CN103760913B - 一种毫米波拒止系统的扫描控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的一种毫米波拒止系统的扫描控制系统包括控制单元和信号发生单元，所述控制单元包括电子车体平衡系统，用于根据测量的承载拒止系统的车体平衡状态自动调整车体平衡；控制单元控制拒止系统中电磁波发射单元的水平扫描角度范围是±90°；天线俯仰方向转动范围保持+40°至-10°的低擦地角。本发明的有益效果：本发明的毫米波拒止系统的扫描控制系统根据人体对高功率微波的感应程度、设备自身的性能以及电磁波传输特性，采用±90°快速扫描以实现全视场范围内快速控制波束指向，实现对对各类危险快速处置；低擦地角保证了50米的己方安全距离和不超过250米的作用距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于驱散、警戒、反恐及设定特定隔离区等多种用途的毫米波拒止系统，并具体设计了毫米波拒止系统的±180°扫描及低擦地角扫描方案。
背景技术
电磁波向导体内部透入时，由于能量损失而逐渐衰减为表面波幅的e-1倍的深度就是趋肤效应对导体的透入深度。波从表面进入导电媒质越深，场的幅度就越小，能量就变得越小，可以由导体尺寸与其中电磁波波长的比较来判断。毫米波(30～300GHz)在自然界中很少存在，但是动物(包括人)会在短时间内对其产生不适应感。又由于毫米波的趋肤深度小等特点，国外正在研究其生物效应并将其应用于主动拒止技术。
研究表明，毫米波的能量到达皮肤并趋肤于3.2mm深度，如同太阳中红外辐射能量一样，造成皮肤表面温度升高，并使位于毫米波波束照射下的表皮下层(3.2mm)的神经传感器强烈反应，但皮肤不被灼伤。皮肤下的神经末梢对热非常敏感，逐渐升高的皮肤温度引起人类伤害传感器的触发，人产生暂时的无法忍受的被加热的感受，进而产生本能的逃避反应。
根据上述原理而研发的ADS即有源拒止系统常作为军用武器系统用于阻止或减缓对方攻击。原理是通过辐射大功率无线电波在对方人员皮肤表面造成热积累，使人感到刺痛而逃离波束区域，从而使目标丧失攻击能力，是一种有源的非杀伤性武器(NonLethalWeapons，NLW)。但是现有的ADS系统由于工作模式单一，电磁波辐射方式有限，通常仅用作军事用途。并且，现有系统扫描速度较慢，精度不高，扫描范围局限。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的拒止系统扫描速度较慢，精度不高，扫描范围局限等不足，提出了一种毫米波拒止系统的扫描控制系统。
本发明的技术方案为：一种毫米波拒止系统的扫描控制系统，包括控制单元和信号发生单元，其特征在于：
所述控制单元包括电子车体平衡系统，用于根据测量的承载拒止系统的车体平衡状态自动调整车体平衡；控制单元控制拒止系统中电磁波发射单元的方位角度范围是±90°；天线俯仰方向转动范围保持+40°至-10°的低擦地角；
控制单元设置多种扫描模式，包括：根据目标定位传感器或人工定位并控制拒止系统中电磁波发射单元跟踪目标的定点模式，保持电磁波发射单元的水平方向不变通过变换俯仰角对不同距离区域周期扫描的纵扫模式，保持电磁波发射单元俯仰角不变通过变换水平朝向对不同方向区域周期扫描的横扫模式及通过协同变换电磁波发射单元的俯仰角和方向实现对特定区域周期扫描的区扫模式；信号发生单元与控制单元连接，用于存储预设的扫描信号。
进一步的，上述纵扫模式由纵扫低速模式、纵扫中速模式和纵扫高速模式组成；其中，纵扫低速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.02°为步长周期递变；纵扫中速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.05°为步长周期递变；纵扫高速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.1°为步长周期递变。
进一步的，上述横扫模式由横扫低速模式、横扫中速模式和横扫高速模式组成；其中，横扫低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.1°为步长周期递变；横扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.5°为步长周期递变；横扫高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变。
进一步的，上述区扫模式由区扫低速模式、区扫中速模式和区扫高速模式组成；其中，区扫低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.1°为步长周期递变同时俯仰角以0.05°为步长周期递变；区扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.5°为步长周期递变同时俯仰角以0.1°为步长周期递变；区扫高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变同时俯仰角以0.5°为步长周期递变。
进一步的，上述工作模式还包括搜索模式，所述搜索模式下电磁波发射单元在工作的同时俯仰角度和方位角度按一定步长周期改变。
