DLD100C雷达更新改造阿莱尼亚雷达的探索与实践

民航内蒙古空管分局 韩 毅

DLD100C雷达更新改造阿莱尼亚雷达的探索与实践

民航内蒙古空管分局 韩 毅

苏尼特右旗阿莱尼亚二次雷达为雷神雷达备份手段。为解决阿莱尼亚雷达设备老化、覆盖不足的问题，采用DLD100C型雷达替换其发射接收和信号处理部分，保留原雷达天线部分，从而实现阿莱尼亚雷达快速升级的目标。

阿莱尼亚雷达；DLD100C雷达；升级

引言

空管雷达是空中交通管理系统监视空中飞行情况的重要信息源之一，是确保飞行安全、实现雷达管制和提高空域容量的基础。内蒙古空管分局苏尼特右旗雷达站安装一部雷神Condor MK2二次雷达。该雷达站覆盖内蒙区域内多条重要航路，是北京管制区域内一个十分重要的监视设施。由于该区域仅有一部雷达，未形成多重雷达覆盖，故此雷达长期难以停机维护，存在安全生产隐患。一旦雷达故障，将失去该区域的监视能力。为解决这一安全隐患，2014年华北空管局调拨一部阿莱尼亚（ALENIA）二次雷达安装于雷达站内，作为雷神雷达停机时的补充监视和备份手段。但是该ALENIA雷达运行年数超过20年，严重老化，故障频发，监视距离短，难以完成覆盖相同区域的任务，故2016年内蒙古空管分局和电子科技集团第14研究所达成合作协议，使用14所自主研发的二次雷达DLD100C替换ALENIA雷达询问机、录取器和RHP数据处理部分，保留ALENIA雷达天线及天线驱动部分，以实现雷达设备升级的目的。

1.现场情况简介

1.1 备用ALENIA雷达安装现场情况

调拨的ALENIA二次雷达安装于方舱之内，共有三个机柜组成，分别为询问录取机柜、RHP数据处理及天线驱动机柜、CDS综合显示机柜。ALENIA雷达天线塔位于方舱旁边，为钢结构铁塔，高度约为15米，距离主用雷神雷达天线塔直线距离20米。该天线塔顶架设一部大垂直孔径阵列天线以及相应的天线驱动马达，变速箱和旋转铰链。本次更新工作使用DLD100C的相关部件替换掉方舱内部ALENIA雷达设备的发射机、接收机、录取器和雷达头处理器，保留天线驱动机柜，天线塔及雷达天线不做更新。

1.2 DLD100C型S模式二次雷达简介

DLD100C二次雷达是中国电子科技集团第14研究所独立研发的第三代民航二次雷达设备，获得民航局颁发的设备使用许可证。具有以下特点：

（1）高可靠性：采用双机热备份，具有通道无缝切换能力；（2）完善的BITE：设备主要系统参数能够在线监测；

（3）具有故障远程监视和操控功能，可实现无人值守 ；

（4）设备具有基本S模式能力，轻型大口径天线，便于与一次合装；

（5）设备集成度高，可兼容IFF。

DLD100C型雷达主要由询问机柜、伺服机柜、综合机柜、天线及天线座等五部分组成。询问机柜内包含馈线组合、发射机、接收机、信号处理、数据处理和电源等。有A/B两个独立的通道，所有组件为盲插结构。伺服机柜内内安装有双路的操控箱、变频器、方位发生器、控制器，实现雷达天线运行控制。综合机柜提供方位增量码、正北脉冲，汇集伺服分系统运行状态信息，通过以太网上传监控终端。

2.升级方案

本次改造计划保留ALENIA雷达天线、天线驱动和馈线，发射机、接收机和信号处理部分均替换为DLD100C雷达的相应部分。改造工作的难点在于两部雷达的接口部分信号和数据的匹配。

2.1 和馈线与差馈线相位匹配

依据ALENIA雷达和DLD100C雷达手册，ALENIA雷达对天线馈线相位的要求为和馈线超前差馈线90°，而DLD100C雷达要求差馈线超前和馈线90°。由于DLD100C和ALENIA对天线和与差馈线的相位要求不同，故DLD100C机柜进入方舱就位后，首先对天线馈线相位进行匹配。

