信息化条件下雷达原理与系统课程教学内容革新研究

2013-01-31张宏伟马俊涛梁四洋

中国现代教育装备 2013年11期

吕波张宏伟马俊涛梁四洋

中国人民解放军军械工程学院电子与光学工程系河北石家庄 050003

雷达原理与系统是学习雷达基本理论、工作体制、系统组成的一门专业课，是雷达工程、电子工程等专业领域的技术基础，对学员掌握雷达基本理论，建立完整的雷达系统概念，提高雷达工程实践能力具有重要作用。目前，本课程是生长干部学历教育雷达工程专业和电子工程(防空兵雷达指挥)专业人才培养方案中一门专业必修课程；也是生长干部任职培训雷达维修工程专业人才培养方案中一门任职岗位的必修课程。因此，较好地掌握本课程教学内容对于各层次学员具有举足轻重的作用。

目前，该课程的教学内容包含发射分系统、接收分系统、天馈分系统、终端显示分系统和信号处理系统等多个雷达组件，涉及电路基础、模拟电路、数字逻辑电路、信号与线性系统分析、微波电子电路、微波工程基础和雷达信号处理等多门课程的相关知识。课程的突出特点是跨度大、涉及面广，学员普遍反映内容抽象，较难理解，学习难度大。国内大部分电子信息类大学及其他综合性大学、军事院校不是没有实际的雷达装备，就是装备数量和种类有限且较为陈旧，开展该课程教学时只能采用灌输的方法，先让学员掌握基本理论，在学员接触到实际雷达装备后再自行理解，因此很难保证教学效果。

目前我院拥有各型雷达装备几十种，其中涵盖警戒雷达、火控雷达、侦察校射雷达、气象雷达等，数量庞大，技术较新，体现了当前我国雷达技术发展的现状和未来发展的趋势。如果充分利用这一有利条件，将新型雷达装备、雷达原理与系统教学各个环节相结合，必将有力地提高课程的教学质量。教学实施中将无形而枯燥的雷达基础理论学习与有形的新型雷达装备相结合，帮助学员理解教学内容，掌握雷达装备发展现状。根据国内外新型雷达装备发展的现状和趋势，与时俱进更新教学内容，将原课程教材中一些陈旧的内容替换为新型雷达的技术和理论，使学员所学的知识与整个雷达装备的发展现状相适应，可实现无缝衔接，避免出现理论知识与实际装备断代、隔代的问题。

1 雷达原理与系统课程教学现状

目前，我院雷达原理与系统、现代雷达原理两门课程选用的教材是西安电子科技大学出版社出版的2002年版(第三版)《雷达原理》一书。该教材是国家重点教材，被多所高等院校选为授课教材，其内容经典，讲述较为详细，目前已经多次改版重印。但正如其第三版的前言所述，在编修时虽然内容做了较大更新，但也只能尽量反映20世纪80年代以来雷达技术的发展状况。

进入21世纪后，特别是“十一五”期间，随着微波技术、微电子技术、计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展，我国雷达技术和装备出现了一次大繁荣、大发展的时期，我军研制和列装了一大批新型、高性能的雷达装备，大大缩短了与国外在雷达技术方面的差距。在此期间全固态发射机，MMIC，DSP，FPGA，CPLD，DRFM，相控阵雷达，数字波束形成技术，合成孔径技术，逆合成孔径技术，电子对抗技术，雷达性能检测技术等飞速发展，日新月异。反观《雷达原理》一书，虽然多次更新改版，但是其前8章内容几乎没变，只是对其中的印刷错误加以修改，并增加了第9章的高分辨雷达。这些改动不能让学员掌握目前雷达技术发展的真实现状，特别是某些章节的观点略显陈旧、个别地方表述不清。

国内多所高等院校在教授本课程时，由于学校没有雷达装备，不能掌握我军新型雷达装备的发展现状，更没有能力获取准确的雷达技术资料，因此只能按照教材上的内容教学。学生毕业后接触到实际装备，发现很多雷达装备的技术性能与课本上学到的有出入，会感觉技术上有明显的跳跃性。