具体的，上述搜索模式由搜索低速模式、搜索中速模式和搜索高速模式组成；其中，搜索低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.3°为步长周期递变同时俯仰角以0.1°为步长周期递变；搜索中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.8°为步长周期递变同时俯仰角以0.5°为步长周期递变；搜索高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变同时俯仰角以1°为步长周期递变。
进一步的，上述扫描模式的电磁波发射单元的俯仰角度和方位角度变换为往复式周期变换。
进一步的，以系统正前方水平线为基准线，不同扫描模式下的方位角度及俯仰角度变化范围是：
定点模式下俯仰角度调整范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-90°-+90°；
纵扫模式中纵扫低速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-10°-+10°，纵扫中速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-15°-+15°；纵扫高速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-30°-+30°；
横扫模式中：横扫低速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+5°，方位角度变换范围是-20°-+20°，横扫中速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+5°，方位角度变换范围是-45°-+45°；横扫高速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+8°，方位角度变换范围是-90°-+90°；
区扫模式中区扫低速模式下俯仰角度变换范围是-8°-+30°，方位角度变换范围是-20°-+20°，区扫中速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度变换范围是-45°-+45°；区扫高速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度变换范围是-90°-+90°。
本发明的有益效果：本发明的毫米波拒止系统的扫描控制系统根据人体对高功率微波的感应程度、设备自身的性能以及电磁波传输特性，采用±90°快速扫描以实现全视场范围内快速控制波束指向，实现对对各类危险快速处置；低擦地角保证了50米的己方安全距离和不超过250米的作用距离。
附图说明
图1为人体耐受曲线图；
图2为拒止系统不同发射功率的随距离衰减曲线图；
图3为拒止系统擦地角与作用距离之间的关系；
图4为系统车体平衡调整流程图。
具体实施方式
本发明的实施例是依据本发明原理而设计，下面结合附图和以下具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1所示为人体对电磁波的耐受曲线图示，其中横坐标表示时间(Time)，单位为秒，纵坐标表示皮肤的温度(SkinTemperature)，单位为摄氏度，自坐标原点延伸出的不同的曲线对应了不同的功率密度/强度(BeamIntensity)的情况，平行于横坐标的两条虚线分别为人体的疼痛阈值(高于该阈值会感到疼痛)和疼痛的最大耐受值，dermalnecrosis曲线为对应的皮肤坏死(Fluence)的能量密度阈值(12J/cm2)曲线。由上述关系图可以估算得出对于短时间照射(3秒)，对于小面积的暴露区域(约1cm2)，疼痛阈值大约是1.25W/cm2功率密度，对应于能量密度是3.8J/cm2，导致皮肤温升9.9°，如果超过30cm2的暴露区域，这个阈值将降低20％至1.0W/cm2。以上为本实施例的毫米波拒止系统的扫描控制系统设计的理论依据。根据上述理论，毫米波拒止系统的扫描控制系统，包括控制单元和信号发生单元，所述控制单元包括电子车体平衡系统，用于根据测量的承载拒止系统的车体平衡状态自动调整车体平衡；控制单元控制拒止系统中电磁波发射单元的方位角度范围是±90°；天线俯仰方向转动范围保持+40°至-10°的低擦地角。控制单元设置多种扫描模式，包括：根据目标定位传感器或人工定位并控制电磁波发射单元跟踪目标的定点模式，保持电磁波发射单元的水平方向不变通过变换俯仰角对不同距离区域周期扫描的纵扫模式，保持电磁波发射单元俯仰角不变通过变换水平朝向对不同方向区域周期扫描的横扫模式及通过协同变换电磁波发射单元的俯仰角和方向实现对特定区域周期扫描的区扫模式；信号发生单元与控制单元连接，用于存储预设的扫描信号。上述纵扫模式由纵扫低速模式、纵扫中速模式和纵扫高速模式组成；其中，纵扫低速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.02°为步长周期递变；纵扫中速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.05°为步长周期递变；纵扫高速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.1°为步长周期递变。