L型光电雷达常见故障及排除方法Word文件下载.docx
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（3）L型光电雷达常见故障分析及排除
2、阶段设计任务：
2010.11选定课题
2010.11～2011.01：
查找资料
2011.01～2011.05：
论文实际编写
3、技术和量化要求：
中心突出，语言易懂，层次清晰，论据充分
4、参考文献：
《雷达原理》，
《机载激光雷达测量技术及工程应用实践》，
《光控相控阵雷达》
摘要
光电雷达准确地说是用光电技术实现雷达效果的一种装备，里面一般是用红外和可见光探测装置来被动地发现目标，来实现雷达的部分功能，但雷达可以测距，光电雷达无法测距，只能测角，那东西从原理上来说就不是雷达，因为不发射电磁波，只是用途上和雷达部分重叠，所以叫做光电雷达。
本文主要概述光电雷达的基本工作原理以及成像原理及类型，针对基本无线电探测器的主体部件进行概要性介绍，简介光电雷达硬件及软件故障和L波段雷达故障的分析方法和解决方案.
关键词:
光电雷达;
故障树;
性能检测;
故障诊断
目录
摘要3
一、雷达的基本原理4
二、光电雷达的基本工作依据5
三、光电雷达成像原理基本介绍7
四、飞机光电雷达的工作部件14
五、光电雷达故障举例分析及注意防护15
六、L型雷达故障以及解决方法18
七、参考文献19
一、雷达的基本原理
雷达（radar）原是“无线电探测与定位”的英文缩写。
雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。
雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。
雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。
天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。
电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。
天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。
由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。
接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。
为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。
根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：
S=CT/2即目标距离=电磁波从雷达到目标的往返传播时间*光速数值的一半。
雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。
事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的频率和波长不同。
其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；
雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。
测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。
测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。
测量仰角靠窄的仰角波束测量。
根据仰角和距离就能计算出目标高度。
测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。
雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。
从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。
当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。
二、光电雷达的基本工作依据
光电雷达即光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。
光电雷达在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。
在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；
在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。
为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。
其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。
