CINRADCA雷达简介完整版

CINRAD/CA雷达简介

技术性能CINRAD/CA型C波段全相参脉冲多普勒天气雷达（以下称CA雷达）是一套探测、处理、生成并显示雷达天气数据的应用系统；它应用多普勒雷达技术来获取距离、方位和反射率以及目标速度数据；通过软件来控制雷达工作，产生最佳探测范围图并使雷达回波最佳化，利用气象算法对获得的基本天气数据进行处理后生成天气产品，并通过图形算法对这些产品做进一步处理后生成气象数据，对常规和危险天气现象进行监测和预报。CA雷达具有技术先进；整体设计成熟、合理；并具有良好的可升级和可扩展性。雷达所用软件均为北京敏视达雷达有限公司（以下称敏视达公司）自行开发软件，具有全部自主知识产权，设备软件具有很高的成熟度。敏视达公司的CA雷达具有有如下技术特点：1.技术先进性系统具有自动、安全、连续、稳定可靠、无人值守的运行能力，每个分系统、模块均严格按照技术规范生产、调试和检验，各系统间与频率无关的所有模块均可互换。选用抗超强台风的高可靠性天线罩，已经国内外S波段和C波段上百台天气雷达系统的多年验证。天线驱动使用免维护且长寿命的交流电机（传统天气雷达天线通常使用需一年两次维护且可靠性低的碳刷式直流电机）。采集数据时天线转速控制系统使用自动跟踪及调整技术，有效保证了探测数据的空间定位精度。采用目前国际上公认最新型的中频A/D芯片和数字下变频技术，开发研制具有大动态、高灵敏度、高IQ正交性的数字中频接收机。选用长寿命、低噪声、高隔离度且响应快速的接收机保护器，有效地避免了保护器对发射脉冲的影响，保证了系统的实际相干性能。采用高精度、大动态范围的射频数控衰减器，保证了在线标定支路的可靠性和准确性。具有实时在线自动标定、安全自保和多个故障监测点功能，有效的保证了探测数据的客观性、准确性和设备的安全性。2.整体设计成熟性、合理性器件的选用等级为工业级以上，所有接插件、信号电缆、射频电缆、电源电缆均选用国际名牌厂家（如RS，Amp公司）或国内著名军工企业的产品。所有分系统、机柜，特别是门均采取了严格的电磁屏蔽措施。配置有雷达专用，具有防浪涌、滤波，过流、过压自动保护功能，各分系统独立供电的配电柜。CA雷达在天线与主设备之间的通信链路采取完善的防雷设施，显著提高了雷达主设备的防雷电能力。采用集成度高、控制精度高和稳定性好的14位光电码盘采集天线方位及俯仰角码，有效的提高了方位和仰角数据的精度和系统的稳定性和可靠性。该技术自2004年已在国内、韩国、印度等项目的30个雷达系统上使用。采用低噪声、响应速度快，精度和可靠性高的中频数控衰减器，确保了探测数据的正确性和稳定性。在发射机的输出端口配置了电弧检测装置，有效地保护了发射机。天线驱动使用免维护且长寿命的交流电机，该技术自2004年已在国内“新一代天气雷达网”、韩国、印度等项目的30个雷达系统上使用。采集数据时天线转速控制系统使用自动跟踪及调整技术，有效保证了探测数据的空间定位精度。该技术已在国内、罗马尼亚、韩国、印度等项目的上百台雷达系统上使用。高功率馈线使用两个环型器，并配置谐波滤波器，一方面有效减小在发射时高功率信号对接收支路的影响，另一方面对发射机起到有效的保护作用，同时有效降低了发射电磁波对其它设备的干扰。具有实时在线自动标定、安全自保和多个故障监测点功能，采集体扫数据前自动对发射功率、接收通道增益、系统噪声、速度等关键指标进行标定标校，利用太阳对系统的定北及水平进行离线标定，并将标定结果应用于系统的数据集中。有效的保证了探测数据的客观性/准确性和设备的安全性。该技术自1998年已在国内、罗马尼亚、韩国、印度等项目的上百台雷达系统上使用。3.升级扩展性系统采用通用化、模块化设计理念，预留未来技术升级所需的空间、机械及安装接口，仅需增加相关部件及升级系统软件即可在用户阵地完成各项升级工作。该技术已用于国内、韩国、印度、罗马尼亚的各型天气雷达系统上。4.软件开发实力和软件成熟度敏视达公司自1995年成立之日起，即开始了大系统软件的开发工作，把美国集中数百名软件工程师，花十多年时间研制开发的应用于OS/32操作系统下的WSR-88D雷达软件系统，用三年的时间移植到PC机平台，极大提升了我国天气雷达后端软件的水平。公司软件研发队伍有三个工作室近20余人从事软件开发工作，目前已研发完成并获得国家知识产权局软件著作权登记的系统软件共14项，涵盖了天气雷达S、C、X三个波段，单双线偏振系统，TWP3/8/16三种型号的风廓线雷达的信号处理、控制和产品生成系统软件。北京敏视达雷达有限公司为2008年北京奥运会和残奥会研制开发的多雷达系统组网同步观测系统软件，受到中国气象局领导、专家及国外同行的高度评价，为我国成功举办2008年北京奥运会和残奥会贡献了力量。目前，我公司信号处理及数据处理的软件技术人员，正在结合国外天气雷达的新的信号处理和数据处理技术，对我公司天气雷达软件处理进行进一步的升级研究，相信不久将会运用到我公司生产的所有天气雷达产品中。具体说明如下：北京敏视达雷达有限公司研发的天气雷达软件系统已经取得国家专利，实践证明，该软件系统运行稳定、算法成熟、界面友好、控制参数及数据处理参数丰富，调整方便可靠，是一套完善、成熟的软件系统。75个气象应用产品的算法已通过国内外气象雷达和预报专家的评估，已在100多个天气雷达上多年使用。雷达控制软件、通讯软件、产品生成软件、产品应用软件稳定可靠，界面友好，使用方便。已在100多个天气雷达上多年使用。具备全网监视及控制功能，具有同时配置多个应用平台的性能。可在雷达站，气象预报分中心，区域中心监控室等应用/监控场所同时设置相互独立的应用和监控平台。已在100多个天气雷达上多年使用。具有与多个天气雷达实时共享观测数据及产品的网络功能，已在北京奥运会、建国60周年庆典活动、第11届全运会、上海世博会、广州亚运会和深圳大运会上成功使用，各应用部门的短时预报人员可同步收到（延时小于3秒）多个雷达系统的天气雷达应用产品，各部门的天气雷达系统互为备份，有效提高了各部门的气象雷达应用时效性和业务的安全性。

技术综述CA雷达雷达产品安全性、稳定性、易用性、易维护性完全满足用户要求，并在国内处于领先地位，优于大部分同类产品。1.质量保证通过多年的天气雷达的研制生产，公司在产品质量控制、不断提高产品品质和可靠性上，形成了一整套的管理制度，从而为产品的安全性、稳定性、易用性及易维护性提供保证。1.1严格的质量管理在产品的研制生产中，严格按照ISO9001质量体系要求执行。质保部门专人全程参与产品的研制和生产的每一个环节，杜绝可能产生质量问题的事件发生。1.2严格的设计保证分机或模块必须严格执行模块化、冗余性设计原则；初设必须经过公司内审方能进入试制阶段；器件选择要求采用通用型器件设计制作，避免冷、偏、生器件应用；器件等级必须采用工业级或以上级别产品；所有器件的功率、温度等级等参数等级必须达到一倍以上的冗余设计；试制样机必须经过严格测试和考机试验，并通过公司组织的工艺评审才能转入产品生产阶段；所有样机样品等坚决杜绝进入生产环节。1.3严格的材料控制对所用材料的采购渠道严格控制，坚决杜绝假冒伪劣器件进入样机和生产环节；关键部位的电缆、接插件等必须选用国际知名品牌产品；信号电缆必须采用国内一流企业生产3层屏蔽电缆产品；器件必须经过测试和筛选方可使用。1.4严格的生产工艺要求每一道工序必须有严格的工艺卡作规范；每一种模块或结构设计必须有试验依据（如防锈等工艺必须经过淋雨试验）；严格按照安装架设工艺要求进行现场安装架设。1.5严格的组件测试保证公司配备了专用高档仪表用于天气雷达的研制和生产。根据中国气象局发布的《新一代天气雷达系统功能规格需求书》相关要求，公司配备GDW-250高低温试验箱和DZD450LFS振动试验机对研发生产部件进行相应的环境适应性测试，保证部件使用环境适应性和可靠性要求。每一个模块、器件、电缆必须经过严格的规范化的测试，保证每个模块、器件、电缆等满足设计要求。