雷達(dá)天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：電磁干擾 脈沖干擾

0 引 言

天線(xiàn)是雷達(dá)的重要組成部分，天線(xiàn)方向圖的測(cè)試在雷達(dá)性能測(cè)試中占有極其重要的位置。早期人們采用手動(dòng)法進(jìn)行方向圖測(cè)量，數(shù)據(jù)的錄取、方向圖的繪制以及參數(shù)的計(jì)算都是手工方式，操作復(fù)雜，工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，精度低。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測(cè)試逐漸取代了手動(dòng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)錄取、數(shù)據(jù)處理以及方向圖繪制的自動(dòng)化，大大提高了測(cè)量速度和精度。本文介紹了一種雷達(dá)天線(xiàn)方向圖的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，分析了軟硬件結(jié)構(gòu)及原理。

1 方向圖自動(dòng)測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)配置

根據(jù)天線(xiàn)的互易性原理，將被測(cè)天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)，固定的輻射天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)，由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線(xiàn)進(jìn)行接收，測(cè)出被測(cè)范圍內(nèi)不同角度處的信號(hào)電平，便可得到被測(cè)天線(xiàn)的方向圖[1]。

方向圖的自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量原理相同，不同的是利用電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和方向圖繪制的自動(dòng)化。圖1是某雷達(dá)天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)配置。

方向圖的自動(dòng)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量時(shí)被測(cè)天線(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并接收信號(hào)源通過(guò)喇叭天線(xiàn)發(fā)射的微波信號(hào)。接收信號(hào)送天線(xiàn)幅度信號(hào)采集電路，經(jīng)變換放大及 A/D轉(zhuǎn)換后送

給微機(jī)。天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，天線(xiàn)角度信號(hào)錄取裝置將天線(xiàn)位置轉(zhuǎn)換成角度數(shù)字信號(hào)送給微機(jī)。這樣就可以得到測(cè)量范圍內(nèi)每一位置的幅度信號(hào)電平，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，微機(jī)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并由輸出裝置輸出計(jì)算結(jié)果。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括微機(jī)控制部分、天線(xiàn)幅度信號(hào)錄取裝置、天線(xiàn)角度信號(hào)錄取裝置和繪圖儀。組成框圖如圖2所示。

2.1 微機(jī)控制電路

微機(jī)控制電路采用51系列單片機(jī)，由CPU、程序存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和地址譯碼器等組成[2]。

2.2 天線(xiàn)幅度信號(hào)錄取裝置

幅度信號(hào)錄取裝置由測(cè)量放大器、采樣/保持電路s/H和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。

天線(xiàn)接收的微波信號(hào)送至測(cè)量放大器，對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行高頻檢波，輸出調(diào)制方波信號(hào)，然后進(jìn)行放大、檢波、濾波等處理，輸出一個(gè)幅度滿(mǎn)足要求、波形較好的直流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)采樣S/H后送到A/D，A/D在單片機(jī)控制下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而完成幅度信號(hào)的錄取。

測(cè)量放大器是該系統(tǒng)的信號(hào)變換放大電路，有較高的靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定的工作特性和快的響應(yīng)速度。

S/H的選取原則是：如果在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)電平的變化小于1個(gè)LSB，可以不加S/H;否則，必須加S/H。下式是不加S/H時(shí)信號(hào)變化率應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系：

式中：

關(guān)系式為信號(hào)變化率的絕對(duì)值;Vm為A/D的滿(mǎn)度電壓;n為A/D的位數(shù);T為A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間。 A/D芯片采用AD574，其參數(shù)為：Vm=10 V，n=12，T=25μs，代入式(1)得

關(guān)系式。雷達(dá)波束的最大變化率不小于10 V/(。)，天線(xiàn)轉(zhuǎn)速一般不小于2 r/min，信號(hào)電壓變化率不小于：10 ×(2 × 360/60)=120 V/s，超過(guò)極限值97.7 V/s，所以必須加S/H。

AD574具有量化誤差小(2.44 mV)、動(dòng)態(tài)范圍大(72 dB)、轉(zhuǎn)換速度高(25μs)等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 天線(xiàn)角度信號(hào)錄取裝置

天線(xiàn)角度信號(hào)的錄取由單片機(jī)控制軸角編碼器完成。軸角編碼器直接從天線(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的同步接收機(jī)三相繞組和激勵(lì)繞組上取信號(hào)，輸出12位角度數(shù)字信號(hào)。與一般角度編碼器相比，它采用跟蹤型閉環(huán)回路，具有跟蹤速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，其原理見(jiàn)圖3。

同步機(jī)上三相繞組的電壓經(jīng)三相/二相變壓器得到兩相電壓V1和V2:

式中：υm為電壓幅值;ω為同步機(jī)繞組電壓的角頻率;θ為天線(xiàn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

V1和V2在正余弦乘法器中分別與cosφ和sinφ相乘(cos φ和sinφ是正余弦函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的，φ為計(jì)數(shù)器的數(shù)字量)，然后在誤差放大器中進(jìn)行相減、放大得：

式中：k為誤差放大器的放大倍數(shù)。

該信號(hào)經(jīng)相敏檢波后輸出誤差信號(hào)θ-φ，再經(jīng)積分器積分后控制壓控振蕩器使θ-φ趨于0，此時(shí)可逆計(jì)數(shù)器輸出代表角度θ的數(shù)字量。

該軸角編碼器可輸出12位角度數(shù)字信號(hào)，具有很高的角度分辨力。從粗同步機(jī)上取信號(hào)時(shí)，最小可分辨角度為：6 000/212=1.46密位。為進(jìn)一步提高分辨力，從精同步機(jī)上取信號(hào)，由于粗、精轉(zhuǎn)速比為1:20，最小可分辨角可達(dá)到1.46/20=0.073密位。

采集間隔越小，測(cè)量精度越高，但最小采集間隔受天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和必要的數(shù)據(jù)處理時(shí)間的限制。本系統(tǒng)采用等角度間隔采集，采集間隔為23×0.073=0.58密位。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件構(gòu)成及執(zhí)行流程

系統(tǒng)的軟件由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和方向圖參數(shù)計(jì)算及繪圖3部分組成。