由于我院具备雷达装备方面的优势，并且掌握了大量的雷达装备技术资料，且有大批雷达方面的专家教授，因此完全具备对课程教学内容进行改革的基础、条件和能力。我们可以对《雷达原理》一书的内容适当增删，结合新型雷达装备发展现状，创新性地开展雷达原理与系统课程的教学工作。

2 教学内容革新

2.1 结合装备现状，革新教学内容

(1)增加雷达发展概况研究，更新和补充《雷达原理》一书中的绪论部分。教材中本章的参考文献最新的是1999年，无法充分反映进入21世纪以来雷达装备的发展现状。此外，补充雷达发展史介绍，让学员明白雷达是如何发展而来的，为什么有这么多种类的雷达。讲述发展史时，要注意结合各个时代的政治背景。例如，由于防空袭轰炸的需要，20世纪30年代英国制造了首部雷达；由于冷战时期美苏争霸的刺激，20世纪60年代美军研制了首部高频超视距雷达，用于提前预警前苏联洲际导弹的攻击；由于越战的需要，20世纪70年代美军研制了首部探地雷达，用于探测地下的游击队地道。

(2)增设《雷达天线》一章。我院目前开设有微波工程基础，在该课程中学员会学习到如抛物面天线、阵子天线、八木天线等一些基本的天线形式。但是，由于该课程主要目的在于学习天线的基本原理，适用于通信、无人机、雷达、制导等各个方向，因此与实际的雷达装备结合较弱，过于偏重理论。同时，它介绍的一些天线形式也较为简单，在雷达装备上很少见到。针对这一问题，我们增设《雷达天线》一章，重点介绍目前国内外雷达装备的天线技术，如相控阵天线、波导裂缝天线、平面贴片天线及其阵列技术、多波束天线等，结合雷达的技战术指标实现进行分析探讨，让学员明白不同种类天线的特点和用途。

(3)将全固态发射机的最新技术融入课程内容，结合我军多种使用固态发射机的雷达装备和大型相控阵雷达装备进行讲述。

(4)补充讲述全相参雷达脉冲调制的实现原理。

(5)研究雷达接收部分相关高频微波器件的发展现状，更新有关新型雷达装备接收机中所用的微波高频器件的知识点，如铁氧体器件、限幅器、对数放大器、超低噪声微波晶体管、场效应器件，双平衡混频器及单片MMIC器件等。

(6)将本振部分从《雷达接收机》一章中剥离，增加DDS，PLL，直接频率合成和PLDRO等内容，将其扩展为《雷达频率综合技术》，单独成章。

(7)由于新型雷达装备普遍采用光栅扫描显示器，因此研究如何扩充光栅扫描雷达显示终端的授课内容，使学员了解该种显示终端的工作原理。

(8)扩展雷达目标检测理论和雷达目标极化特性方面的分析，配合实际雷达装备进行教学。

(9)结合多种新型警戒雷达，扩展三坐标警戒雷达实现技术的知识点。

2.2 丰富教学手段，增设实验教学内容

(1)设计雷达原理课外上机操作实践环节，辅助学员了解雷达的整个工作流程，形成一个完整的雷达系统概念。检验学员对所学知识的理解、掌握程度，最好的办法就是通过实践来进行。通过操作环节的教学训练，不仅可以检验学员对所学知识的理解、掌握程度，还可以培养和锻炼学生的动手能力、操作技能、分析问题和解决问题的能力等[1]。

(2)开设教学实验。我院培养的学员，毕业后很多成为部队的装备保障技术骨干。如果他们在学校仅仅学到一些空洞的理论，将无法应付工作岗位中遇到的各类实际问题，满足不了岗位任职能力要求。通过开设雷达实验，尤其是与部队实际需求紧密结合的实验活动，可以培养学员自己动手解决各类工程实际中技术难题的勇气和信心，培养学员坚忍不拔的意志和毅力，并在这个过程中增强学员的工程意识。

3 方法措施

3.1 新型雷达装备资料搜集和整理

整理已有的新型雷达装备资料，与承研、承制单位沟通协商，掌握更多的装备发展技术现状和未来装备发展的趋势，最后建立一份较为完整的新型雷达装备资料库。资料库应该涵盖装备的主要技战术特点、与该课程内容相关的原理资料、实装图片、电路图纸等。