上述横扫模式由横扫低速模式、横扫中速模式和横扫高速模式组成；其中，横扫低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.1°为步长周期递变；横扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.5°为步长周期递变；横扫高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变。上述区扫模式由区扫低速模式、区扫中速模式和区扫高速模式组成；其中，区扫低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.1°为步长周期递变同时俯仰角以0.05°为步长周期递变；区扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.5°为步长周期递变同时俯仰角以0.1°为步长周期递变；区扫高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变同时俯仰角以0.5°为步长周期递变。上述工作模式还包括搜索模式，所述搜索模式下电磁波发射单元在工作的同时俯仰角度和方位角度按一定步长周期改变。具体的，上述搜索模式由搜索低速模式、搜索中速模式和搜索高速模式组成；其中，搜索低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.3°为步长周期递变同时俯仰角以0.1°为步长周期递变；搜索扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.8°为步长周期递变同时俯仰角以0.5°为步长周期递变；搜索高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变同时俯仰角以1°为步长周期递变。上述扫描模式的电磁波发射单元的俯仰角度和方位角度变换为往复式周期变换。
以系统正前方水平线为基准线，不同扫描模式下的方位角度及俯仰角度变化范围如下：
定点模式下俯仰角度调整范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-90°-+90°。纵扫模式中纵扫低速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-10°-+10°，纵扫中速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-15°-+15°；纵扫高速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-30°-+30°。横扫模式中：横扫低速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+5°，方位角度变换范围是-20°-+20°，横扫中速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+5°，方位角度变换范围是-45°-+45°；横扫高速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+8°，方位角度变换范围是-90°-+90°。区扫模式中区扫低速模式下俯仰角度变换范围是-8°-+30°，方位角度变换范围是-20°-+20°，区扫中速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度变换范围是-45°-+45°；区扫高速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度变换范围是-90°-+90°。
其中的定点模式下系统始终固定照射同一目标，跟随目标移动锁定目标，适用于重点目标的拒止。纵扫模式适用于目标在沿纵向排布场景，如沿街巷、山谷排布的场景，系统扫描机构沿径向从远及近或从近及远自动扫描，拒止波束作用于狭窄区域对于向我方冲击的目标上。横扫模式适用于目标在横向排布场景，如河谷、广场等。拒止系统扫描机构沿横向从左及右或从右及左自动扫描，拒止波束作用于宽阔区域对于向我方冲击目标上。区扫模式拒止系统扫描机构沿方位、俯仰方向按规律扫描，用于设置禁区或驱散目标，适用于目标密集区域。搜索模式可用于在一定区域内搜寻目标。
以下为上述实施例对应的不同模式不同扫描速度情况下的方位角度和俯仰角度调整或变换范围或步长。
表1：
| 低扫描速度 | 中扫描速度 | 高扫描速度 | ||
| 1 | 定点模式 | 手动+自动 | 手动+自动 | 手动+自动 |
| 2 | 纵扫模式 | 俯仰0.02° | 俯仰0.05° | 俯仰0.1° |
| 3 | 横扫模式 | 方位0.1° | 方位0.5° | 方位1° |
| 4 | 区域模式 | 俯仰0.05°，方位0.1° | 俯仰0.1°，方位0.5° | 俯仰0.5°，方位1° |
| 5 | 搜索模式 | 俯仰0.1°，方位0.3° | 俯仰0.5°，方位0.8° | 俯仰1°，方位1° |
表2：
通过上述参数设置实现了在各模式下，保证系统效率更高并且能保证目标人员安全
图2所示为不同距离下的功率电磁波传输功率衰减情况，用做设备功率调整的参考数据。其中横坐标Distance表示距离，单位为米(m)；纵坐标BeamIntensity表示功率密度，单位为W/cm2。图中不同的曲线对应不同功率下距离与能量密度之间的关系。
图3是典型的作用场景：a、b、c、d和e是作用对象，D1为最大作用距离，D2为己方人员防护梯队距离，极限情况是从a目标快速对准e目标(方位跨度最大)，或从C目标到d目标(距离跨度大)；或从b目标转向C目标(距离跨度、方位跨度都大)。
