CN103245260B - 一种引信天线远场自动测量系统的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引信天线远场自动测量系统的操作方法，该引信天线远场自动测量系统包括天线接收转台子系统、发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统，天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统相连接，其中：所述天线接收转台子系统包括方位转台、布置在方位转台上方的一维平动装置、固接在一维平动装置顶部的支架和安装在支架顶端的天线极化器。采用该方法能实现引信天线的自动测量和控制，无需人工长时间操作，测试效率大幅提升。

Description

一种引信天线远场自动测量系统的操作方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种引信天线远场自动测量系统的操作方法，可用于对引信天线主截面方向特性进行精确快速测试。

背景技术

无线电近炸引信是武器系统中一种重要的弹载控制设备，引信天线则是无线电近炸引信的“眼睛”，是飞行器天线的一个分支。它除了飞行器天线所具有的共性外，还具有一些独特的性能要求。引信天线设计是引信产品设计的关键，它将直接影响引信信号的获取。早期的引信天线主要是工作在P、L波段的电小天线，以电感加载帽天线和带状单环天线为最普遍。近些年来由于天线技术在理论和实践上的不断提高，计算机辅助设计和新型介质材料的出现，使引信天线也有了新的发展，在许多种大小口径炮弹、野战火箭弹等的无线电近炸引信中得到广泛应用。

目前对弹上引信天线的理论和设计方法的研究较多，但对于弹上引信天线实验测试方面的研究较少。引信天线的测量对它的设计、检验和生产都具有十分重要的意义。对引信天线的测量是指通过合适的测量方法和测试系统,精确地获取天线的主要电性能参数。由于引信天线方面的研究涉及到国防是高度涉密的，对引信天线实际测量方面的研究更是高度涉密，关于这方面的国外研究报道几乎没有，国内关于如何方便、精确实际测量引信特性的研究主要有以下几种：

1)国内空军导弹学院何广军、张锦华两位学者1999年12月在弹道学报发表《GNSS接收机用于防空导弹引信启动特性测量》的论文,采用GNSS接收机用于防空导弹引信启动特性的测量,给出了实验原理,并对实验中GNSS接收机的选择、使用和事后对数据的处理作了讨论。并指出,这种实验方法推广后,可用于导弹外弹道的测量。但还是不方便用于引信天线的测量。

2)上海航天局802所王万富1995年在制导与引信杂志发表《HP3852S数据采集与控制系统在引信近区目标特性测量中的应用和开发》的论文,主要介绍与探讨了用HP3852S数据采集与控制单元在引信近区目标特性测量的实际应用，该系统主要用于动目标的的近区目标特性测试，不适合于引信天线远区辐射特性的测量。

3)2002年上海航天局802所武亚君、王万富在制导与引信杂志发表《引信近场目标特性测量和仿真试验技术》的论文，提出用先进的精密测量仪器构成的RCS测量系统,能模拟各种测量体制，精密地模拟测量参数，对各种目标姿态旋转或慢速稳定的直线运动进行静态RCS测量,可更有效、更准确地获取近场目标特性。这种测量方法注重于对目标本身的散射特性进行研究,当更关心引信体制与目标特性结合在一起的情况时,则采用仿真测量的方法就更有意义。

4)2003年上海无线电设备研究所邬晓静在上海航天杂志发表《引信天线与天线罩测量技术》的论文，介绍了一种多用途天线测量系统可用于引信天线、天线罩相位特性和引信目标RCS等的测量。但是测量过程非常复杂,要求系统中的每个设备能相互协调、运行默契，不能实现引信天线大批量的自动测量。

上述这些测量技术的实施一般都要人工手动调整天线的位置，设备不易操作，且还需要时刻观测测试过程，人工的劳动强度大，容易造成工作疲劳导致误差大的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种引信天线远场自动测量系统的操作方法，以解决现有引信天线测量中需要不断手动调整天线位置、人为观察判断、费时费力、不易操作和校准误差大的问题。