分机必须经过严格测试、考机测试和质保检验才能进入系统总装。1.6严格的整机出厂测试必须在公司实验场通过整机连续运行实验并通过公司试运行评估方可进入出厂测试阶段。严格按照中国气象局颁布的《新一代天气雷达现场验收测试大纲》及合同的要求进行出厂测试。通过以上所有规范、措施、制度的严格执行，确保公司出厂设备的各项性能能够满足用户要求，保证产品的安全性、稳定性、易用性及易维护性。2.安全性本产品设计时在安全性设计上注重以下两个方面的内容：2.1人员操控安全性依据国家相关规定和技术标准，对设备高压、高功率部分进行了相应防护设计，并设置明显标识；高压配电部分的防护罩设计；大功率部分的屏蔽罩设计等。对系统可能出现辐射泄漏部分进行屏蔽设计，采用半钢及波纹管电缆设计，减少辐射泄漏，对人员和设备实施保护；高功率单元采用分机、封闭设计，防止辐射泄漏及人员接触；机柜门采用屏蔽条设计，防止辐射泄漏。实际测试结果表明，电磁辐射泄漏符合人员工作环境要求。2.2设备安全性设计完善的防雷电、浪涌保护设计；合理的科学的接地系统设计；丰富的系统运行状态及环境参数监控，保证了系统的安全工作；可靠的结构设计和包装运输设计，保证系统工作及运输安全性；对系统防锈、防潮、抗腐蚀方面进行了系统实验和处理，形成了一整套加工工艺和安装架设要求；选用高性能、可抗超强台风的高可靠性的天线罩。已经国内外上百台系统多年的验证。3.稳定性器件的选用等级为工业级以上，所有接插件、信号电缆、射频电缆、电源电缆均选用国际名牌厂家（如RS，Amp公司）或国内著名军工企业的产品。所有分系统、机柜，特别是门均采取了严格的电磁屏蔽措施。配置有雷达专用，具有防浪涌、滤波，过流、过压自动保护功能，各分系统独立供电的配电柜。针对美国WSR-88D雷达使用中出现的防雷问题，CA雷达天线与主设备之间的通信链路上采取了完善的防雷设施，显著提高了雷达主设备的防雷电能力。选用高性能、可抗超强台风的高可靠性的天线罩。已经国内外上百台系统多年的验证。采用集成度高、控制精度高和稳定性好的14位光电码盘采集天线方位及俯仰角码，有效的提高了方位和仰角数据的精度和系统的稳定性和可靠性。该技术自2004年已在国内、韩国、印度等项目的30个雷达系统上使用。采用低噪声、响应速度快，精度和可靠性高的射频数控衰减器，确保了探测数据的正确性和稳定性。在发射机的输出端口配置了电弧检测装置，有效地保护发射机。天线驱动使用免维护且长寿命的交流电机。该技术自2004年已在国内“新一代天气雷达网”、韩国、印度等项目的30个雷达系统上使用。采集数据时天线转速控制系统使用自动跟踪及调整技术，有效保证了探测数据的空间定位精度。该技术自1998年已在国内、罗马尼亚、韩国、印度等项目的上百台雷达系统上使用。速调管选用工作时间大于10000小时，峰值功率大于250KW的名牌速调管；由于选用的速调管输出功率大、性能高、稳定性好、寿命长、工作频率范围大，不仅提高了雷达的探测能力、数据质量、雷达适用性、稳定性及可靠性，也为维护维修及备件的购置和存储带来极大的益处。选用长寿命、低噪声、高隔离度且响应快速的接收机保护器，有效地避免了保护器对发射脉冲的影响，保证了系统的实际相干性能。采用高精度、大范围的射频数控衰减器，保证了在线标定支路的可靠性和准确性。4.易用性系统严格按照自动、连续、无人值守的理念设计，配合强大的软件远程监控功能和多级权限控制，只要接入互联网，即可自动监控雷达运行。系统具有完备的自我监测、环境监测及保护功能，报警分类明确，便于用户随时掌握系统的工作状态。软件控制参数丰富，可以在本机或远程修改，方便用户的二次开发和试验。后端软件界面友好，产品丰富，具有完善的软件使用帮助功能。系统维护手册、技术手册完善。对系统每个模块的检测方法均有详细描述，同时提供了系统及分机的详细原理图纸、系统连接图、接线图表等，便于用户对系统的学习。5.易维护性系统结构设计充分考虑了易维护性，各模块安装进行了合理化设计，易于测试和更换。系统自检功能强大，实时对系统的运行进行检测并自动给出报警信息。系统检测点丰富，易于在线采用仪器仪表对系统进行测试。报警指示灯丰富，本系统在各级电源、同步时钟、波控单元等均设有LED指示灯，工作状态一目了然。发射分机采用液晶显示屏，对发射机工作状态、温度、功率、故障类型和位置等均有明显的显示。随机提供整套维修维护必需的转接器、衰减器、测试电缆及常用仪表、工具，便于用户维护使用。提供完善设备维修维护手册，附详细电原理图、电缆连接图和接线表，并对每个模块的检测方法有详细描述。公司常年在实验场备有样机一套，用于系统备件调试模块返修及技术升级试验，并常年备有充足系统各级备件，可为用户提供全面的售后技术支持。6.维护成本本系统设计理念为自动、连续、无人值守，设备早期故障均已排除，出厂设备故障率降到最低，并且由公司提供3年的质保期和产品生命周期内的定期巡检，对系统备件保证长期以优惠价格供应的服务承诺。因此，极大地降低了用户的维护成本。第三章硬件技术性能指标一、天线罩天线罩的作用是在雷达天线的周围形成一个封闭的空间，将转动工作的雷达天线置于其中，以保护雷达天线系统免受大气环境的直接作用。由于天线罩的遮挡，天线系统可不受风、沙、雨、雪、冰雹的侵袭，这将极大的改善天线的工作环境，提高天线面工作精度，降低天线驱动装置的设计功率和减少天线转动实际消耗的能源，并且避免了因气候与环境原因造成的雷达关机。同时天线罩还可以缓解因气温骤变、太阳辐射、潮湿、盐雾等对天线系统的影响，因此也大大简化和减轻了天线系统的日常维护修理工作，延长了雷达的使用寿命。故可将其主要作用如下：确保雷达天线可全天候、不间断工作；提高雷达天线精度；降低雷达天线结构成本，提高效率；隔离外界恶劣环境，减少雷达维护；提高雷达天线使用寿命。CA雷达标准配置为SZH-C-7.2型天线罩，CSZH-C-7.2型雷达天线罩为白色，采用刚性结构，是一个直径为7.2米的9/10D截球壳，整罩采用玻璃钢泡沫夹层结构，由规格随机分割的单元件组成。CINRAD/CA雷达天线罩电性能优良，抗风力强，外形美观，安装方便，防漏雨和盐雾侵蚀性好，可在各种环境条件下使用，满足以下性能指标。项目技术指标直径7.2m工作频率5.3～5.7GHZ射频损失（双程）≤0.3dB引入波束偏差≤0.03°引入波束展宽≤0.03°抗风能力（阵风）60m/s能工作80m/s天线不受损坏二、天馈伺系统概述天馈伺系统充分适应天气预报、应急抢险和科学研究的需要，设备性能高。采用4.5m直径中心馈电式旋转抛物面天线，水平极化方式，天线座架采用固定安装方式，伺服驱动采用交流伺服电机从而提高了设备可靠性和稳定性。该天馈伺系统具有如下技术特点：天线结构：采用固定安装方式的4.5米直径中心馈电式旋转抛物面天线。天线主体带馈源部分组合成一体。采用在高精度实面天线加工技术。有效保证天线反射面的精度和技术指标要求。伺服系统CAN通讯：电路模块间采用CAN通讯技术，可以使电路模块间的物理连接点大大减少，进一步提高了伺服系统的可靠性。设计原则和设计依据2.1设计原则CA雷达4.5m天馈伺设备的设计原则是“先进、适用、可靠、经济”。2.2设计依据《C波段天气雷达8.5m天馈伺设备技术要求》；国家、行业相关标准。主要功能与性能指标要求3.1天馈系统主要性能指标天线和馈线系统主要功能和技术指标见表3.2.2-1。表3.2.2-1CA雷达天线和馈线系统功能和技术指标序号项目名称技术性能指标天线形式采用旋转抛物面，中心馈电的4.5米直径实面天线。天线口径4500±10mm天线增益≥44dB波束宽度E面≤1°（3dB点）H面≤1°（3dB点）第一旁瓣电平第一副瓣电平≤-29dB，远端旁瓣电平≤-40dB（±10o以外）偏振形式线性水平极化天线水平度≤60″馈线损耗≤3dB3.2天线运转时机械性能天线运作时主要机械功能和技术指标见表3.2.2-2。