根据电磁场理论，同轴电缆主要传输无色散的TEM模，即横电磁波模式。在真空中TEM波的工作波长为

式中，c = 3 X 108(m/s)，为真空中的光速，f为工作频率。

一个波长对应的相位为2π，即360°，每1°对应的波长为λ/ 360°，由此可以通过调整电缆的物理长度来改变电缆的相位。对于雷达天线馈线，需要保证和馈线、差馈线两根射频电缆的相位一致性，选取任意一根为基准电缆，通过调节另外一根的物理长度，使其与基准电缆的相位差保持在一定的标准内，通常为10°到15°以内。根据上述理论，雷达设备接受频率为1090MHz，根据公式（1），计算得出波长为0.275m，除以360度，则可以得出1度对应的物理长度为0.76mm。

使用综合测试仪R&S ZVH4测量和、差电缆相位差。首先进行仪器校准，

（1）开机后，按MODE，通过功能键选择矢量网络分析模式；

（2）按FREQ/DIST，将中心频率设置为1090MHz；

（3）按“MEAS”，按F2选择传输“S21”，测量1口到2口的传输系数。

（4）按CAL，校准件选择FSH-Z29，通过F1功能键选择“全两端口”，

（5）弹出“校准开路（OPEN）”对话框，将校准件OPEN端分别接到端口1和端口2，

按F2继续，校准完成。

（6）弹出“校准短路（SHORT）”对话框，将校准件SHORT端分别接到端口1和端口2，

按F2继续，校准完成。

（7）弹出“校准负载（LOAD）”对话框，将校准件LOAD端分别接到端口1和端口2，

按F2继续，校准完成。

（8）弹出“校准直通（THROUGH）”对话框，将综测仪基准电缆两端连接到端口1和端

口2连接，按F2继续，校准完成。此时综测仪将该基准电缆相位记为0°，后续测试均以此为基准。

将天线分配箱一端的和与控制两根馈线使用N型母头转连器连接，从设备机房内连接询问接收机顶部一端分别将和、控制两条馈线连接至网络分析仪的端口一和端口二，进行测量，测得Σ+Ω两条馈线的相位为，测量结果为X；同样的方法对控制、差两根馈线进行测量，测得Δ+ Ω两条馈线的相位。测量结果为Y；若X-Y得值大于15°，超出门限值，则需要对和、差两根馈线的其中一根，根据每1°长度为0.76mm进行裁剪相应的长度，以达到相位匹配的要求。

通过观察综合测试仪测试结果，原有的和与差馈线相位匹配很好，未发生偏移。因此为了实现相位匹配，可以有两种实现方案。第一种依据上述的相位原理，修剪馈线长度，实现和与差相位由之前的超前90°改变为滞后90°，即总共180°的转变，按照1°长度为0.76mm，则共剪掉差电缆136.8mm即可。但此方法要求精度高，裁剪电缆和制作电缆头均有可能引入相位误差，需要使用专用工具才能达到较好的精度；

第二种方法较为简单，即直接在差馈线接口处增加一个180°移相器，从而实现差馈线超前和馈线90°的目标。此方法省去修剪电缆的复杂性，且精度较高，因此我们通过该方法实现了相位的调整。

2.2 正北信号和方位信号接入

由于天线部分不进行更换，无法产生DLD100C雷达系统需要的方位信号，需要将ALENIA雷达产生的方位信号送入DLD100C雷达系统内部。

ALENIA雷达天线驱动部分使用增量式光电方位编码器。天线大盘旋转带动编码器转动，每一固定角度产生一个方位增量脉冲信号（ACP），编码器转动一周后产生一个正北脉冲信号（NRP）。根据天线旋转周期不同，每4s或6s产生一个正北信号NRP，每两个NRP信号之间产生4096个方位增量信号ACP。ACP和NRP信号从编码器输出后，通过天线驱动单元的J13接口送入系统，经EDR板处理后输出标准ACP和NRP信号供后端设备使用。DLD100C二次雷达接收的正北信号和方位信号来自伺服系统中的轴角检测装置，该装置由两个旋转变压器组成。安装在天线座中心轴下的高频交连的下端，通过弹性联轴器由高频交连内圈带动，保持和天线同步运转，1：1输出方位转角信号。该信号形式为差分信号，信号幅度要小于+5V；

