|
天線(xiàn)是雷達的重要組成部分，天線(xiàn)方向圖的測試在雷達性能測試中占有極其重要的位置。早期人們采用手動(dòng)法進(jìn)行方向圖測量，數據的錄取、方向圖的繪制以及參數的計算都是手工方式，操作復雜，工作量大，耗時(shí)長(cháng)，精度低。隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試逐漸取代了手動(dòng)測量，實(shí)現了信號錄取、數據處理以及方向圖繪制的自動(dòng)化，大大提高了測量速度和精度。本文介紹了一種雷達天線(xiàn)方向圖的自動(dòng)化測量系統，分析了軟硬件結構及原理。 1 方向圖自動(dòng)測試原理及實(shí)驗配置 根據天線(xiàn)的互易性原理，將被測天線(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，轉動(dòng)被測天線(xiàn)進(jìn)行接收，測出被測范圍內不同角度處的信號電平，便可得到被測天線(xiàn)的方向圖。 方向圖的自動(dòng)測量與手動(dòng)測量原理相同，不同的是利用電子和計算機技術(shù)，實(shí)現了數據采集、處理和方向圖繪制的自動(dòng)化。圖1是某雷達天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試的實(shí)驗配置。 方向圖的自動(dòng)測量屬于動(dòng)態(tài)測量。測量時(shí)被測天線(xiàn)連續轉動(dòng)，并接收信號源通過(guò)喇叭天線(xiàn)發(fā)射的微波信號。接收信號送天線(xiàn)幅度信號采集電路，經(jīng)變換放大及 A/D轉換后送給微機。天線(xiàn)轉動(dòng)的同時(shí)，天線(xiàn)角度信號錄取裝置將天線(xiàn)位置轉換成角度數字信號送給微機。這樣就可以得到測量范圍內每一位置的幅度信號電平，根據這組數據，微機就可以進(jìn)行數據處理并由輸出裝置輸出計算結果。 2 硬件電路設計 系統硬件包括微機控制部分、天線(xiàn)幅度信號錄取裝置、天線(xiàn)角度信號錄取裝置和繪圖儀。組成框圖如圖2所示。 2.1 微機控制電路 微機控制電路采用51系列單片機，由CPU、程序存儲器、外部數據存儲器和地址譯碼器等組成。 2.2 天線(xiàn)幅度信號錄取裝置 幅度信號錄取裝置由測量放大器、采樣/保持電路s/H和A/D轉換電路組成。 天線(xiàn)接收的微波信號送至測量放大器，對微波信號進(jìn)行高頻檢波，輸出調制方波信號，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。該信號經(jīng)采樣S/H后送到A/D，A/D在單片機控制下將模擬信號轉換成數字信號，并存入外部數據存儲器，從而完成幅度信號的錄取。 測量放大器是該系統的信號變換放大電路，有較高的靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍、穩定的工作特性和快的響應速度。 S/H的選取原則是：如果在A(yíng)/D轉換期間輸入信號電平的變化小于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)信號變化率應滿(mǎn)足的關(guān)系： 式中： 為信號變化率的絕對值；Vm為A/D的滿(mǎn)度電壓；n為A/D的位數；T為A/D的轉換時(shí)間。 A/D芯片采用AD574，其參數為：Vm=10 V，n=12，T=25μs，代入式(1)得 。雷達波束的最大變化率不小于10 V/(。)，天線(xiàn)轉速一般不小于2 r/min，信號電壓變化率不小于：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)、轉換速度高(25μs)等優(yōu)點(diǎn)。 2.3 天線(xiàn)角度信號錄取裝置 天線(xiàn)角度信號的錄取由單片機控制軸角編碼器完成。軸角編碼器直接從天線(xiàn)傳動(dòng)機構的同步接收機三相繞組和激勵繞組上取信號，輸出12位角度數字信號。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為同步機繞組電壓的角頻率；θ為天線(xiàn)轉過(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是正余弦函數發(fā)生器產(chǎn)生的，φ為計數器的數字量)，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。 該信號經(jīng)相敏檢波后輸出誤差信號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)可逆計數器輸出代表角度θ的數字量。 該軸角編碼器可輸出12位角度數字信號，具有很高的角度分辨力。從粗同步機上取信號時(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，從精同步機上取信號，由于粗、精轉速比為1:20，最小可分辨角可達到1.46/20=0.073密位。 采集間隔越小，測量精度越高，但最小采集間隔受天線(xiàn)轉動(dòng)速度、A/D轉換時(shí)間和必要的數據處理時(shí)間的限制。