表3.2.2-2天线运作时机械功能和技术指标序号项目名称技术性能指标天线扫描方式PPI、RHI、体扫、扇扫、任意指向扫描范围水平360°连续转动，垂直－2°～+90°连续转动；具备在指定方位和俯仰范围内的扇区扫描功能，包括PPI式扇区扫描和体扫式扇区扫描。扫描速度方位转速可调范围为0－36°/s；俯仰转速可调范围为0－12°/s，为用户菜单可选；扫描加速度方位、俯仰转动加速度：≥15o/s。天线控制方式预置全自动、人工干预自动、本地手动控制天线定位精度方位、仰角均应≤0.1°天线控制精度方位、仰角均应≤0.1°角码显示精度±0.022°天线控制字长14位角码数据字长14位。采用德国MAYLE公司14位分辨率光电码盘，角度显示精度≤0.022°，采用格雷码编码，避免从编码全1到编码全0的跳变，可避免大电流扰动。BITE具有机内故障自动检测电路安全保护具有天线座锁定、安全/运行保护开关等安全保护装置3.3天馈系统技术特点天线汇流环等采用成熟的新工艺，在连续工作条件下，正常维护保养每年不能超过一次。天线驱动装置应用数字伺服技术、无刷交流电机技术和14位光编码器技术，达到5年免维护标准。天线设计有完善的连锁安全装置，包括：天线罩入口设有一个自动连锁保护开关，以及天线支柱上设有一手动保护开关。上述连锁保护装置能保证在不引起发射机过载和损害系统情况下立刻关闭天线和发射机。波导管损耗低。波导管内使用抽湿/加压装置注入干燥空气来加压，维护工作状态。3.4环境条件 温度天线罩外：-55℃～+70℃；天线罩内：0℃～+50℃；最大湿度：室外装置95%～100%（30℃时）；其他：具备防水、防霉、防盐雾、防风沙能力，能够在海拔3000m以下的高山以及沿海地区和岛屿工作。系统综述4.1系统组成和工作原理4.5m天馈伺系统由天线反射器、馈源与馈线、天线座架和伺服控制等组成，4.5m天馈伺系统的组成框图见图3.2.2-1。图3.2.2-1天馈伺系统组成框图4.2天线反射器天线反射器选择前馈抛物面形式，其对称平面抛物线方程为，D=4500mm，径比F/D＝0.40，，如图3.2.2-2所示。图3.2.2-2抛物面天线几何示意图天线反射器由反射面、支撑杆和中心体、馈源支撑等组成。为了保证天线反射面的精度和技术指标要求，反射面由实面扇形反射体组成，表面精度可达0.5mm(r.m.s)。采用在反射面表面高精度加工技术。馈源支撑杆有三根，采用铝波导材料，用BJ-58波导型材加工而成，其中的一根支撑杆件为馈线波导的一部分。馈源安装采用专用定位工装完成，工装两端分别与反射面中心及馈源连接，可保证馈源相对反射面位置精度。天线的结构示意图见图3.2.2-3~4。图3.2.2-3天线结构示意图图3.2.2-4天线馈源支架结构示意图4.3馈源4.3.1馈源的组成馈源由喇叭、圆矩过渡等组成。4.3.2喇叭的结构选用90°平面波纹喇叭，图3.2.2-5是该喇叭的几何示意图，具有以下优点：喇叭对天线面边缘的照射电平≤-15dB；喇叭的电压驻波比小；E面和H面方向图等化好。图3.2.2-5喇叭几何示意图圆矩过渡设计圆矩过渡采用节圆阶梯过渡的匹配方式，这种结构方式不但加工容易，电压驻波比也可以做得很小。馈线结构馈线由方位、俯仰旋转关节以及连接波导等组成，为减轻重量馈线波导全部采用BJ-58铝波导，各器件和波导均进行了电气指标和气密设计，所有波导器件之间的法兰连接均采用FAE58扼流法兰盘和FAP平法兰盘连接，同时各器件和波导内壁均采用铝镀银和DJB-823表面处理工艺，满足了馈线系统防水、防霉、防盐雾、防风沙、插损小、驻波小、传输高功率等各技术指标要求。请详见图3.2.2-7~9。图3.2.2-7天馈系统示意图4.4天线座架4.4.1座架结构为满足天线的运动速度，天线座架必须结构简单、刚度大、运动精度高。天线座选用方位/俯仰式结构，图3.2.2-10~13是天线座结构示意图。4.4.2结构组成天线座由方位部分、俯仰部分组成。方位部分包括方位壳体、方位传动装置、方位同步装置、滑环、方位旋转关节、方位锁定装置等部分。俯仰部分包括俯仰箱体、俯仰传动装置、俯仰同步装置、俯仰旋转关节、俯仰锁定装置、俯仰电限位装置、俯仰机械限位装置、天线支臂、配重等部分。图3.2.10天线座方位装置示意图图3.2.2-11天线座装置示意图图3.2.2-12天线座俯仰箱示意图图3.2.2-13天线座方位底座示意图4.4.3结构设计为保证天线座的强度与刚度，方位壳体与俯仰箱体等部件采用钢板焊接结构；方位与俯仰驱动装置采用相同的结构形式，减速器采用行星减速器；俯仰同步装置采用单级双片消隙齿轮装置。方位同步装置采用两级消隙同步减速器；为适应固定式雷达结构的要求，减速器与大齿轮采用低温润滑脂润滑；汇流环采用机械汇流环结构，但内部的接触阻件不是铜环加石墨碳刷，而是采用铜金属接触，这样将可以做到免维护。另外，汇流环也将设计成可以更换的部件。方位采用刚度较大的转盘结构，方位壳体上设有精确的旋转关节定位位置；天线座内安装方位旋转关节、环行器、保护器等微波器件；俯仰锁定装置与方位锁定装置结构基本相同，都带有电器开关；俯仰机械限位采用带橡胶缓冲块的限位装置，以避免冲击造成的损坏；两支臂为钢板焊接结构，前端接天线，后部安装配重块。4.5伺服控制系统4.5.1主要功能能够控制完成天线方位轴和俯仰轴的精确定位或匀速转动。4.5.2系统组成伺服系统主要有控制单元﹑调节单元﹑驱动元件﹑放大装置和测量装置等部分组成，其伺服系统组成框图见图3.2.2-14。图3.2.2-14系统原理框图4.5.3工作原理控制单元收到上一级计算机发来的控制命令后，进行计算和D/A转换，然后送至调节单元，与电机的速度反馈量进行比较，其差值经过校正后送放大装置，信号经过放大后送给交流电机，驱动电机带动天线按照命令的要求转动。4.6数字伺服系统4.6.1电路形式数字伺服系统分为方位支路和俯仰支路，设计时，将方位支路和俯仰支路设计成相同的电路结构形式，依据技术性能指标要求，每个支路均将采用位置环和速度环路的电路结构形式。从图3.2.2-14可分离出单支路的电路结构框图，如图3.2.2-15。图3.2.2-15单支路伺服电路结构框图4.6.2位置环位置误差指标：方位、仰角均应≤±0.2°。位置环采用一阶系统，利用经验公式得位置误差系数Kp：当选取位置误差系数Kp＞4时，可保证位置误差≤±0.2°。4.6.3伺服机箱调节控制单元和功率放大器的部件均放置在伺服机箱内。控制单元控制单元包括单片计算机及外围电路，单片计算机选用型号为CygnalC8051F040的单片计算机，其性能优越。控制单元主要功能有：完成与上一级计算机之间的数据通讯，控制字长采用14位，角码数据字长为14位；计算机与天线座之间的数据通讯；伺服系统状态监控；显示控制；控制算法的计算；向伺服环路发布控制命令。调节单元对命令信号与电机反馈信号之间的误差信号进行比较和校正，然后将输出信号送放大装置。放大装置采用交流功率放大器作为放大装置。它拥有其它放大器无法比拟的优点：体积小、重量轻、寿命长、便于维护。效率高。增益高、电流上升时间短。需用的功率可控器件少，线路简单，可靠性好。这里选择与的驱动电机相匹配的交流功率放大器，主要技术参数为。输入电压：三相380VAC。最大电流：30A；4.6.4驱动元件选择交流伺服电机，电机的功率约2kW，主要技术参数为：额定转速：2000rpm；额定转矩：12N•m；瞬时最大转矩：24N•m；额定电流：15.6amp；瞬时最大电流：18.8amp。选用交流伺服电机其优点有：伺服电机内部没有碳刷；伺服电机内部没有机械换向器。与直流电机相比，交流电机进一步提高了电机的可靠性，维护和保养更加简便，有效降低了用户的维护费用。电机和功放使用兰州电机公司的产品，并已在CINRAD/SA/SA-D/CA型全相参单偏振和双偏振多普勒天气雷达天伺中使用，特点是技术成熟、体积小、效率高，便于日后维护维修。