采用±90°快速扫描，和全场景360°扫描功能基本一致，性能完全一致。对360°扫描系统，其扫描速度为360°/T1，T1是扫描一周时间，采用本发明最大转速为180°/T2，T2系转半周周期时间，若T1＝2T2，则两种系统的天线转台转速一致。
由于常规的车载辐射系统大多数采用汇流环实现全场景360°扫描，系统复杂，对于拒止系统的现实使用需求，98％以上场景是属于双方对峙状态，按照以载车前后方向为轴向，左右各90°扫描，基本可以控制场景；对于2％的场景采用车辆移动方式来补充。这样设计的好处就是扫描系统简单，易于控制，减少了汇流环，这对于3mm大功率系统成本和难度都非常高。
采用电子车体平衡测量和测距与成像结合方法估计目标、载车位置关系，修正初始扫描角。可以使系统工作于各类工况下，确保波束精确指向；从系统坐标图示中，载车姿态对系统的作用距离、安全距离、扫描控制准确度非常有关，所以在系统中，采用电子平衡测量装置，测量载车的高低俯仰情况，通过测距机、成像仪测量估计目标与载车的位置关系和水平关系，修正初始扫描角，实现高精度扫描控制，如图4所示。低擦地角扫描。确保系统在系统作用范围快速转动，实现己方人员安全和系统发挥作用。根据计算，在50米安全距离，和250作用距离范围内，天线俯仰方向转动范围在+40°至-10°。高精度扫描，实现精确指向。高精度的快速天线控制，确保系统一个人位的照射精度。一个人位的照射精度，取决三方面因素，一是波束宽度，这由天线辐射系统决定，第二方面是天线转动步进，第三是天线指向精度。考虑到指标要求±1个人位，考虑到小角度和天线情况，天线的指向精度不低于0.01°，俯仰方向控制精度优于±0.01°。
本实施例的原理在于：对于同样峰值功率受限的系统，意味着辐射时间长，照射能量高，对于不同的占空比，拒止系统提供的照射能量不同，对于大占空比的系统，意味着照射在目标上的功率密度高，持续时间长，对于同样扫描速度的系同，扫描步进不同，意味着波束在目标上驻留的时间不同，扫描范围不同，意味着重扫到目标的间隔时间不一样。根据以上原理，我们设计了上述拒止系统，可以很好发挥系统效率，提供性能，又不伤害目标。
具体的，假设扫描速度为Ω，扫描范围为α，目标相对于拒止系统方位角为θ，波束为Φ，则驻留在目标的时间为
T1＝Φ/θ
回扫时间为
T2＝α/Ω
系统根据目标距离(可由测距机提供)调整系统辐射功率，确保照射在目标的毫米波功率密度下，T1和T2小于伤害时间(由人耐受图所确定)。
根据高斯波束理论，存在以下关系：
其中：ω(d)是沿波前方向距反射面距离为d时波束束腰半径；I(d)是沿波前方向距反射面距离为d时的功率密度。
根据上述实施例参数，系统优选的转动时间在3秒，俯仰转动角速度20°/s，水平方向转速60°/s。为了提高系统扫描精度至±1个人位，天线的指向精度不低于0.01°，俯仰方向控制精度优于±0.01°。进一步的，系统需要按照0.01°步进，具体参见下表：
| 按0.01°步进 | 按0.02°步进 | 按0.05°步进 | |
| 1 | 229.160 | 229.160 | 229.160 |
| 2 | 226.890 | 224.666 | 218.245 |
| 3 | 224.666 | 220.344 | 208.323 |
| 4 | 222.484 | 216.186 | 199.263 |
| 5 | 220.344 | 212.181 | 190.958 |
| 6 | 218.245 | 208.323 | 183.317 |
| 7 | 216.186 | 204.602 | 176.264 |
| 8 | 214.165 | 201.011 | 169.734 |
| 9 | 212.181 | 197.545 | 163.670 |
| 10 | 210.234 | 194.196 | 158.024 |
| 11 | 208.323 | 190.958 | 152.754 |
| 12 | 206.445 | 187.827 | 147.824 |
| 13 | 204.602 | 184.796 | 143.202 |
| 14 | 202.791 | 181.862 | 138.860 |
| 15 | 201.011 | 179.020 | 134.774 |
| 16 | 199.263 | 176.264 | 130.921 |
| 17 | 197.545 | 173.593 | 127.282 |
| 18 | 195.856 | 171.001 | 123.840 |
| 19 | 194.196 | 168.485 | 120.578 |
| 20 | 192.563 | 166.043 | 117.484 |
| 21 | 190.958 | 163.670 | 114.545 |
| 22 | 189.379 | 161.364 | 111.749 |
| 23 | 187.827 | 159.121 | 109.086 |
| 24 | 186.299 | 156.941 | 106.547 |
| 25 | 184.796 | 154.819 | 104.123 |
| 26 | 183.317 | 152.754 | 101.807 |
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种毫米波拒止系统的扫描控制系统，包括控制单元和信号发生单元，其特征在于：
