区域选择：显示飞机左前方或右前方的目标分布图像，或者改变显示器显示的扇区范围,天线人工俯仰控制,利用天线俯仰旋钮可以使天线的扫掠平面上仰或下俯，控制的范围为土15,增益控制：,天线稳定控制,亮度调节：亮度调节（INT）用于调节整个显示画面的亮度,将增益旋钮顺时针转动，可以提高接收机的增益增益旋钮同时还控制自动增益控制与人工增益调节之间的转换。,天线稳定(STAB)控制用于控制天线是否受垂直陀螺稳定信号的稳定,二、显示器的基本组成电路,气象

49、雷达显示器由显像管、偏转电路、视频处理电路、高压电源与低压电源电路等基本部分组成。此外，距标电路也通常设置在显示器中；有的雷达把控制雷达整机工作的定时同步电路也装在显示组内；现代气象雷达显示器还包括字符产生器及其它接口电路。下图为雷达显示器的原理方块图，图中只表示了实现显示功能的功能电路，各种控制调节元件没有画出,显像管,显像管是雷达显示器的核心部分。它是一种特殊的电真空器件，其管端的荧光屏朝向显示器的前方。管内电子束轰击荧光屏内侧表面上敷涂的荧光质，使被轰击区域的荧光质发出明亮的可见光，产生相应的辉亮图像或彩色图像。,高压电源电路,高压电源电路用于产生显像管各电极所需的直流高压 产生供给显像

50、管其它各控制极的直流电压，以实现电子束的聚焦,偏转电路,偏转电路用于产生控制显像管内电子束偏转的扫描信号周期性的锯齿形扫描电压,视频放大及处理电路,功用是对由接收机输至显示器的回波视频信号进行放大及一系列的处理。经放大、处理后的视频脉冲信号加至显像管的阴极，控制电子束的产生与密度,标志产生电路,距离标志圈由距标脉冲产生。距标产生电路用于产生所需的距标脉冲和方位标志脉冲。,低压电源电路,低压电源电路产生显示器各部分电路所需要的各种直流电压,其它功能电路,不同型别的显示器中还可能包含有一些实现其它功能的电路。如定时电路、字符产生电路、故障监测电路等,三、显像管的基本工作原理（一）显像管的基本结构,