敏视达公司已在“中国新一代天气雷达网”的布网雷达和出口印度、韩国的单偏振及双偏振全相参脉冲多普勒天气雷达上广泛应用了这一技术（以应用国内外上百台雷达系统上），已证明该技术先进、稳定、可靠，有效降低了用户对天伺系统的维护工时和成本，得到用户的广泛认可和好评。测量装置测量装置包括增量码盘和光电码盘。增量码盘将与主电机同轴，负责测量伺服电机的转速；光电码盘感应天线的位置角度，采用14位精度测量，它的分辨率为0.022°，显示采用14位二进制和相应的十进制，满足角码显示精度±0.04°的技术要求，采用格雷码编码，避免从编码全1到编码全0的跳变，可避免大电流扰动。采用德国MAYLE公司的GASS58-0014-AK42-PGU型进口光电码盘，该配置于“中国新一代天气雷达网”的30多部布网雷达，出口印度、韩国的15部CINRAD/SA/SA-D型单偏振及双偏振全相参脉冲多普勒天气雷达和CINRAD/XA-M型移动式X波段单极化（可升为双极化）多普勒天气雷达天伺系统配置相同，便于日后维护维修。显示显示器件将选择液晶显示器。显示位于伺服机箱的前面板上。将显示：方位十进制角度和俯仰十进制角度；方位二进制角度和俯仰二进制角度；状态信号。4.7数字伺服技术应用证明CA雷达的天伺系统中采用集成度高、控制精度高和稳定性好的进口14位光电码盘和免维护长寿命的交流无刷电机，采用进口波导开关和进口波导加压机，在汇流环上采用双道传递信号的技术。以下例举已应用在中国“新一代天气雷达网”中的CINRAD/SA天气雷达、印度气象局WSR-98D/S单偏振天气雷达和韩国国土海洋部WSR-98D/SD双偏振天气雷达项目中公司采购的12台交流伺服电机及22套光电码盘合同复印件，以示证明。进口波导开关和进口波导加压机4.8三防设计采取密封措施，如俯仰箱采用密封结构，确保内部结构不受雨水腐蚀；这种密封形式已在船载和沿海陆地的大量设备中使用、验证，可以有效保证设备长期的可靠性和稳定性。结合面涂黄油或密封角，避免小缝隙腐蚀；传动件选用氮化钢进行氮化处理；M12以下紧固件选用不锈钢材料，M12以上进行镀锌处理；传动系统润滑良好，选用优良的润滑油或润滑脂；合理选材，避免电化偶作用，应进行铝阳极氧化并涂底漆或磷化处理；钢结构件进行喷砂、喷锌及中间漆和三防面漆；铝件进行氧化，涂底漆再涂三防面漆；电路板喷三防面漆；所有电器元器件焊点涂三防漆。安全性设计建立安全链，确保人身设备安全。5.1限位开关装置在天线方位、俯仰轴上均设有限位开关装置。当天线转至工作极限位置时，碰块触碰开关，切断电源。5.2急停控制在天线控制面板上安装急停开关，遇到紧急情况可以按动急停开关，保证设备和人身的安全。在车厢体上设置安全开关，当有人进入天线工作区域内时，通过这个开关关闭伺服驱动功放的电源，并切断高功率发射机的高压电源，以保护人身安全。5.3安全警示在强电和高空作业危险部位设置安全警示标志。三、发射系统范围1.1主题内容本文论证CINRAD/CA天气雷达发射机技术方案。1.2适用范围本方案论证书适用于CINRAD-CA型多普勒天气雷达发射机。引用文件中国气象局新一代天气雷达系统功能规格需求书（C波段）定义CINRAD：本发射机所属雷达称为CINRAD，是中国新一代C波段多普勒天气雷达。内容4.1主要技术指标工作形式：全相参速调管放大链。工作频率f：5.3~5.7GHz，点频工作。高频输入峰值功率Pi：5~10mW。高频输出峰值功率Po：≥250kW（末级高放速调管输出法兰处测，脉冲宽度：0.83us、2.5us）。发射占空比：≥0.002.速调管寿命：≥15000小时。发射机输出极限改善银子：优于50.0dB。发射频谱带外抑制：符合国家有关规定。工作30分钟后，功率稳定度在±0.3dB范围内。脉冲宽度及脉冲重复频率F：见表3.2.3-1。表3.2.3-1脉冲宽度、前后沿、及脉冲重复频率参数宽脉冲窄脉冲调制脉宽（us，70%处记）3.31.3高频脉宽（us,70%处记）2.50.8高频脉冲前后沿(us)约0.12约0.12脉冲重复频率250~1000250~2000脉冲重复间隔组合：发射机支持多PRF下速度展宽模式，交错比为2：3、3：4和4：5。地物干扰抑制比：在恒定脉冲重复频率下，距主谱线40~2000Hz范围内，杂波与主谱线比值不劣于-52dBc。发射机输出端极限改善因子大于等于52dB；发射机输入端极限改善因子大于等于55dB。预热时间：正常预热时间12+1分钟。预热结束后，若交流供电掉电，并随即恢复供电时，重新预热时间应符合表3.2.3-2要求。表3.2.3-2掉电后重新预热时间要求暂停供电时间（秒）重新预热时间（分）＜30030~300等于暂停时间＞30012+1调制器形式：全固态调制器。控制保护：具有本控、遥控功能；具有人身及设备安全保护功能；能按雷达系统指令，向系统输送发射机故障及状态信息；能接受来自雷达系统的各种连锁信号并实施高压连锁；能对某些故障自动进行3~5次“再循环”（自动故障复位、自动重新启动故障电路、重新判断故障）；各科更换单元均有BITE，依据BITE提供的信息，外部设备可检测出90%的故障，并将其中的95%隔离至一个确定的可更换单元，或将其中的95%隔离至一组可更换单元，组内可更换单元数应不大于三。交流供电：三相380±10%、50±5Hz。电网掉电并随即恢复时，发射机应在30秒再加表3.2.3-2所列预热时间内，恢复全部正常工作。若电网在0.4秒内暂态掉电，发射机应在5秒内恢复正常工作。接口：见附录1。环境条件：工作温度及湿度：温度：0℃~+40℃；湿度：20~80%。贮存温度及湿度：温度：-40℃~+60℃；湿度：15~100%（不结露）。可工作海拔高度：3300m。结构要素：发射机为一个独立机柜，应确保以下要素：外形尺寸：高≤1.832米；深≤0.76米；宽≤1.70米；全机重量：≤1200Kg；全机模块化，可更换单元重量不大于40Kg，同类模块具有良好互换性。寿命、可靠性指标、及维护指标：发射机处于日夜连续工作状态，有效寿命20年；平均故障间隔时间MTBF≥1000小时；平均修复时间MTTR≤0.5小时；最大停机时间MDT≤2小时。电磁兼容性、安全性、人类工程符合相应标准。4.2技术综述该发射机采用高功率速调管作为末级高频放大器；（2）发射机中采用的“回扫充电+后充电校平”方案是目前已付实施的提高调制脉冲脉间稳定度的最成功方案。同时，由于电子技术飞速发展，一些新器件、新技术已臻成熟，作为换代产品，采用了一些已成熟的新器件新技术，采用新器件新技术的原则是：有利性能，有利可靠性，不影响研制周期。图3.2.2-1是发射机的技术方案框图。如图3.2.3-1所示，发射机主要由“高频放大链”、“全固态高功率脉冲调制器”、“控制保护系统”、“各种低压电源”、及“风冷系统”组成。图3.2.3-1CINRAD/CA发射机技术方案框图4.2.1高频放大链高频放大链将峰值功率为10mW的输入高频信号放大为峰值功率大于250KW，宽度及频谱符合要求的输出高频脉冲。高频放大链主要由“前级高频放大器”、“高频脉冲形成器”、“可变衰减器”、“速调管放大器”、和“高频电弧及反射保护器”组成（见图3.2.3-1）。图3.2.3-2是前级高频放大器框图。图3.2.3-2前级高频放大器框图前级高频放大器的组成图3.2.3-2，其中“放大器1”是一个单片微波集成模块（MMIC），高频增益不小于29dB；“放大器2”采用TIM5359-4作放大管，增益不小于8dB；“放大器3”采用TIM5359-16SL作放大管，增益不小于7.5dB，“放大器4”采用TIM5359-60SL作放大管，增益不小于8dB。前级高频放大器输出功率不小于40W，输出至高频脉冲形成级。在高频脉冲形成级，实施高频脉冲调制，产生脉冲宽度和频谱宽度均符合要求的高频脉冲，图3.2.3-3是其框图。图中，通过控制PIN衰减器的衰减量实施高频调制；通过调节高频脉冲前后沿，控制频谱宽度；通过适当调节移相器的相移及两路调制脉冲的时间关系，抵消速调管放大器在脉冲前后沿的相移；通过改变可变衰减器衰减量，调节输出至速调管的功率（通常为0.5-2.0W）。