摘 要： 定向灵敏度是单脉冲雷达最重要的技术指标之一，定向灵敏度不稳定会对雷达的跟踪造成严重的影响。以某单脉冲雷达为例，分析引起定向灵敏度不稳定的原因，同时给出定向灵敏度不稳定时的调整方法。
关键词： 雷达；定向灵敏度；故障；分析；调整
0 引言
定向灵敏度是雷达最重要的技术指标之一，它的性能好坏直接影响雷达的跟踪和测量精度，甚至会造成雷达丢失目标。我部某单脉冲雷达已连续使用十年，在近期执行任务过程中先后出现了无法跟踪目标和跟踪不稳定现象，同时事后数据处理结果显示雷达的测量误差超出技术指标2～3倍。经过详细的检查，最后定位是雷达的定向灵敏度不稳定故障。通过不断观察，总结出了一套有效的定向灵敏度调整方法。从实际使用效果看，本方法具有针对性强、操作简单等优点。
1 雷达定向灵敏度的基本概念
1.1 雷达定向灵敏度的定义
雷达定向灵敏度是指雷达波束中心偏离跟踪目标一个单位角度（通常取1密位）时雷达接收机输出角误差电压（伏）的大小，一般以伏/密位形式表示。图1为跟踪雷达的误差特性曲线。其中，ΔU为接收机输出的角误差电压，ΔQ为天线偏离目标的角度，O为天线电零点方，定向灵敏度即是该曲线零点附近的斜率。
1.2 雷达定向灵敏度的技术指标
雷达定向灵敏度性能，通常用以下三个技术指标来描述：稳定性、线性范围和对称性。稳定性指定向灵敏度在一定时间范围内应具有较好的一致性，在整个工作时间内其定向灵敏度不能有明显的变化；雷达接收机输出的角误差电压与雷达波束中心偏离跟踪目标的角度具有线性关系的某个特定区间称为定向灵敏度的线性范围；对称性是指当雷达波束中心从两个相反方向偏离跟踪目标相同的角度时，接收机输出角误差电压的大小应该相等，极性相反。即接收机输出角误差电压的大小，只与雷达波束中心偏离跟踪目标角度大小有关，而与偏离方向、雷达相对跟踪目标的距离远近、目标反射面积的大小等无关。
2 定向灵敏度变化对雷达性能的影响
对于任何一部雷达，其定向灵敏度应该具有较好的稳定性、对称性以及合适的线性范围，否则就会对雷达的性能造成影响，轻则跟踪不稳定、测量精度下降，重则无法正常跟踪目标。
2.1 定向灵敏度偏大
如果雷达定向灵敏度超出设计指标，会造成雷达伺服系统工作不稳定，引起雷达天线抖动甚至飞车，造成雷达跟踪不稳定或不能正常跟踪。
2.2 定向灵敏度偏小
如果雷达定向灵敏度过低，会增加雷达的动态滞后误差，跟踪高速飞行目标时雷达可能因为滞后误差过大而丢失目标。
2.3 定向灵敏度不稳定
定向灵敏度不稳定会造成雷达跟踪过程不稳定，引起测角的随机误差偏大。
2.4 定向灵敏度对称性不好
当雷达波束中心从不同角度偏离跟踪目标相同角度时，接收机输出的角误差电压不再相等，会造成雷达天线抖动甚至丢失目标。
2.5 定向灵敏度线性范围变小
定向灵敏度线性范围变小会造成雷达角度跟踪不稳定，测角随机误差变大，严重时造成天线抖动甚至丢失目标。
3 影响雷达定向灵敏度性能的因素
我部某雷达为典型三通道单脉冲精密测量雷达，自投入使用以来一直状态良好工作稳定。但在近期执行测量任务过程中，不断出现跟踪不稳定、测量误差超差等问题。在故障排查过程中，发现雷达的定向灵敏度出现异常：定向灵敏度时大时小，有时甚至为零，同时定向灵敏度的线性范围变小、对称性变差。经过反复观察，排除了其它分系统的影响，最后定位引起雷达跟踪不稳定、测量误差超差等问题的原因是该雷达的定向灵敏度不稳定。影响雷达定向灵敏度的因素较为复杂，如雷达天线方向图的变化、接收机高频相移和中频相移的不平衡、接收机通道增益的不平衡，以及角度归一化不正常等都会对雷达的定向灵敏度产生影响。限于篇幅，这里只介绍影响雷达定向灵敏度的几个主要因素。
3.1 高频相移不平衡
高频相移τ的存在，会影响差波瓣的零值深度，也就是说天线的方向图发生了变。因此直接影响定向灵敏度。当τ＝0时，差信号与和信号之间的相位差η为0或π值。当目标偏离角θ＞0时，η=0；当时θ＜0，η=π。如果高频加减器以前存在相移τ，那么差信号既不与和信号同相又不是反向，而是介于0和π之间的一个值。但一般来说，只要天线装配完成以后经测试方向图满足指标要求，在后期一般不会出现变化，除非是馈源和极化器发生变化。
3.2 高频增益的影响
高频增益故障会引起和、差三路一致性不好，进而影响雷达的定向灵敏度，造成定向灵敏度大小变化或对称性变差。
3.3 中频相移的影响
和高频相移不平衡对定向灵敏度的影响类似，中频相移的变化会影响接收机中频的差信号零点，使定向灵敏度的对称性变差。
3.4 中频增益的影响
中频增益影响定向灵敏度的大小，中频增益过大或过小会引起定向灵敏度过大或过小，中频增益不稳定性会造成定向灵敏度不稳定和线性范围变小。