1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。
第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。
在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。
60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:
Au（锗掺金）和Ge:
Hg光电导探测器。
60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。
其工作原理和特性是内光电效应的一种。
光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。
1．光电子发射器件
光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件。
其主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小，是一种电流放大器件。
尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号；
但它结构复杂，工作电压高，体积较大。
光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合，如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。
2.光电导器件
利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件，通常叫做光敏电阻。
在可见光波段和大气透过的几个窗口，即近红外、中红外和远红外波段，都有适用的光敏电阻。
光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。
硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻；
硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻，室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0～3.5μm，峰值响应波长2.4μm左右；
锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口，其响应波长3～5μm；
碲镉汞器件的光谱响应在8～14μm，其峰值波长为10.6μm，与CO2激光器的激光波长相匹配，用于探测大气第三个窗口（8～14μm）。
三、光电雷达成像原理基本介绍
光电雷达于上世纪60年代问世，在20多年后，世界上出现了激光成像雷达的实验模型。
激光成像雷达（ImagingLightDetectionAndRanging）是激光雷达和光电成像系统相结合的产物，是光电雷达发展的第四个阶段的重要成就之一。
自80年代至今，激光成像雷达得到了发展迅速，现今的激光成像雷达可以较高精度的给出目标含有距离信息的三维图像（4D图像），甚至可以同时给出目标的姿态和滚动速度等信息，因此在军事、航空、航天、测绘等领域得到了广泛的应用。
激光成像雷达所采用的波长主要有0.9μm,1.06μm,3.8μ，10.6μm，这个波段的频率比微波高几个数量级，因此激光成像雷达的速度分辨率，测量精度、抗干扰性能是微波雷达无法比拟的。
激光成像雷达在其作用范围内，绝大多数目标均成为可分辨目标，这是激光成像雷达最显著的一个特点。
1激光成像雷达的工作原理
1.1从光电雷达到激光成像雷达前已述及，激光成像雷达是激光雷达和光电成像技术相结合的产物，因此激光雷达技术是激光成像雷达技术的重要部分。
如下图是激光成像雷达原理图：
该光电雷达是由参考振荡器，激光器，强度调制器，发射装置，接收装置，CCD阵列和视频处理7个部分组成，这些部分可以分为三个系统：
发射系统，接收系统和信息处理系统。
激光器产生的激光，并经过强度调制后由发射系发出，照射需要探测的目标，经过目标反射回来的激光含有目标信息（速度，位置，表面状况等），接收光学系统接收这部分激光信号，经过信息处理，获取信息，这就是光电雷达的原理。
1.2目标特性和大气衰减为了能使激光成像雷达成像质量满足一定的要求，要求目标对激光具有良好的反射性质，这就是目标特性，目标和背景是相对的概念，研究目标特性必然要研究背景特性。
描述目标特性的主要物理量是反射比ρ0和光谱反射比ρλ，反射比是表征目标对全谱段的反射能力，光谱反射比是表征目标对某一波长激光的反射能力。
下表列出了在波长λ=900nm时不同物体的光谱反射比：
物体
光谱反射比λ（nm）
干燥、清洁的松木（堆积）
0.94
雪
0.8~0.9
白色转石建筑
0.85
石灰石、粘土
0.75
平滑混凝土
0.24
黑橡胶（合成橡胶）
0.05