图3.2.3-3高频脉冲形成级（及可变衰减器）框图高功率速调管食放大链的末级高频放大器，正常应用时，增益不小于50dB；最佳调谐时，效率不低于45%；电子束电压变化1%时，输出高频相移不大于18.24°；导流系数1.05×10-6；风冷：海平面时，风量不小于3.36m3/min。图3.2.3-2中“高频电弧及反射保护器”用光敏管感应高频电弧，出现故障后，记忆故障，并向控保系统报警。“高频电弧及反射保护器”还检测来自馈线系统的反射功率检波信号，当信号幅度大于90mV时，判断为反射过荷，记忆故障，并向控保系统报警。4.2.2全固态高功率脉冲调制器调制器主要技术要求调制脉冲宽度及脉冲重复频率应满足表1要求。脉冲电压幅度UB及脉冲电流幅度IB；根据速调管的参数，可求出：UB=48KV；IB=11A。计及发射机输出电压超过额定值10%，可求出：UBmax=52.8KV；IBmax=12.69A。调制脉冲脉间幅度稳定度、脉间时间抖动、及脉内顶部波动和顶降：根据对发射机地物干扰抑制比的要求，对上列四项指标提出要求：脉间幅度稳定度：在恒定脉冲重复频率下，脉间幅度稳定度不劣于4×10-5；在最恶劣的脉冲重复间隔组合下，脉间幅度稳定度应不劣于2%，且在恢复到恒定脉冲重复频率后50mS内到达不劣于0.004%；对于低于20Hz的慢变化，在相继的16个脉冲内，幅度变化均方根值应不大于0.01%。脉间时间抖动：在相继的16个脉冲内，脉间时间抖动的均方值应不大于3nS。脉冲顶降：在任何脉宽下，脉冲顶降应不大于1.5%。脉冲顶部波动：顶部波动均方根值应不大于2%。调制器方案概述如图3.2.3-1所示，调制器主要由“高功率电源组件”、“滤波器组件”、“回扫充电组件”、“调制组件”、“后充电校平器”、及“触发器”组成。来自电磁滤波器的三相380V交流供电电压，经高功率电源组件及滤波电容组件滤波后，获得约510V直流电压。调制器的充电电路，采用回扫充电技术。回扫充电的主要优点是：省去笨重的高压变压器，可直接由电网电压整流，获得高功率直流电源闭环时，充电精度可达1‰，并可方便地调节充电电压。调制器可承受较大的失配，而不会导致开关管“连通”。可方便地实现延时充电及改变延时时间。这部发射机的回扫充电组件采用绝缘栅双极型晶体管模块（IGBT）作为开关器件，这种模块配有集成度很高的IC驱动器，内装用于隔离高电位的光耦合器，并附有过流保护电路及过流保护输出。IGBT模块可工作于1200V电压及300A电流，当工作于逆变器模式时，工作频率可达40KHz。模块内部电路确保其不工作于深度饱和状态，因此关断速度快，适于用作回扫充电的开关器件。调制组件采用8个串联的可控硅（SCR）作脉冲开关管。两只不同脉宽的人工线（0.8μS、1.3μS）置于同一个油箱内，按照来自控保系统的指令，脉宽选择开关将其中一只人工线的高压端与调制器充放电回路接通，从而选择调制器的工作脉冲宽度。调制器工作脉宽的转换仅在不加高压时进行。人工线阻抗7.58Ω，工作电压3.8~4.2KV，极限充电电压4.5KV。调制器输出高功率脉冲变压器升压比为24。SCR管对触发脉冲的要求较高，在正确的触发下，SCR管有极高的可靠性；当触发脉冲不符合要求时，管子极易损坏。图3.2.3-4是这部发射机触发器框图。图3.2.3-4触发器框图“后充电校平器”（PostChangeRegulator）是一种泄放型高效高精度校平电路，它与回扫充电配合，可使人工线充电电压精度达到10-4~10-5。为了确保有足够大的动态范围（人工线充电电压为额定值的50%~110%），校平器采用浮动参考电平。浮动参考电平由校平泄放电流经低通滤波器转换产生。为了确保校平精度，校平将采用二次泄放技术。4.2.3控制保护系统控保系统功能简述根据采购规格书的要求，其主要功能简述如下：开关机方式：“遥控”及“本控”。“遥控”为主，“本控”仅用于维修、维护。开关机过程发射机状态如表3.2.3-3所示。表3.2.3-3中，“交流掉电逻辑电路”有电池供电；一旦接通交流供电，发射机即进入“预热”状态，预热结束后（预热时间由交流掉电逻辑电路控制）自动进入预热状态；收到“接通高压指令”后，磁场电源工作，磁场电流正常后，自动进入“工作/发射”状态。连锁：具有门开关等各种安全连锁。故障检测、指示及保护：故障信息来自：发射机组成部分之BITE，各连锁开关的状态信息，风量、风温、油面、油温传感器，高频电弧及反射保护器模拟自检，灯检，控保系统本身的检测电路（检测灯丝电流、磁场电流、钛泵电流、电网电压、及脉冲重复频率），以及雷达控保系统通报的天馈系统状态信息。这些故障信息，=1\*GB3①在故障显示板上显示；=2\*GB3②进入接口电路，准备送往雷达控保系统；=3\*GB3③送入控制电路，作为控制保护的判据。显示板显示故障信息，状态信息，及维修请求信息，如附录2所示。故障重复循环：遥控时，对附录2中注明应“重复循环”的故障进行3~5次自动复位及故障重判。若重复循环后仍故障，则判为发射机故障，即，进入所谓“补课遥控”状态。测量与调节：控制面板上有四个表头分别指示灯丝电流、磁场电流、钛泵电流、及人工线充电电压；另有一个表头通过转换开关，可指示十五个电量；计时器累计速调管加灯丝电压的时间。在灯丝电源、磁场电源和开关组件的控制面板上分别有三个调节电位器，可以调节灯丝电流、磁场电流、及人工线充电电压。与雷达控保系统间信息传输：雷达控保系统通过信息传输，向发射机发出遥控指令及天馈系统状态通报各连锁信号。发射机控保系统将发射机故障信息及状态信息每八个一组分成八组，按照来自雷达控保系统的三维地址选择码，向雷达控保系统输送八组信息数据中的一组（见附录3），利用这些信息和相应软件，可故障定位至最小可更换单元。此外，发射机控保系统还向雷达控保系统传送三种状态信息：发射机进入重复循环状态信息、发射机处于“本控”或“不可遥控”状态信息、以及发射机高压已关断信息。以上信息通过RS—422兼容接口传输。控保系统监视同步信号的重复频率，当超过所选脉宽对应的上限频率时，报警、并切断高压。控保系统中的“交流掉电逻辑电路”，使掉电后重新预热时间符合表3.2.3-3要求。表3.2.3-3开关过程发射机状态（√表示电路处于工作状态）关机预热预备接通高压指令工作/发射交流掉电逻辑电路√√√√√交流供电√√√√控保系统供电√√√√各低压滞留电源√√√√前级高频放大器√√√√高频脉冲形成级√√√√速调管灯丝电源√√√√钛泵电源√√√√磁场电源√√速调管风纪√√√√磁场线圈风机√√√√机柜风机√√√√脉冲变压器油泵√√√√高功率电源组件√√√√回扫充电组件√触发器√调制组件√后充电校平组件√控保系统方案特点控保系统将选用“现场可编程门阵列”（FPGA），及“单片机”等大规模集成电路。采用这些电路可简化硬件设计，用软件实现控制保护功能，提高可靠性。作为在高功率发射机内部工作的数字电路，为了有效地隔离，以防损坏和干扰，控、保系统的输入、输出信号都通过光耦传输，并采用专用的逆变隔离直流电源。4.2.4电源灯丝电源主要技术指标：当灯丝电流为4~8A时，速调管灯丝电压应自5V至8V可调。冷灯丝时浪涌电流不大于20A当电网电压变化±10%时，输出电流变化不大于±1%。为了满足地物干扰抑制比的要求，减少灯丝电流磁场对高频相位稳定度的影响，可以采用“直流灯丝电源”、“间断式非同步交流电源”、及“逆变稳流同步交流电源”。据资料报道，后者效果最佳。图3.2.3-5是逆变稳流同步交流电源框图。图3.2.3-5逆变稳流同步交流电源框图图3.2.3-5中“斩波器”工作频率50KHz，“脉宽调制器”依据输出电流取样信号的大小，自动调整激励脉冲的宽度，形成一个负反馈闭环，使输出电流稳定在某一设定值，并抑制冷灯丝的浪涌电流，使其小于20A。