本发明的技术方案：

一种引信天线远场自动测量系统的操作方法，该引信天线远场自动测量系统包括天线接收转台子系统、发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统，所述天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统相连接，且接收转台与位置控制器双向连接，发射极化器与位置控制器双向连接，发射极化器与网络分析仪单向连接；其中：所述天线接收转台子系统包括方位转台、布置在方位转台上方的一维平动装置、固接在一维平动装置顶部的支架和安装在支架顶端的天线极化器。

所述一维平动装置包括下滑座和上滑板，所述上滑板通过布置在下滑座上下两侧的滑轨与下滑座滑动连接，上滑板底部设有传动机构，下滑座左右两端安装有限位装置。

所述发射极化器子系统包括底座、固接在底座顶端的固定立柱，所述固定立柱两侧分别安装有导滑体和手动机构，所述导滑体与滑动立柱相连接，所述滑动立柱顶端安装有发射极化器。

所述计算机子系统包括控制计算机和与其分别连接的数显控制卡、GPIB卡、多轴控制卡。

上述引信天线远场自动测量系统的操作方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过预测试确定收发射子系统的功率、中频带宽、平均及平滑因子参数，以确保引信天线测试合适的动态范围；

(2)在测量系统上安装引信天线及源天线，调整引信天线和源天线对准，作为测量角的零点；

(3)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制方位轴运动，并控制接收发射子系统完成对引信天线水平面的幅度、相位数据采集；

(4)根据步骤(3)所采集的幅度、相位数据，得出该引信天线水平面最大波束指向角，由控制及数据处理软件自动控制方位轴运动，使引信天线水平面最大波束指向和源天线对准，作为Ф切割面测量角的零点；

(5)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制天线极化轴运动，并控制接收发射子系统完成对引信天线Ф切割面的幅度、相位数据采集；

(6)根据步骤(3)、(5)所采集的幅度、相位数据，由数据处理软件求出该引信天线测试面的各特性参数；

(7)在测量系统上将安装的引信天线换为标准增益天线，重复步骤(2)～(5)，由数据处理软件求出该引信天线的增益特性。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的引信天线远场自动测量系统的操作方法，其采用计算机控制的天线接收转台子系统来控制和检测引信天线，控制过程自动化程度高，无需人工反复的调整和操作；具有数据自动采集和处理能力，无需人工时刻关注整个检测过程，进一步减少了测量误差和人工劳动强度；故本发明不仅可以精确测量引信天线主截面方向特性，而且测量过程自动化程度高，不需要手动操作、人为判断，检测效率大幅提升，可进行引信天线的大批量测试。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明所用引信天线座标系统；

图3是本发明的天线接收转台子系统结构示意图；

图4是本发明中一维平动装置俯视结构示意图；

图5是本发明的发射极化器子系统结构示意图；

图6是本发明实施例中引信天线H面方向结果图；

图7是本发明实施例中引信天线E面方向结果图；

图中：1-方位转台，2-一维平动装置，3-支架，4-天线极化器，5-下滑座，6-滑轨，7-上滑板，8-传动机构，9-限位装置，10-底座，11-固定立柱，12-手动机构，13-滑动立柱，14-导滑体，15-发射极化器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述：

如图1、3所示，本发明提供的引信天线远场自动测量系统的操作方法，该引信天线远场自动测量系统包括天线接收转台子系统、发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统，所述天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统相连接，且接收转台与位置控制器双向连接，发射极化器与位置控制器双向连接，发射极化器与网络分析仪单向连接，其中：所述天线接收转台子系统包括方位转台1、布置在方位转台1上方的一维平动装置2、固接在一维平动装置2顶部的支架3和安装在支架3顶端的天线极化器4。

如图4所示，所述一维平动装置2包括下滑座5和上滑板7，所述上滑板7通过布置在下滑座5上下两侧的滑轨6与下滑座5滑动连接，上滑板7底部设有传动机构8，下滑座5左右两端安装有限位装置9；其能方便的移动调整被测天线与方位旋转轴的位置，保证检测过程的自动化及安全性能。