本系統采用等角度間隔采集，采集間隔為23×0.073=0.58密位。 3 軟件設計 3.1 軟件構成及執行流程 系統的軟件由信號采集、數據處理和方向圖參數計算及繪圖3部分組成。 信號采集程序包括幅度信號錄取程序和角度信號錄取程序，也就是A/D和軸角編碼器的啟動(dòng)和數據輸出程序。采集的天線(xiàn)幅度信號存入外部數據存儲器；由于繪制方向圖和參數計算只需角度的變化量，不需要角度的絕對值，因此，角度數字信號不必像天線(xiàn)幅度信號一樣存放在存儲器中，而是用存儲器地址的后幾位來(lái)代表角度信號，即存放某一位置幅度信號的地址，就包含了該位置的角度信息。這樣處理既節省了存儲空問(wèn)，又使數據處理大大簡(jiǎn)化。 程序執行流程圖如圖4所示。 測量開(kāi)始后，單片機根據軸角編碼器輸出的角度信號判斷天線(xiàn)轉過(guò)的角度是否為△α(相鄰兩數據點(diǎn)的角度間隔)，如果還沒(méi)有轉過(guò)△a，等待；如果已轉過(guò) △a,CPU發(fā)出"啟動(dòng)"A/D的指令，并將A/D轉換結果存入外部數據存儲器。這樣，在單片機控制下，天線(xiàn)每轉動(dòng)△a錄取一次天線(xiàn)幅度信號。錄取結束后，進(jìn)行數據校準、濾波處理和參數計算，最后繪制方向圖，打印方向圖參數。 天線(xiàn)方向圖參數包括主瓣寬度、副瓣電平和交叉點(diǎn)電平。由于天線(xiàn)幅度信號采用對數值，因此乘除法運算變成了加減法運算，使編程簡(jiǎn)化。求解3個(gè)參數的關(guān)鍵是求出主瓣最大值點(diǎn)、第1副瓣最大值點(diǎn)和交叉點(diǎn)，找到這些點(diǎn)后再進(jìn)行簡(jiǎn)單的加減運算即可求出參數值。下面介紹數據處理程序中的測量放大器校正程序和消" 毛刺"程序。 3.2 測量放大器校正程序 測量放大器是該系統最主要的誤差源，是一個(gè)近似的對數放大器，為了得到與輸人信號對數成正比的輸出電壓，需對其進(jìn)行校準。 本系統測量放大器的校正法是：用實(shí)驗方法測出整分貝點(diǎn)校準值對應的測量放大器輸出電壓值，制成電壓-分貝表存人程序存儲器，編制查表程序可得到與整分貝點(diǎn)校正值對應的輸出電壓值，非整分貝點(diǎn)的校正值由線(xiàn)性插值法求出。計算公式為： 式中：i=1，2，…Y為整分貝校正值；X為對應Y的輸出電壓值；y為位于yi-1與Yi之間的非整分貝校正值；x為對應y的輸出電壓值。 電壓-分貝表可通過(guò)下面的實(shí)驗獲得。實(shí)驗配置如圖5所示。 實(shí)驗步驟如下： a)按圖5連接電路，打開(kāi)電源，使儀器正常工作。 b)將精密衰減器調至0 dB，調整信號源"衰減"旋鈕，使A/D輸出接近滿(mǎn)量程。 c)增大精密衰減器的衰減量，每變化1 dB讀一次A/D輸出值，直到輸出為0。 d)以分貝值為地址(末幾位)，在EPROM中固化相對應的A/D輸出值。 圖6是由繪圖儀繪制的測量放大器的校準曲線(xiàn)。實(shí)驗表明，經(jīng)校準后，測量放大器產(chǎn)生的誤差大大降低，但仍大于0.25 dB，信號較小時(shí)誤差接近0.5 dB。誤差產(chǎn)生的原因是校準時(shí)精密衰減器本身有0.1 dB的誤差，尤其是校準時(shí)的環(huán)境(溫、濕度等)與測量時(shí)不同造成的校準誤差影響更大。因此，實(shí)際中一般制作多個(gè)分貝-電壓表，應用于不同的實(shí)驗環(huán)境。 3.3 消除"毛刺"程序 由于電磁環(huán)境日趨復雜、惡劣，測試現場(chǎng)存在很多電磁干擾。出現最頻繁的是脈沖干擾，在繪出的方向圖中表現為一個(gè)個(gè)小"毛刺"。這些毛刺給數據處理帶來(lái)很大麻煩，如果不予消除，可能引起測量誤差增大、參數計算出錯等現象。例如出現在主瓣上的"毛刺"會(huì )被誤判為副瓣，從而導致副瓣電平的計算出錯。 常用的消除"毛刺"方法有限幅濾波法、求算術(shù)平均值法、中值濾波法和一階滯后濾波法等。通過(guò)實(shí)驗驗證，限幅濾波法對測量中出現的"毛刺"的濾波效果最好。限幅濾波法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出增量絕對值，然后與兩次采樣允許的最大差值△Y進(jìn)行比較，如果不大于△Y，則認為本次數據有效，保留該數據；否則，取上點(diǎn)的數值作為本次數據。即 式中：K=1，2，…；X為采集數據；Y為濾波數據。 △Y的選取至關(guān)重要，過(guò)大和過(guò)小其濾波效果都不理想，需通過(guò)反復實(shí)驗獲得。 4 結束語(yǔ) 本文介紹了某雷達天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試系統的軟硬件原理。用該系統進(jìn)行實(shí)地測量，不計架設和通電準備時(shí)間，從信號錄取、數據處理到最后繪制方向圖、打印計算結果，整個(gè)測試過(guò)程不超過(guò)1.5 min。該系統具有精度高、測量速度高、性能穩定、價(jià)格低廉和適應環(huán)境能力強等特點(diǎn)，既適用于實(shí)驗室的測量，又適合在野外工作現場(chǎng)對天線(xiàn)進(jìn)行在線(xiàn)測量。 |