半桥斩波器将输入的直流电压变换为交替正负极性的脉冲电压，通过图3.2.3-1的中间变压器、脉冲变压器次级双绕组、以及灯丝变压器，为速调管提供交流灯丝电流。两路同步触发信号使交流灯丝电压与发射及脉冲重复频率同步。触发器除接受两路同步触发信号同步并提供半波斩波器得触发信号外，当两路同步触发信号丢失时，立即自动产生触发信号确保灯丝连续供电。磁场电源磁场电源为磁场线圈提供磁场电流，当线圈电阻为2~4.5Ω时，磁场电流应自20A至25A连续可调，电流纹波小雨0.2A。当电网电压变化±10%时，磁场电流变化应不大于0.1A。图3.2.3-6是磁场电源框图。图3.2.3-6磁场电源框图其他电源钛泵电源采用倍压整流，产生3000V直流电压。其余+5V、+15V、-15V、+28V、+40V为常规稳压电源。4.3关键技术及解决途径4.3.1地物干扰抑制比4.1款规定，在恒定脉冲重复频率下，发射机地物干扰抑制比不劣于-57dB，这是一项重要指标，由相当的难度。发射机地物干扰抑制比主要决定于输出高脉冲的相位稳定度，设地物抑制比为CR，输出相位漂移（指快变化）为△Φ（均方根值），则式中，△Φ1为由前级高频放大器和高频脉冲形成级引起的相位飘移。CR=-20lg（△Φ）△Φ2=△Φ12+△Φ22+△Φ32+△Φ42+△Φ52△Φ2为由速调管灯丝电流引起的相位飘移；△Φ3为由调制脉冲间辐度不稳定引起的相位飘移；△Φ4为调制脉冲间辐度不稳定及脉间时间抖动引起的相位飘移；△Φ5为由磁场电流不稳定及其他因素引起的相位飘移。在这五种影响因素间分配稳定性指标，如图3.2.3-7所示。图3.2.3-7地物干扰抑制比指标分配速调管中电子束受交流灯丝电流磁场调制，造成相位飘移，从而影响地物干扰抑制比。灯丝电源采用图3.2.3-5所示电路后，高频脉冲与灯丝电流间时间关系如图3.2.3-8所示。交流灯丝电流不是正弦波，而是一个与高频脉冲同步的正负极性方波，高频脉冲每次都出现自同一极性电流脉冲上靠近脉冲后沿的同一点，而图3.2.3-5中的反馈闭环又使这灯丝电流脉冲的幅度高度稳定，因此，对高频脉冲而言，仿佛灯丝电流时一个恒定的直流电流，从而极大地降低了灯丝电流磁场对电子束的调制，减小高频输出的相位飘移。因何不直接采用直流灯丝呢？这是因为图3.2.3-5所示同步逆变交流稳流灯丝电源与直流灯丝比较有以下优点：省去了处于脉冲高位的灯丝电压整流滤波装置，减小高功率脉冲变压器体积。图3.2.3-8高频脉冲与灯丝电流时间关系图3.2.3-5中的闭环壳使灯丝电流达到更高的稳定度。能自动有效地抑制冷灯丝时的浪涌电流，从而省去了灯丝自动调压装置。速调管对磁场电流的相位灵敏度大约是0.1~1度/1%I，采用图3.2.3-6所示斩波稳流磁场电源可使磁场电流的50Hz、300Hz纹波小到满足地物干扰抑制比的要求。用这部发射机的速调管，对阴极电压的相位灵敏度为18.24度/1%UK。设由图3.2.3-7分配给调制器的稳定性指标为CR3，则CR3=-20lg△Φ3，由此，可计算出对调制脉冲脉间稳定度的要求，如表3.2.3-4所示。表3.2.3-4调制脉冲脉间稳定度指标CR3调制脉冲脉间稳定度56dB±0.05‰58dB±0.04‰为实现表3.2.3-4所列指标，调制器采取下列措施：调制器采用“回扫充电”及人工线旁路泄放后充电校平技术。触发器也采用回扫充电技术，以确保脉间时间抖动不大于3nS。调制脉冲顶降≤1.5%，顶部波动≤2%（均方值）。后两项措施是密切相关的。这是因为：调制脉冲顶部不可能绝对平坦，脉间的时间抖动使脉内幅度起伏，转化为脉间幅度波动，从而影响发射机的地物干扰抑制比。4.3.2输出频谱宽度由于C波段频率拥挤，RSEC（RadarSpectrumEngineeringCriterria）规定，在没有频率滤波器的情况下，在-40dB处，发射机输出频谱宽度应不大于14.5MHz，在-40dB以外，应不小于每十倍频程40dB的速度下降。控制发射机输出频谱的宽度，实质上是设计高频脉冲包络形状。实际波形应该是这样一个方波：前后沿近似于正弦波的平方。如4.2.1款所述，调制高频脉冲前后沿的工作在“高频脉冲形成极”进行。若高功率速调管工作在饱和区，则在输入高频脉冲的前后沿处会产生附加相移，从而增大频谱宽度。因此，速调管应尽量工作在线形区；且如4.2.1款所述，在“高频脉冲形成极”设置补偿电路。4.4结构方案4.4.1外形发射机采用独立机柜设计（见图3.2.3-9），外形尺寸：高×宽×深为1.832米×1.7米×0.76米。机柜分为屏蔽区非屏蔽区。为了便于调试维修，屏蔽区正面（主维修面）有三扇门；非屏蔽区正面为一块可翻转的上面板。在机柜的顶部分别开有信号电缆出窗、电源电缆引入窗、波导输出窗、及冷却风道出口窗。在机柜的背部有冷却风道入口窗。4.4.2布局在机柜的屏蔽区安装各电路模块、脉冲变压器油箱、磁场线圈、及高功率速调管等。在非屏蔽区装有交流配电系统及速调管和磁场线圈的冷却风机。4.4.3机柜设计为了得到良好的电磁屏蔽效果，骨架和侧面板采用一体化设计，以免由于侧板和骨架连接处电接触不良而影响电屏蔽效果。统称，在机柜的侧板与机架之间存在间隙，不利于防滴及在100%的高湿环境下工作。本发射机中，机柜的侧板与顶板、底板间采用氩弧焊，既能得到较高的机械强度，又有良好的电接触及密封性；后板为可拆性的螺钉连接结构，以便在维修机器时可作必要的拆卸。骨架的形成该机柜没有单独的骨架，支撑各组件的骨架由型材构成。纵深向的型材可与立柱或侧板使用氩弧焊焊牢，垂直向型材则用螺钉与纵深方向型材连接，横梁与垂直向型材亦用螺钉连接（图3.2.3-10）。组件结构组件外壳采用铁板弯制成型，壳体上冲有通风孔，搭接处采用点焊或铆接（图3.2.3-11）。其锁紧器如图3.2.3-12所示。若顺时针旋转螺钉，则压板前进与骨架横梁贴紧起到限位作用；若逆时针旋转螺钉，则压板后退自动转入机壳内，即可抽出组件。4.4.4安全设计本发射机是一台高压、高功率设备，为了确保操作人员及机器的安全，在结构上采取以下措施。门开关设计门开关是一个基机电一体化器件，其功能是：当门被打开时，即切断高压，以确保人身安全，其结构如图3.2.3-13所示，门关上时，轴被顶进，微动开关闭合，可加高压；反之，门打开时，轴被弹簧顶回，微动开关将高压电路切断。高压放电棒若断电后要立即对机器进行检修，可能某些器件上仍残存高压电能，将危及操作者的安全，故除门开关及某些自动放电装置外，在机柜里还挂有高压放电棒，以便高压器件上的剩余电能通过放电棒释放，确保操作人员的安全。其他安全设计其余凡超过安全电压的接线端子均加有绝缘覆盖板、罩、以保证操作人员带电维修时的安全；凡操作人员易触摸到的地方，其结构件均应设计成圆弧形，以免擦伤操作人员。发射机电磁监测报告敏视达公司生产的C波段天气雷达已顺利通过CNAS认证的第三方检测机构-中国航天科工集团第二研究院二零三所的电磁监测，测试最高电磁场强为2.0V/m，实际测值仅为公众最高标准要求（23.52V/m)的8.5%，远优于国家标准的要求。证明该发射机可以有效保证电磁辐射对人体的影响在安全范围内。4.4.5冷却设计本发射机对发热器件采用强迫冷风。速调管、磁场线圈风冷根据制管厂提供的资料，速调管冷却风量为3.36m3/min（海平面）及4.6m3/min（海拔3048m），风压199.27Pa；磁场线圈风量为3.3m3/min（海平面）及4.7m3/min（海拔3048m），风压622.7Pa。故选用一台小型工频离心风机150FLJ6对速调管进行抽风，其风量为Qfk=420m3/h，风压为300Pa；选用两台150FLJ5醒风机（串联）对磁场线圈进行抽风冷却，其风量为Qfc=480m3/h，中风压为800Pa。机柜风冷除了速调管及磁场线圈两大发热元件外，本发射机内尚有调制组件、磁场电源等发热部件，其总功耗约为P=1.75kw，所需风量为：Qf==380.07m3/h式中：Qf…………..