如图5所示，所述发射极化器子系统包括底座10、固接在底座10顶端的固定立柱11，所述固定立柱11两侧分别安装有导滑体14和手动机构12，所述导滑体14与滑动立柱13相连接，所述滑动立柱13顶端安装有发射极化器15。

如图1所示，所述计算机子系统包括控制计算机和与其分别连接的数显控制卡、GPIB卡、多轴控制卡；这些控制卡插在控制计算机的接口插槽里，分别完成实时显示各运动轴的位置信息、对发射接收子系统的设定和控制、对各运动轴的位置控制；所述的控制及数据处理软件包安装在控制计算机上，完成测试方式下对被测天线及参考天线各轴的驱动控制，并通过GPIB卡在测试状态下对幅度、相位信息的采集和存储。

引信天线的测量机理：对任意天线，其远区辐射场可表示为：

式中：F_u(θ,φ)为幅度方向图函数，ψ(θ,φ)为相位方向图函数，为自由空间相移常数，代表某一位置的极化单位矢，且是场点方向的单位矢量,是从坐标原点到远场点的距离。

在球坐标系单位矢可写如下形式:即:

用一个纯度较高的线极化辅助天线分别在极化处于水平和垂直位置时，可测得在某一截面中在每个测量θ角上天线的远场的幅相(H_A,H_P)和(V_A,V_P)，这样该截面的F_θ，F_φ可表示为：

$F_{\mathrm{\θ}}=H_A{e}^{{\mathrm{jH}}_P}=H_{A}cos\left(H_p\right)+{\mathrm{jH}}_{A}sin\left(H_P\right)---3)$

$F_{\mathrm{\φ}}=V_A{e}^{{\mathrm{jv}}_P}=V_{A}cos\left(V_p\right)+{\mathrm{jV}}_{A}sin\left(V_P\right)---4)$

根据Ludwig关于交叉极化的第三定义：当天线口径电场的主分量为E_x时，则和分别为天线辐射方向图的主极化矢量和交叉极化矢量，而当天线口径电场的主分量为E_y时，则和分别为天线辐射远场方向图的交叉极化矢量和主极化矢量。故对前一情况，主极化远场方向图和交叉极化远场方向图分别为

F_co(θ,φ)＝F_θ(θ,φ)cosφ-F_φ(θ,φ)sinφ   5)

F_cross(θ,φ)＝F_θ(θ,φ)sinφ+F_φ(θ,φ)cosφ   6)

而对后一情况，5)和6)的右端则分别为交叉极化和主极化方向图。对于计算范围内任给的φ角度对应的截面可计算出该截面远场方向图。

对每一个极化分量功率方向图可表示为：

$P_{co}\left(dB\right)=10log\frac{{\left|F_{co}\right|}^2}{377}---7)$

$P_{cross}\left(dB\right)=10log\frac{{\left|F_{cross}\right|}^2}{377}---8)$

其中，377Ω为自由空间的波阻抗，可绘出每个Ф截面内的主极化和交叉极化方向图。

引信天线增益也是一个关键参数，该系统中研究用比较法测量。测试可获得max|P_co|(dB)，再将被测天线用一个具有标准增益的与辅助天线极化一样的标准天线测试，可获得最大接收电平max P_std(dB)，这样测得该天线的增益为：

G(dBi)＝G_std+[max|P_co|(dB)-max P_std(dB)]   9)

实际该增益G为天线的部分增益，若要求天线总增益，天线最大接收电平应为主极化分量接收电平和交叉极化接收电平之和。

根据上述的测量机理来确定引信天线远场自动测量系统的操作方法，具体包括以下步骤：

(1)通过预测试确定收发射子系统的功率、中频带宽、平均及平滑因子参数，以确保引信天线测试合适的动态范围；

(2)在测量系统上安装引信天线及源天线，调整引信天线和源天线对准，作为测量角的零点；

(3)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制方位轴运动，并控制接收发射子系统完成对引信天线水平面的幅度、相位数据采集；