所述控制单元包括电子车体平衡系统，用于根据测量的承载拒止系统的车体平衡状态自动调整车体平衡；控制单元控制拒止系统中电磁波发射单元的方位角度范围是±90°；天线俯仰方向转动范围保持+40°至-10°的低擦地角；
控制单元设置多种扫描模式，包括：根据目标定位传感器或人工定位并控制拒止系统中电磁波发射单元跟踪目标的定点模式，保持电磁波发射单元的水平方向不变通过变换俯仰角对不同距离区域周期扫描的纵扫模式，保持电磁波发射单元俯仰角不变通过变换水平朝向对不同方向区域周期扫描的横扫模式及通过协同变换电磁波发射单元的俯仰角和方向实现对特定区域周期扫描的区扫模式；信号发生单元与控制单元连接，用于存储预设的扫描信号。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，纵扫模式由纵扫低速模式、纵扫中速模式和纵扫高速模式组成；其中，纵扫低速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.02°为步长周期递变；纵扫中速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.05°为步长周期递变；纵扫高速模式下电磁波发射单元的俯仰角度以0.1°为步长周期递变。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，横扫模式由横扫低速模式、横扫中速模式和横扫高速模式组成；其中，横扫低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.1°为步长周期递变；横扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.5°为步长周期递变；横扫高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，区扫模式由区扫低速模式、区扫中速模式和区扫高速模式组成；其中，区扫低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.1°为步长周期递变同时俯仰角以0.05°为步长周期递变；区扫中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.5°为步长周期递变同时俯仰角以0.1°为步长周期递变；区扫高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变同时俯仰角以0.5°为步长周期递变。
5.根据权利要求1-4之任一项权利要求所述的控制系统，其特征在于，工作模式还包括搜索模式，所述搜索模式下电磁波发射单元在工作的同时俯仰角度和方位角度按一定步长周期改变。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，搜索模式由搜索低速模式、搜索中速模式和搜索高速模式组成；其中，搜索低速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.3°为步长周期递变同时俯仰角以0.1°为步长周期递变；搜索中速模式下电磁波发射单元的方位角度以0.8°为步长周期递变同时俯仰角以0.5°为步长周期递变；搜索高速模式下电磁波发射单元的方位角度以1°为步长周期递变同时俯仰角以1°为步长周期递变。
7.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，扫描模式的电磁波发射单元的俯仰角度和方位角度变换为往复式周期变换。
8.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，以系统正前方水平线为基准线，不同扫描模式下的方位角度及俯仰角度变化范围是：
定点模式下俯仰角度调整范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-90°-+90°；
纵扫模式中纵扫低速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-10°-+10°，纵扫中速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-15°-+15°；纵扫高速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度调整范围是-30°-+30°；
横扫模式中：横扫低速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+5°，方位角度变换范围是-20°-+20°，横扫中速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+5°，方位角度变换范围是-45°-+45°；横扫高速模式下俯仰角度调整范围是-1°-+8°，方位角度变换范围是-90°-+90°；
区扫模式中区扫低速模式下俯仰角度变换范围是-8°-+30°，方位角度变换范围是-20°-+20°，区扫中速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度变换范围是-45°-+45°；区扫高速模式下俯仰角度变换范围是-10°-+30°，方位角度变换范围是-90°-+90°。
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