3.2 课程教学内容校对

教学内容校对，主要针对以下几个问题：

(1)课程哪些内容较为陈旧，滞后于目前雷达技术发展的现状。

(2)课程哪些内容囿于编写时条件限制，讲述不清，学员普遍难以理解。

(3)课程需要增添的雷达知识，这些知识在新型雷达装备中已普遍采用。

3.3 课程教学内容补充更新

根据已经掌握的新型雷达装备资料以及前期教学内容校对结果，增删相关章节的内容，补充文字材料、图片资料和电路图纸，对于较难理解的部分，设计课外实践上机环节，辅助学员消化理解雷达的基本理论，并最终形成新的教学实施方案。

3.4 实验教学内容优选

通过实验环节，培养学生综合应用知识的能力，完成从雷达原理到电路设计、电路分析、参数测试、结果分析的全过程，训练综合实验能力和动手能力，达到综合应用书本知识、深化课堂内容的教学目标，对于提高学员认知能力和专业知识的综合应用能力有着重要的作用。

鉴于实验环节在学员能力、素质培养方面的重要作用，我院正在积极筹划本课程的教学改革，下一步准备增加10～20个学时用于实验环节。根据课程教学内容需要，拟开设如下5个实验项目。

(1)增益控制实验：本实验的目的是让学员深入理解增益控制在增加雷达动态范围方面的作用。对应的教学内容涉及AGC，IAGC和STC三种增益控制方法[2]。实验系统围绕一个小型的雷达收发前端构建，再辅以不同RCS的角反射器摆放在距离雷达不同距离处，让学员直观感受：不用增益控制时，近距离强目标对远距离弱信号的遮蔽问题；使用增益控制后的改善效果。

(2)抗干扰跳频实验：本实验的目的是让学员体会雷达跳频的抗干扰方法。跳频的方式有手动跳频、随机跳频和自适应跳频三种。实验系统围绕一个具备跳频功能的雷达收发模块构建，辅助一个中心频率可调的干扰源。当干扰源工作时，学员可以选择不同的抗干扰方式，通过对三种跳频方式抗干扰效果的观察，明白各自的优劣，深入理解雷达跳频抗干扰的原理。

(3)雷达测距实验：本实验的目的是让学员明白雷达测距的实现方法，特别是调频法测距。实验系统由一套小型的线性调频连续波雷达组成，辅以简单的信号处理系统、显示系统等。实验时，学员对着某一目标照射，FMCW雷达输出一个频率差信号，信号处理经过FFT处理得到频率值，由距离—频率转换公式便可测出目标的距离，并在显示系统上显示距离值。学员可以自行利用卷尺测量实际值，验证测量的准确度，并分析误差产生的原因，提出改进的措施。

(4)多普勒效应及雷达测速实验：本实验的目的是让学员理解多普勒测速的原理，明白多普勒频率fd与速度V和波长λ之间的关系。实验系统由雷达收发前端、频谱仪组成。实验时，一名学员携带速度计量设备以某一恒定速度靠近(或远离)雷达，其他学员观察频谱仪画面，会明显看到多普勒频率；改变行进速度，发现多普勒频率大小发生变化；改变雷达的发射频率，即改变发射信号波长，重复上述实验，发现多普勒频率也会改变。将频谱仪测得的多普勒频率记录下来，带入公式fd=2V/λ，验证速度测量精度，并分析误差原因。

(5)雷达测角演示实验：雷达测角的方法有最大信号法和等信号法两种。本实验基于某小型化相控阵雷达实验系统开设。在距离雷达一定距离处放置一个辐射源，模拟目标回波。通过相控阵技术，让天线波束在搜索区域内扫描，找出回波信号最大时天线波束的指向角，即为信号源所在的角度。比较测量值与实际值的偏差，分析引起测量偏差的原因，如步进数字移相器的影响等。通过该实验，可以让学员近距离接触相控阵雷达，明白相控阵雷达的工作过程，天线波束的扫描方法以及基于最大信号法的雷达测角实现方法。