3.5 AGC回路的影响
我部某雷达接收机为三通道自动增益控制接收机，在该体制接收机中AGC回路除了起到扩大接收机的动态范围外，还实现雷达的角误差归一化。因此，AGC回路若出现故障就会使接收机中频增益不稳定，同时影响雷达的角误差归一化，进而引起定向灵敏度不稳定、对称性变差。
3.6 误差选通波门的影响
误差选通波门是将差支路（方位、俯仰）输出的误差信号进行采样保持变为直流电压，然后送给伺服分系统作为驱动天线的控制信号。正常要求误差选通波门下降沿对准误差信号的顶部。如果误差选通波门偏离差信号会造成定向灵敏度偏小甚至为零，如果误差选通波门在时间轴上前后漂移，则会造成定向灵敏度的不稳定。
4 某单脉冲雷达定向灵敏度不稳定故障原因分析
根据某单脉冲雷达的组成和工作原理，我们对引起该雷达定向灵敏度不稳定的原因进行了如下的分析和排查：
1）高频相移的影响。用矢量网络分析仪对该雷达高频馈线网络进行检测，结果显示高频通道三路相位差正常，不存在相移不平衡的现象，因此排除了高频相移的影响。
2）高频增益的影响。用示波器观察高频箱输出的三路中频信号，结果显示三路信号一致性良好，不存在增益不平衡现象，因此排除了高频增益的影响。
3）中频相移的影响。在进行雷达定向灵敏度标校时，发现方位支路和俯仰支路均存在不同程度的电跟踪零点漂移，定向灵敏度的对称性变差、线性范围变小，证明中频通道存在相移不平衡现象。
4）中频增益的影响。将雷达天线中心在方位和俯仰上各偏离标校塔2密位，然后用示波器观察中频接收机输出的方位和俯仰两路差信号，结果显示两路差信号幅度相对稳定，排除了中频的影响。
5）AGC回路的影响。用高频信号源产生高频信号直接输入到雷达接收机，雷达距离跟踪信号源产生的信号，然后手动改变信号源输出信号的功率，观察雷达的AGC控制是否连续且与信号源输出信号功率变化一致。测试结果显示，雷达的AGC回路工作正常。
6）误差选通波门的影响。将雷达天线中心在方位和俯仰上各偏离标校塔2密位，用示波器同时观察方位误差信号与方位误差信号选通波门的相对关系、俯仰误差信号与俯仰误差信选通波门之间的相对关系。测试结果显示，方位误差信号选通波门和俯仰误差信选通波门均出现时间漂移，选通波门下降沿与误差信号顶部不再稳定对齐，因此造成雷达定向灵敏度的不稳定。
经过一系列的测试，确定影响该雷达定向灵敏度不稳定的原因是中频相移不平衡和误差选通波门漂移。
5 雷达定向灵敏度的调整
通过上面的分析，确定了引起该雷达定向灵敏度不稳定的原因。针对这两个原因，我们对雷达进行了以下的调整，使雷达的定向灵敏度恢复了正常。
1）调整差支路的增益。
将天线对准标校塔，然后天线方位、府仰各偏离塔信源1密位，用示波器观察误差信号，调整差通道的增益使误差信号幅度到0.5V。
2）调整中频差支路的工作零点。
首先将天线对准标校塔，雷达跟踪塔信源信号，用示波器观察差信号，调整方位和俯仰差支路板上的精密电位器RP4使差信号幅度为零。其次，将方位（或府仰）支路锁定，府仰（或方位）支路偏离塔信源信号，打开90度移相电缆观察府仰（或方位）支路误差输出是否为零，若不为零调整府仰（或方位）支路RP1使误差输出为零。再反向偏开2密位，重复以上调整过程，使天线朝正向和反向偏开相同的角度时差支路输出角误差电压大小相等、符号相反，雷达跟踪标校塔信号时方位、俯仰支路输出的误差电压基本为零。
3）调整误差选通波门。
考虑到误差选通波门调整电位器的磨损，首先更换误差电路板上的误差选通波门调整电位器。然后用示波器监测方位误差信号和选通波门、俯仰误差信号和选通波门之间的对应关系，调整对应差通道的误差选通波门，使选通波门下降沿对准误差信号顶部。
通过调整，该雷达定向灵敏度恢复了正常，雷达的测量精度也满足了技术指标要求。
6 结束语
本文通过对某单脉冲雷达定向灵敏度不稳定故障原因的分析，介绍了定向灵敏度故障对雷达性能的影响和影响雷达定向灵敏度的主要因素，同时介绍了雷达出现定向灵敏度不稳定故障时的调整方法，对从事雷达相关专业的技术人员来说，具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]（美）Merrill I.Skolnik主编，雷达手册（第二版）[M].王军、林强等译，北京：电子工业出版社，2004.
[2]王德纯、丁家会、程望东等，精密跟踪测量雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
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