通风量（m3/min）（海平面）；Q=KP，K为物理常数，K=3594.2J/h·Kw；Cp………空气比热，Cp=1.003J/Kg·℃；γ………空气的重度，γ=1.1Kg/m3；Δt………空气出口与进口温差。若Δt=15℃，在高度为海拔3048m时，则风量应为QfeQfe=1.4Qf=532.1m3/h设：机柜总风量为Qft，速调管冷却风量为Qfk，磁场线圈冷却风量为Qfc，则，Qft=Qfe+Qfk+Qfc=532.1+420+480=1432.1m3/h故选用风机型号W2E200-HH38-01，风量为925m3/h，两只并联总风量为1850m3/h。4.4.6电磁兼容设计电屏蔽设计为了获取较理想的电屏蔽效果，要求机柜的可拆部分（后板、前板）与机柜有良好的电接触。本机柜采用斯派尔组合密封条来解决这一问题。图3.2.2-14中门的四周采用g醒橡胶条和不锈钢簧片组成的组合密封条。G型橡胶条可起到防尘，防潮的效果。簧片则起到良好的电接触而提高屏蔽效果的作用。图15中后板的四周采用橡胶条和不锈钢螺旋管组成的组合密封条、橡胶条可防尘、防潮，不锈钢螺旋管则起到电屏蔽的作用，其屏蔽效果可达95Db。在机柜冷却风道的进出窗口均加有金属网以减轻窗口对屏蔽效果的削弱。接地除高频系统外，全机采用一点接地。信号地、干扰源地、安全地分开，最后集中到机柜中接地点，并经宽铜皮接至地椿。4.4.7三防设计所有零、部、整件的涂覆均按海上条件（H）选用。电镀和化学涂覆按SJ47-7。铝制件采用导电氧化H.DY。一般钢制件采用镀锌钝化D.Zn30.DC。铜制导电件采用镀银D.Ag15。油漆涂覆机柜外表面门及上面板用聚酯桔形烘漆。要求电接触的部分不涂漆。防霉全机装配调试完毕后，应对各组件、元器件、联接电缆、印制板等整件，喷涂防霉清漆。其中需导电部分不涂。图3.2.3-9CINRAD/CA发射机外形图3.2.3-10骨架构成示意图3.2.3-11组件机壳图3.2.3-12锁紧器图3.2.3-13门开关结构示意图3.2.3-14门板（G型）屏蔽条示意图图3.2.3-15后板屏蔽条示意图4.5可靠性预计及指标分配采用元器件分类计数法预计可靠性指标MTBF，环境条件为GB级，元件质量为B1级，统计结果如表3.2.3-5所示。表3.2.3-5元件分类计数及失效率统计序号元件类型∏QλGΛi=∏Q×λG(10-6)数量NiNi×λi(10-61大规模数字集成电路0.50.560.28102.82小规模数字集成电路85443.743模拟集成电路2517021.254混合集成电路1.362027.205二极管5228114.616发光二极管0.40.050.02480.967三极管56754.28特种管0.50.350.175152.6259光电器件0.60.320.19214227.26410速调管16.7116.711电阻0.60.0130.00787305.69412功率线绕电阻72201.4413功率非绕线电阻84201.6814电位器0.50.330.1657612.5415普通电容器0.50.020.014144.1416电解电容器0.50.0680.0341474.99817电感器0.70.1190.0833120.999618继电器1.50.841.261215.1219开关0.60.500.3216.320空气开关1.51.392.08524.1721交流接触器1.51.392.08524.1722电表0.2051.0023连接器0.70.370.02591173.030324电机5.50738.525变压器0.70.1190.0833221.832626计时器2.3012.3027微波元件1.50812.0028保险丝0.20204.0029传感器1.51.402.10510.5030恒温装置10.00110.0031电磁滤波器0.1040.4032电缆组10.0033其它0.315015.50表3.2.3-5中∏Q是元件通用质量系数，λG是元件通用失效率，Ni是第i类元件的估计数量。设发射机总失效率为λ，则λ=ΣNi×λi=291.6635×10-6/小时MTBF=1/λ=3428小时（设计值）依据发射机各组成部分的元器件数统计，参照WSR-88D发射机的可靠性计算，以及CINRAD/SA、SA-D、CA等型号天气雷达发射机的实际经验。图3.2.3-16CINRAD-CA发射机可靠性框图图3.2.3-16中，各框数字乘以10-6，即为失效率；最后一框中包含电磁滤波器、电缆组、风机、油泵、及油的热交换器。标准化措施5.1采用的主要标准序号标准号标准名称标准类别1MIL-STD-454电子设备通用要求2MIL-STD-1472C军用系统、装备和设施的人类工程设计准则3MIL-STD-461C电磁干扰特性要求GJB150-864GJB/Z25-90电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南（MIL-HDBK-419)电磁兼容5GJB450-88装备研制与生产的可靠性通用大纲（MIL-STD-7858)6GJB/Z299A-91电子设备可靠性预计手则（MIL-HDBK-217)可靠性7GJB368-87装备维修性通用规范（MIL-STD-470~472)维修性8GJB/Z9001-96质量体系-设计、开发、生产、安装盒服务的质量保证模式9GJB2448-95无焊绕接电连接要求（MIL-STD-1130B)10GJB7-84微波辐射安全极限安全性11GB4728+电气图用图形符号（IEC-617)12GB5094-85电气设计中的项目代号（IEC-750)13SJ207设计文件的管理制度图管制度14SJ1580设计文件十进分类编号15SJ/T10148.1~10148.8电气简图的编制方法以上为本产品采用的主要标准，在研制之前，应针对本产品的特点，并结合本所的实际情况，对以上标准进行剪裁、补充或修改，将适用于本产品的有关条文列入产品的设计规范，作为设计改造的依据。执行标准的原则为：当CINRAD/CA发射机采购规格书中有明确指标要求时，按CINRAD/CA发射机采购规格书执行；当标准中再引用到其它标准，而标准又难以查询时，按相当的国内标准执行。5.2贯彻标准中所采取的措施以上所列标准中，前3项为美国军用标准，对于MIL-STD-461电磁干扰特性的要求，即使美军要完全满足461的各项要求也是不容易的，因此，在设计开始之前就已对电路滤波，电源电路和结构的屏蔽性能等环节，提出相应的措施，保证产品质量。可靠性保证措施6.1引用文件GJB899-90可靠性鉴定和验收试验GJB/Z299-90电子设备可靠性预计手册6.2可靠性要求可靠性保证的最终目的是为了改善发射机的使用完好状态，提高任务成功能力，减少对维修人力和后勤保障的要求，提供管理信息和提高费用效益。可靠性工程技术可靠性工程是为了达到可靠性要求而进行的有关设计、试验、分析和生产等一系列工作，可靠性工程的重点应是预防、发现、和纠正可靠性设计以及元器件、材料和工艺等方面的缺陷。特别要重视在研制早期对可靠性工程的投资，以免追加费用，延误进度。可靠性工程管理制定切实可行的可靠性工作计划，确定可靠性工作项目，对发射机研制全过程实行控制。可靠性定量要求可靠性定量要求在合同中规定，并纳入承制方有关文件，同时应明确相应的任务剖面及故障判别标准。本发射机的可靠性定量要求为MTBF预计值θp≥3000h，验收时最低可接收值1000h。可靠性计算可靠性计算是为了确定和分配发射机的可靠性定量要求，以及预计和评定定量可靠性的一系列数学工作。其主要任务是为了研制，使用和后勤保障提供必要的信息，包括为估计使用效能和用户费用所需要的信息。可靠性信息要求可靠性信息包括发射机方案论证、研制、生产和使用阶段中有关可靠性数据、资料及文件。建立可靠性信息闭环系统，并制定信息的收集、传递、反馈、分析、处理、贮存等必要的程序和要求。