激光成像雷达激光信号的传输往往需要经过大气，大气会与激光信号相互作用，从而导致信号的畸变，此外，大气中的烟、雾、尘埃、雨点及湍流对激光信号的影响更大，因此有必要研究大气对激光信号的衰减。
对大气衰减的讨论比较复杂，依不同情况下大气的成分不同有不同的结果。
2激光成像雷达的系统方案参照不同的标准
激光成像雷达有多种分类方法，如相干探测与非相干探测激光成像雷达；
可见光，短波红外，中长波红外及长波红外激光成像雷达；
单元探测器激光扫描成像雷达与阵列非探测扫描凝视成像雷达等。
这里的系统方案，是指扫描激光像雷达和非扫描激光成像雷达这两种主要的类型。
2.1扫描激光成像雷达
扫描激光成像雷达是以激光束快速扫描目标，通过单元探测器接收各部分的回波信息，从而获取目标三维图像。
下图为一扫描激光成像雷达原理框图：
所示的扫描激光成像雷达中，扫描-探测单元是核心的组成部分。
该系统对x,y两个方向发出扫描信号，通过探测扫描信号的回波信号，经过处理器处理，最后形成图像。
将成像系统和测距、测速系统结合，就可以获得更精确的目标特性。
2.2非扫描激光成像雷达
非扫描激光成像雷达是20世纪90年代出现的，通常采用焦平面阵列器件作为光电探测器,相对于扫描激光成像雷达而言，它不需要复杂的扫描装置，其获取图像的速度、视场、可靠性均有了相当大的提高。
目前，非扫描激光成像雷达有3种不同的技术方案，分别是连续波相位法，调频连续波4D成像系统和基于焦平面阵列脉冲激光成像雷达，其中调频连续波4D成像系统又有不同的实现途径。
下面对连续波相位法进行简单介绍。
一个连续相位法非扫描激光成像雷达的组成原理图如下图：
一个连续相位法非扫描激光成像雷达的系统框图振荡器产生的信号，分别整形成正弦波和方波，正弦波对半导体激光器进行强度调制，方波对像增强器进行调制，CCD阵列上接收到的回波信号的平均值，即可获得目标的强度信息，通过检测回波信号的相位信息，可以获得目标的距离信息。
典型系统的分辨率为512×
480，作用距离达1.5KM，距离分辨率优于15.2cm，图中系统作用距离为15M，精度为0.3M。
3激光成像雷达的设计应用
3.1器件的性能要求
1）激光器
激光成像雷达的激光器是发射系统中的重要部分，要求激光器有足够大的发射功率，小发射角，良好的调制性能和高稳定性。
目前，激光成像雷达采用的激光器主要有三类：
CO2激光器、二极管泵浦固体激光器和二极管激光器。
2）发射光学系统
发射光学系统的作用是对激光器发出的激光束加以控制，使之符合系统要求。
设光束的发散立体角为Ω，孔径面积为A，通过光束转换系统转换为发散立体角为Ω′，孔径面积为A′的光束，则有下式成立ΩA=Ω′A′发射光学系统典型的形式有同心球面光学系统、柱面形透镜系统和变波束透镜系统。
3）接收光学系统
接收光学系统的设计要求能够有效的汇聚散射的激光能量，要求成像质量、位置精度等符合要求。
有时，为了探测微弱信号，需要大孔径的系统。
4）光电探测系统
光电探测有两种方式——直接探测和相干探测，直接探测是一种简单而实用的方法，相干探测系统比较复杂，但可以探测到微弱的信号，对长距离探测适用。
5）信号处理系统
对探测到的信号处理，提取有用的信息，是信号处理系统的主要内容。
信号处理往往需要结合电子电路，计算机来进行数据处理。
3.2激光成像雷达试验板
各个系统部件描述如下图：
①激光器——激光器采用的波长是532nm，重复频率是12kHz。
激光束的波形调制成与探测器阵列的视场相匹配。
②光学系统——由扩束器，耦合器，缩放透镜和干涉滤波片组成。
③扫描系统——由可以向两个方向移动的椭圆镜组成。
光学编码器提供椭圆镜的位置信息。
④电子控制单元——包括激光时钟控制，运动控制，探测器控制和信息读出，实时数据传输和控制，仪器管理和能量输出。
试验板是由铝制成的，用于实验室和场地测试，总质量约为8KG，预计后期质量可以减少25%，并且体积更小。
3.3光学设计
接收端的光学设备采用能够在1m和无穷远的距离成像的光学透镜组，并且能够覆盖整个探测器区域，透镜组的孔径为50mm，干涉滤波片的带宽为1nm，起着抑制背景噪声的作用。
3.4探测器和电子控制单元设计
探测器由单光子硅雪崩二极管（SiSinglePhotonAvalancheDiodes，SPAD）组成，其在532nm处性能良好。
电子控制单元有好几个部分组成，主要数据流经过PC的堆栈，主要部分是探测器电子单元和实时处理电子单元（RTDP），探测器电子单元控制探测器阵列并形成飞行时间数据。
RTDP清空，并把使用DSP（离散时间处理）芯片及内存将数据打包传送到GNC（制导、导航和控制）计算机，以便实时得出飞船姿态和速度的信息。
3.5机械和扫描装置设计及其他
机械和扫描装置如下图所示
使用一个有两个轴的椭圆镜。
绕X和Y轴旋转时可以进行扫描。
机械扫描装置和扫描样式数据处理采用超分辨率网格（SRG）的理念。
四、飞机光电雷达的工作部件
飞机光电雷达主要用于搜索、发现、截获和自动跟踪空中目标,为攻击目标提供参考信息.如图所示,光电雷达由光电组件、电源组件、校准组件和主计算机4个功能独立的部分组成.其中核心部分是光电组件,它包括光学机械部件、气源部件、36E电子设备和激光测距部件.电子部件36E的主要功能是接收外部传感器信息,并进行一系列的处理,最后发出控制和显示信息.它包括信息处理装置、逻辑装置、码-压和压-码转换装置、脉码转换装置、匹配装置等,由大量的电路板和接插件组成,故障发生率高,是光电雷达检修的重点诊断对象。