(4)根据步骤(3)所采集的幅度、相位数据，得出该引信天线水平面最大波束指向角，由控制及数据处理软件自动控制方位轴运动，使引信天线水平面最大波束指向和源天线对准，作为Ф切割面测量角的零点；

(5)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制天线极化轴运动，并控制接收发射子系统完成对引信天线Ф切割面的幅度、相位数据采集；

(6)根据步骤(3)、(5)所采集的幅度、相位数据，由数据处理软件求出该引信天线测试面的各特性参数；

(7)在测量系统上将安装的引信天线换为标准增益天线，重复步骤(2)～(5)，由数据处理软件求出该引信天线的增益特性。

进一步地，所述的天线接收转台子系统，如图3和图4，它是测量系统的关键部件之一，其作用是安装待测天线，精确改变天线在空间的机械指向，调整天线与转轴的相对位置。用于调节天线与方位转台转轴的位置，使被测天线的相位中心与转台的旋转轴轴心接近，且保证在方位转台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置相对稳定。支架采用空心非金属圆管粘接结构，以减少对电磁波的反射。该方位转台和天线极化器均由计算机自动控制。为防止高频及控制电缆缠绕，在方位转台1上装有汇流环和高频旋转关节(图中未画出)，在天线极化器上也安装有高频旋转关节。

所述的发射极化器子系统，用于架设发射天线，通过计算机程控来改变发射天线极化，通过手动调整发射天线的高度。发射极化器子系统由天线发射极化器和发射升降架两部分组成。发射升降架用来支撑发射极化器和发射天线，并能手动调整发射天线的高度；发射极化器上安装源天线，并通过计算机程控来改变该发射天线极化，为防止高频电缆缠绕，发射极化器上装有高频旋转关节。

所述的发射接收子系统，用于产生高频测试信号，用于对待测天线接收的场强的幅度和相位信息的显示及读取。发射接收子系统由高性能的信号收发部件-矢量网络分析仪、高频电缆和高频接插组件组成。高频电缆通过矢量网络分析的输入、输出端口分别与待测天线和源天线连接，高频接插组件作为矢量网络分析仪与高频电缆的连接件。该矢量网络分析仪除了具有高速、高精度特点外，还具备丰富的编程指令，其所有的人工操作功能都可由控制计算机程序来控制。计算机与它的通信联络由GPIB卡实现。矢量网络分析仪的各种数据信息通过该GPIB卡读入到控制计算机，控制计算机对矢量网络分析仪的各种控制也是通过该GPIB卡来实现的。在扫描测试过程中，矢量网络分析仪工作于快速单点模式。所有的测试数据由控制计算机通过GPIB卡快速读入，这些数据经过处理后，变成所需的幅度相位或实虚部数据格式。

所述的伺服驱动数显子系统，用于各位置控制轴的驱动及各运动轴的位置实时显示，其包括位置控制器和位置显示器。其中位置显示器由编码器和显示器组成；位置控制器包括伺服驱动器和伺服电机，伺服驱动器具有共振抑制和控制功能，伺服电机选用日本松下MINASA4系列数字交流伺服电机，电机可配用多种编码器，适应各种用户。

所述的计算机子系统，是测量系统的指挥中心。各运动轴在计算机子系统的统一指挥下，按照预定轨迹进行运动，同时控制矢量网络分析仪进行采样。计算机子系统包括：控制计算机、数显控制卡、GPIB卡、多轴控制卡和控制及数据处理软件，所述的这些控制卡插在工业控制计算机的接口插槽里。控制计算机通过数显控制卡在位置显示器上实时显示各运动轴的位置信息；控制计算机通过GPIB卡控制发射接收子系统并完成幅度、相位数据采集；控制计算机通过多轴控制卡向伺驱动数显子系统发位置移动指令，实现显示各运动轴的位置信息。控制及数据处理软件完成测试方式下对被测天线及参考天线各轴的驱动控制，通过GPIB卡对发射接收子系统的设定和控制及在测试状态下对幅度、相位信息的采集，存储，以及对测量所获得的辐射特性进行分析处理，并进行结果显示或打印、绘图输出。