使用示波器测量天线驱动模块输出NRP和ACP信号的参数，连接示波器探头至驱动控制单元ASC 背板的ACP和NRP信号输出接口引脚J11和J14，观察到ACP信号，但无NRP信号，ACP信号幅度约为10V，高于DLD100C可以接收的信号幅度。查看ALENIA天线驱动部分电路图，发现编码电路板EDR的前面板也存在NRP和ACP信号的输出接口，使用示波器观察到了J11输出NRP信号，J14输出ACP信号，信号幅度为4.3V，符合要求。

DLD100C雷达的方位处理模块要求输入的ACP和NRP信号为差分形式，即±ACP和±NRP，且信号幅度为+5V。由于ALENIA仅输出一路ACP和NRP，故需要新加一个差分电路来实现功能。使用集成电路DS26LS31MJ/883QS搭建一个差分电路，该电路可实现四路差分电路驱动，将输入信号转换为差分形式进行输出，且输出信号幅度可达5.5V。其逻辑连接图如下。

图1 DS26LS31MJ/883QS逻辑图

将ALENIA天线驱动单元的EDR电路前面板J11输出的NRP信号和J14输出的ACP信号接入DS26LS31MJ/883QS的INPUT A和INPUT B，对ACP和NRP信号进行差分处理，顺利实现了方位信号的形式转换。

将产生的ACP和NRP差分信号接入DLD100C雷达系统内容，登录显控终端，进入雷达综合机柜设备状态界面的雷达详细状态表，看到A角码方位增量个数显示4096，A角码正北脉冲周期显示4.02秒。证明ALENIA雷达的方位信号接入DLD100C雷达系统正常。

2.3 DLD100C参数调整

2．3．1 正北修正

不同于ALENIA二次雷达需要通过调整EDR板S1～S4中的36位开关位置调整正北方位。DLD100C 雷达调整正北方位较为简单，直接通过显控终端软件就可实现天线方位角修正。进入伺服状态与控制界面，在应答机地理方位角编辑框中输入应答机方位角。该方位角可以通过厂家提供的excel表格，分别填入雷达设备的经纬度和高度，以及模拟应答机的的经纬度和高度，即可以计算得出模拟应答机相对于雷达的方位角。

在测试目标A代码编辑框中输入应答机的A代码，点击“清零”按钮进行相对方位角清0；点击“自动修正”完成正北方位修正。

2．3．2 角敏函数表制作

单脉冲测角技术中，使用角敏函数表（OBA）来确定目标偏离瞄准轴的角度，从而可以通过一次询问应答来确定目标的位置。

雷达安装完成后，首先需要制作OBA表。在显控终端上进入显示与控制界面，在屏幕上找到应答机目标，记录应答机的A代码、方位角、距离数值。查看视频眉毛所占的角度。返回主监控界面，进入“天线”模块，点击“角敏函数表制作”，进入角敏函数表制作界面。在“参数控制”组框中，在距离输入框输入记录的应答机目标距离值，在方位输入框输入记录的应答机目标方位角，在波宽输入框输入目标波束驻留宽度，即视频眉毛所占的角度，在航班号输入框内输入记录的应答机A代码，在SDR上下限输入框内分别输入SDR上下限值，然后点击“确定”按钮。点击“开始采集”按钮，动态框中开始采集数据，等待10分钟时间，观察动态输入框钟的曲线，如果曲线已经足够平滑，且以中心线对称时，表示此次采集是成功的，如图2所示。

图2 角敏函数制作

生成完整的角敏函数曲线后，点击“结束采集”按钮，结束此次数据采集。点击“应用”按钮，可将此次生成的OBA表应用到雷达数据处理器，刷新为当前测量的OBA修正表。点击“保存应用”按钮，可将此次生成的OBA表保存到雷达数据处理器的电子硬盘上，雷达下次开机或者重启后，将自动加载保存在电子硬盘上的数据。注意在角敏函数表制作期间，雷达自动工作A模式，因此监视席位上的目标将无高度显示。

3.结束语

该雷达系统自更新以来，运行稳定，覆盖效果良好，在主用雷神雷达停机时，高效的完成了补充监视的功能。两部不同类型的雷达组装，接口部分是关键。民航内蒙古空管分局本次采用DLD100C型雷达升级改造老旧ALENIA雷达，解决了馈线相位调整和方位信号接入的两大关键问题。升级后的系统有效解决了安全生产隐患。

[1]张虹．单脉冲二次雷达的研制和改进[J]．现代雷达,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．