6.3可靠性保证工作项目可靠性工作计划应按表3.2.3-6各个阶段可靠性工作项目表的所有项目提出详细要求，应包括下列内容；每项工作的具体内容和要求以及工作项目的责任单位或负责人；完成各项可靠性任务的技术途径、时间进度、经费概算及管理措施；可靠性大纲评审点；可靠性信息的收集、传递和处理程序；可靠性工作计划与总的研制计划应协调。表3.2.3-6各个阶段可靠性工作项目序号工作项目类型综合方案论证实施方案论证设计试制联调校飞1制定可靠性工作计划管理△√√△2对转承制方和供应方的监控管理△√√△3可靠性评审管理△△√△4建立故障报告分析和纠正措施系统工程×△√√5故障审查及组织管理×△√√6建立可靠性模型工程△△√7可靠性分配计算△√√8可靠性预计计算△△√9建立可靠性设计规范工程×△√10制定元器件优选清单工程△△√√11确定关键件、重要件管理△△√√12可靠性设计审签管理×√√△13热设计分析实验工程×√√√14环境应力筛选工程×△√√15全机分级、分阶段验收测试工程××√√16分系统通电老练运行试验工程××√√17环境试验工程××√√18可靠性试验计算××√√注：表中类型栏：管理——可靠性管理工程——可靠性工程计算——可靠性计算——根据需要选用√——适应×——不适应四、接收系统主题内容本文论证了CINRAD/CA型C波段全相参多普勒雷达接收机的技术方案。1.1适用范围本方案论证报告适用于CINRAD/CA雷达接收机的开发、研制和生产。1.2引用文件CINRAD接收机的研制规范（B2,CI-04）和相应的ICD文件。NEXRAD接收机各有关部件的采购规格和资料。设计依据2.1任务来源根据中国气象探测中心C波段全相参多普勒天气雷达需求，结合敏视达公司CINRAD/SA、SA-D和CA天气雷达的技术，开展数字化接收机的研制和生产工作。2.2主要技术指标2.2.1相关的雷达系统接收机指标雷达工作频段为5.3～5.7GHz、脉冲多普勒雷达、提供反射率、平均径向速度及谱宽数据。平均径向速度和谱宽不模糊距离范围可达200km。反射率不模糊距离范围可达400km，准确性1dB，精度0.5dB。双重复频率退模糊后，速度探测范围可达50m/s，速度估算标准差<1m/s，精度0.5m/s（在真实谱宽4m/s,s/n>8dB时）。谱宽范围为0～16m/s，标准差<1m/s，精度0.5m/s。通过自动定标减少误差。2.2.2接收机的主要性能指标CINRAD/CA雷达接收机为数字中频接收机，回波信号需在中频进行采样，为后续软件数字化处理作准备。接收机性能指标：项目技术指标备注数字中频频率57.5491MHz数字中频带宽1200KHz（0.8us）400KHz（2.5us）接收机动态范围≥95dBA/D采样前端接收系统动态范围≥85dB在雷达系统终端测试拟合直线斜率1±0.015拟合均方根误差≤0.5dB地物对消能力≥50dB接收机噪声系数≤4.00dB在雷达系统终端测试最小可测信号功率≤－107.0dBm(窄脉冲)≤－110.0dBm(宽脉冲)信号处理方式FFT和PPP库长125m根据脉宽设定库数强度3600对应最大距离450km速度及谱宽2000对应最大距离250km接收机具备噪声系数、动态范围、极限改善因子、回波强度及速度定标等机内在线测试功能。接收机能够根据发射机功率的变化进行在线自动订正。机内测试设备BITE包含有噪声自动监测功能。2.2.3环境、可靠性、维修性及电磁兼容要求环境工作状态温度+10～+35°C，湿度20-80%非工作状态温度-35～+60°C，湿度15-100%海拔≤3300m范围内能正常工作。适用于集装箱、海、陆、空运载工具运输可靠性：MTBF为4411小时维修性：MTTR为0.624小时电磁辐射：按MIL-STD-461C要求2.2.4接收机的特点整机具有成熟可靠的全自动标定、标校功能和装置，能对噪声温度、噪声电平、回波强度、速度、谱宽、地物杂波抑制、差等进行机内自动标定和标校。大动态范围：动态范围为85dB以上，误差0.5dB。定量测量回波信号的大小：要求接收机增益稳定，能进行系统的定标校准。故障检测，用于故障定位和系统校准。对部件的相位线性度，增益线性度，输出动态范围，输入输出驻波的要求均非常高。因此大量采用双路3dB电桥耦合放大器、隔离器、衰减器、定向耦合器，以改善匹配。2.2.5研制开发的原则因此我们将按照下述原则进行研制开发：CA接收机的基本功能和接口关系与敏视达公司CINRAD/SA、SA-D天气雷达接收机一致。CA接收机的功能部件根据中国的特点，进行重新设计。大部分功能部件的性能指标按照NEXRAD有关部件的采购规则要求。所研制的性能指标应不低于国内厂家的通用指标。功能部件的内部电路设计、结构形式、元器件选择等按我们的现有技术进行重新设计。在降低成本的条件下，用最好的商业惯例，标准的商业器件，尽可能采用固态电路，集成电路，进行模块化设计，以提高可靠性。CA接收机的结构布局与NEXRAD一致，在保持接口关系的条件下，内部结构设计将根据南京信息工程大学的使用特点和要求，进行重新设计。接收机的组成和框图3.1接收机的组成接收机由以下9部分组成，而每一部分又包含若干功能部件。总共15个部件，5个直流电源。接收机前段：接收机保护器和低噪声放大器；接收机通道：预选滤波器、混频器、匹配滤波器、中频放大器、高精度可调衰减器；频率源；射频测试源选择：微波延迟线、RF噪声源、4位RF开关、RF数控衰减器；故障定位：四路功分器、功率监视器；接收机接口；电源：+6.3V-6.3V+12.6V-15V+15V+5V（共6个电源组合）。3.2接收机的框图CINRAD接收机框图频率产生器框图射频测试源选择框图故障定位框图接收系统技术指标4.1接收方式为全相参超外差式、数字中频接收机：参见频率源设计方案，全相参。4.2通道数1路，可升级为两路。4.3灵敏度计算：由于AD后的噪声系数小于3dB，所以1.0μs时的灵敏度为：-174+10log（1M）+3dB=-111dBm，满足技术要求。实测（测试时接收机选择不同的脉宽，以连续波从场放处注入）：≤－109dBm（0.83us）≤－112dBm（2.5μs），下图是接收机按照2.5us配置时的灵敏度测试图：4.4接收系统动态范围（含数字中频）≥85dB下述数据是动态范围测试时的结果数据，从结果中可以看到，误差0.5dB时，使用减噪声算法，H动态范围可以达到98dB，V动态范围可以达到97dB。以下数据是在实验室里测试得到的，工程化后会有所下降，但保证会满足≥85dB（H和V通道）的要求。10:05:56机外自动动态，减噪声，连续波：input=-18.30,raw(H)=11.630,raw(V)=11.353,fit=13.2508,diff=1.6204input=-19.30,raw(H)=11.289,raw(V)=10.920,fit=12.2500,diff=0.9607input=-20.30,raw(H)=10.794,raw(V)=10.310,fit=11.2491,diff=0.4555input=-21.30,raw(H)=10.092,raw(V)=9.445,fit=10.2483,diff=0.1560input=-22.30,raw(H)=9.136,raw(V)=8.510,fit=9.2474,diff=0.1117input=-23.30,raw(H)=8.186,raw(V)=7.559,fit=8.2466,diff=0.0606input=-24.30,raw(H)=7.197,raw(V)=6.593,fit=7.2457,diff=0.0489input=-25.30,raw(H)=6.218,raw(V)=5.611,fit=6.2449,diff=0.0273input=-26.30,raw(H)=5.225,raw(V)=4.628,fit=5.2