五、光电雷达故障举例分析及注意防护
1 故障举例
1.1 粗同步机故障
雷达天线仰角出现显示数据与实际仰角位置不符、并且数据显示混乱的现象,检查中发现是主控箱的俯仰轴角板的单片机已烧焦,更换俯仰轴角板一天后又出现同样现象,进一步检查后发现,雷达的仰角有时显示大于90度,数据超出常规且不稳定,于是采取了以下检查方法:
（1）检查同步机:
查电路图精同步机的输出端接到俯仰轴角板的7、8、9脚、粗同步机的输出端接到俯仰轴角板的10、11、12脚连接没问题。
用万用表测量7、8、9此三脚之间和10、11、12三脚的电阻均正常,再检查7、8、9和10、11、12脚之间的电压和4—5脚之间的电压也正常。
（2）检查粗、精同步机的输出波形,从俯仰轴角板上的模数转换模块M1的S1、S2、S3脚测量波形,测量显示M1的S1、S2、S3正常,而M2的S1、S2、S3脚的显示波形是仰角数字跳变,波形不正常,同步机的定子绕组没有断落和短路,因此,可以基本确定故障出现在同步机的转子和碳刷上。
换上同步机,雷达恢复正常。
1.2 方位柔轮破裂
雷达开机后,天线仰角显示及俯、仰模块正常,而方位角不动,在天控置手动时,扳动内控盒上的操作手柄,驱动箱立即出现报警，只要不动操作手柄,转动方位。
雷达就处于正常状态,说明故障是在天线座内,打开方位驱动舱和方位同步舱,把方位电机与减速箱分离,开机后,电机转动正常,说明电机没问题,取下减速箱,用汽油清洗时,发现方位柔轮有一个1公分的裂纹,就是这点裂纹造成齿轮不吻合而卡死转轮。
确定故障后,更换柔轮,雷达正常工作。
1.3汇流环积碳垢
观测中仰角断断续续卡死,有时1分钟卡死多次,需要重新启动驱动箱开关才行。
检查了所有电缆插头、插座和线路,故障现象依旧。
最后打开天线座,发现是汇流环由于空气湿度大,刷架与汇流环之间摩擦产生的碳粉不能自然掉落,经过一段时间后在汇流环上产生碳垢,造成天线转到结碳的地方时接触不良,从而导致仰角驱动器产生故障。
问题找到后,将刷架卸下,用酒精进行清洗,故障立即消除。
2注意防护
雷达在实际使用过程中可能会因为不同地区、不同气候、不同的工作条件出现各式各样的故障,但如果有一个正确的检修思路和方法,一般故障是可以发现或排除的。
2.3 雨水
这是一个很容易被忽视的问题。
GTS数字探空仪纸盒盖凹陷,两边各有一条小缝;
T、U传感器插头从纸盒盖经保温盒与盒盖之间的缝隙中间穿过,与智能转换器上的插座相连。
雨水很容易上述三个地方渗入到发射机与智能器保温盒盖内,引起发射机或智能器短路而突失。
所以雨天装配仪器时要用透明胶布把发射机转换器保温盒与盒盖之间的缝隙贴紧。
若遇暴雨,可适当推迟放球时间,待雨小后再施放。
2.4 气球升速
通常情况下,气球升速在330m·
min-1左右容易获得高度,但雷雨天气要加大气球升速,如果升速过慢,GTS数字探空仪经过对流层受颠簸的时间就长,突失的概率就增大;
反之,GTS数字探空仪如果快速穿过对流层,突失的概率就减小。
因此,充灌气球前应根据天气变化确定充气量,一般弱降水充1400g,强降水充1700g为宜。
5 雷电
雷电会直接把GTS数字探空仪损坏造成突失,由于在探空仪上安装避雷设施又不现实,因此遇雷电天气应适当推迟放球时间,避免探空仪直接遭雷击。
总之,要避免GTS数字探空仪在雷雨天气下突失,从上述几方个入手是比较有效的,更有效的措施还有待于厂家、用户进一步探索这方面的经验,使L波段雷达系统和GTS数字探空仪越用越好。
六、L型雷达故障以及解决方法
1整机不能加电
1.1电源开关自锁失灵,更换相应开关
1.2保险丝烧断,说明有短路现象,应检查各开关、变压器是否损坏和短路,排
除后更换保险丝。
2发射机电流无指示
2.1发射电流开关忘打开
2.2调制器内高压电容击穿,更换高压电容。
2.3俯仰轴插板没有送出发射高压指令,更换插板
3示波器在某位置无斜距亮线
重新开机一次即可
4天线能作仰角转动,而不能作方位转动
4.1方位电机坏,更换电机
4.2方位柔轮破裂
4.3限位开关损坏,更换开关
5方位角或仰角显示乱跳
相应同步机三相绕组有一组断线或接触不良,电阻、电压值异常。
同步机损坏更换同步机
6仰角驱动器常报警
天线座内汇流环结碳垢,将刷架卸下,用酒精清洗刷架和汇流环便可
7观测中报警灯亮
7.1回波没有跟踪上
7.2气压码有飞点,造成气高不正确
7.3地面瞬间气压输入错误
8探空信号时有时无
可能是高频和中频信号电缆插头松动,接触不好,重新紧固插头,雷达即可正常使用
七、参考文献
（1）光电雷达部件诊断方法研究朱大奇于盛林
（3）激光成像雷达介绍桑峰
（4）数字探空仪工作原理和使用方法上海无线电二十三厂
（5）王蔚然,袁方,吉家成.激光成像雷达多媒体系统设计
（6）刘颂豪，光子学技术与应用.广东:
广东科学出版社
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