以上五个子系统的连接关系为：天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统连接，其中接收转台与位置控制器双向连接，发射极化器与位置控制器双向连接，发射极化器与网络分析仪单向连接。

整个系统的工作原理是：控制计算机通过接口输出控制信号到伺服驱动器，分别控制被测天线的方位、极化轴以及发射天线的极化轴的转动，同时通过GPIB卡实现对矢量网络分析仪的控制，完成对被测天线的幅度、相位信号的采集；根据数据处理软件对采集的数据进行计算和处理，同时在显示器上显示。所述的控制及数据处理软件采用模块结构，操作人员只需根据菜单提示，键入所要求的相应参数，就可自动进行测量和分析计算，并可快速得到所需的高精度的测量结果。

本发明对一引信天线H面方向图、E面方向图和增益进行实际测试，测试结果为：

H面波束指向为59°，半功率波瓣宽度为7.53°，左第一副瓣电平为-23.05dB,左第一副瓣位置为45°，右第一副瓣电平为-22.64dB,左第一副瓣位置为73°，如图6；E面-6dB波束宽度为185.28°，如图7；该引信天线增益为13.53dBi，如图6、图7。

从测量图形、计算结果可以看出用本发明的测试系统可精确、快速、自动的对引信天线主截面方向特性进行测量和分析计算，可获得较好的测量结果。

Claims (1)

1.一种引信天线远场自动测量系统的操作方法，该引信天线远场自动测量系统包括天线接收转台子系统、发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统，所述天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统相连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统相连接，且接收转台与位置控制器双向连接，发射极化器与位置控制器双向连接，发射极化器与网络分析仪单向连接；其特征在于：所述天线接收转台子系统包括方位转台(1)、布置在方位转台(1)上方的一维平动装置(2)、固接在一维平动装置(2)顶部的支架(3)和安装在支架(3)顶端的天线极化器(4)；

所述一维平动装置(2)包括下滑座(5)和上滑板(7)，所述上滑板(7)通过布置在下滑座(5)上下两侧的滑轨(6)与下滑座(5)滑动连接，上滑板(7)底部设有传动机构(8)，下滑座(5)左右两端安装有限位装置(9)；

所述发射极化器子系统包括底座(10)、固接在底座(10)顶端的固定立柱(11)，所述固定立柱(11)两侧分别安装有导滑体(14)和手动机构(12)，所述导滑体(14)与滑动立柱(13)相连接，所述滑动立柱(13)顶端安装有发射极化器(15)；

所述引信天线远场自动测量系统的操作方法，具体包括以下步骤：

(1)通过预测试确定收发射子系统的功率、中频带宽、平均及平滑因子参数，以确保引信天线测试合适的动态范围；

(2)在测量系统上安装引信天线及源天线，调整引信天线和源天线对准，作为测量角的零点；

(3)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制方位轴运动，并控制接收发射子系统完成对引信天线水平面的幅度、相位数据采集；

(4)根据步骤(3)所采集的幅度、相位数据，得出该引信天线水平面最大波束指向角，由控制及数据处理软件自动控制方位轴运动，使引信天线水平面最大波束指向和源天线对准，作为Ф切割面测量角的零点；

(5)输入测试频率、测量的角度范围和测量的步进角的参数信息，由控制及数据处理软件自动控制天线极化轴运动，并控制接收发射子系统完成对引信天线Ф切割面的幅度、相位数据采集；

(6)根据步骤(3)、(5)所采集的幅度、相位数据，由数据处理软件求出该引信天线测试面的各特性参数；

(7)在测量系统上将安装的引信天线换为标准增益天线，重复步骤(2)～(5)，由数据处理软件求出该引信天线的增益特性。