CN106526550A - 一种毫米波辐射计测试的等效装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波辐射计测试的等效装置，该装置包括微波暗室、毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、三维测试平台、探测器输出信号采集模块、斩波轮、斩波轮控制与转速监控模块和测试平台伺服控制模块；目标干扰机的发射天线、斩波轮、介质衰减模块和毫米波辐射计探测器的接收天线在同一直线上；所述目标干扰机设置在三维测试平台上；所述测试平台伺服控制模块用于通过三维测试平台控制目标干扰机的高度、俯仰角和方位角；所述斩波轮控制与转速监控模块用于控制斩波轮转速；所述探测器输出信号采集模块用于采集探测器探测到的毫米波信号。本发明能够对毫米波辐射计进行静态与动态性能测试，降低产品的检测成本，提高测试效率。

Description

一种毫米波辐射计测试的等效装置
技术领域
本发明涉及被动毫米波测试技术，特别是一种毫米波辐射计测试的等效装置。
背景技术
毫米波在大气中传输损耗比微波更大，但是毫米波辐射计依靠高增益天线有效地抵消毫米波在大气传输中的损耗，同时毫米波高增益天线的空间分辨率更高，显示出其独特优点。基于地基、空基、天基等运载平台毫米波辐射计探测均得到迅猛的发展。
由于毫米波较高的频段和毫米波辐射计的专一性，目前并没有专用仪器对毫米波辐射计的静态性能参数进行测试。考虑到弹载毫米波探测的特殊性，即探测器需要按照末敏弹的飞行轨迹探测，毫米波辐射计的动态性能测试也没有合适的方法。虽然实际炮射系统试验可以让探测器进行动态飞行探测，但代价较高，可行性不高。高塔试验通常把毫米波交流辐射计放置在高塔转台之上模拟末敏弹探测过程，但是一般只可以做几种固定高度的探测试验，而末敏弹的实际探测是从高到低不同高度的探测过程。因此高塔试验不能很好地模拟末敏弹探测过程，而且变高度高塔试验涉及到许多人力、物力，同时也消耗大量的时间。
现有的毫米波辐射计仿真系统是通过电路控制不同的电压值来控制衰减器的衰减量，用来达到不同的衰减距离仿真探测器的目的。但是存在电压控制的精确度不高、功耗较大等缺点，衰减器的使用寿命受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种毫米波辐射计测试的等效装置。
实现本发明目的的技术方案为：一种毫米波辐射计测试的等效装置，包括微波暗室、毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、三维测试平台、探测器输出信号采集模块、斩波轮、斩波轮控制与转速监控模块和测试平台伺服控制模块；
所述毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、斩波轮和三维测试平台均设置在微波暗室内部，所述斩波轮和介质衰减模块依次设置在目标干扰机的发射天线和毫米波辐射计探测器的接收天线之间，且目标干扰机的发射天线、斩波轮、介质衰减模块和毫米波辐射计探测器的接收天线在同一直线上；所述目标干扰机设置在三维测试平台上；所述测试平台伺服控制模块用于通过三维测试平台控制目标干扰机的高度、俯仰角和方位角；所述斩波轮控制与转速监控模块用于控制斩波轮转速；所述探测器输出信号采集模块用于采集探测器探测到的毫米波信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)相比较于高塔实验和实际炮射系统测试，本发明可以节约人力和物理成本，节省时间；
(2)传统的高塔实验不能很好地模拟毫米波探测过程，而且在高塔试验中只能固定探测几个高度，实际的毫米波探测是从高到低的不同高度的探测，所以实验不具有一般性，而本发明提出的测试系统可以很好模拟整个毫米波探测过程，通过系统中的伺服控制和斩波轮控制可以精确模拟毫米波探测过程中末敏弹的运动姿态，通过对介质衰减板控制，改变介质板层数，厚度以及材料可以方便地模拟不同高度的毫米波探测；
(3)本发明的毫米波探测系统为室内测量系统，所以不会受到外界环境条件的制约，随时可以测试。
附图说明
图1为本发明的毫米波辐射计测试的等效装置原理框图。
图2为介质衰减区的结构框图。
图3为斩波轮控制与转速监控模块框图。
图4为测试平台伺服控制模块框图。
图5为探测器输出信号采集模块框图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种毫米波辐射计测试的等效装置，包括微波暗室、毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、三维测试平台、探测器输出信号采集模块、斩波轮、斩波轮控制与转速监控模块和测试平台伺服控制模块；
所述毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、斩波轮和三维测试平台均设置在微波暗室内部，所述斩波轮和介质衰减模块依次设置在目标干扰机的发射天线和毫米波辐射计探测器的接收天线之间，且目标干扰机的发射天线、斩波轮、介质衰减模块和毫米波辐射计探测器的接收天线在同一直线上；所述目标干扰机设置在三维测试平台上；所述测试平台伺服控制模块用于通过三维测试平台控制目标干扰机的高度、俯仰角和方位角；所述斩波轮控制与转速监控模块用于控制斩波轮转速；所述探测器输出信号采集模块用于采集探测器探测到的毫米波信号。
进一步的，微波暗室为圆柱形箱体，长和宽满足远场条件；微波暗室外壁由金属材质构成，内壁全部附着吸波材料。
进一步的，所述吸波材料为尖劈形状的吸波材料。
进一步的，所述吸波材料的垂直反射系数小于-60db，45度入射角时反射系数小于-50db。
进一步的，如图2所示，介质衰减模块包括圆柱形介质衰减板以及分别设置在圆柱形介质衰减板顶面和底面的单面凸透镜和单面凹透镜，干扰机的发射天线和探测器的接收天线分别放置在单面凸透镜和单面凹透镜的焦距上。
测试平台伺服控制模块包括第一嵌入式处理器、第一编码器、第一限位开关和第一步进电机驱动模块；
所述第一编码器和第一限位开关用于控制干扰机的高度、俯仰角和方位角范围；所述第一步进电机驱动模块用于驱动三维测试平台电机转动；所述第一嵌入式处理器用于控制第一编码器、第一限位开关和第一步进电机驱动模块工作。
斩波轮控制与转速监控模块包括第二嵌入式处理器、增量编码器、第二步进电机驱动模块、电机过流检测模块、LCD显示模块、第一串口通信模块和外部转速模式调节模块；
所述增量编码器用于测试斩波轮转速，第二步进电机驱动模块用于驱动斩波轮电机转动，电机过流检测模块用于检测斩波轮电机电流大小，所述LCD显示模块用于显示斩波轮转速，所述第一串口通信模块用于将斩波轮转速信息上传至上位机，所述外部转速模式调节模块用于手动改变斩波轮转速；所述第二嵌入式处理器用于控制增量编码器、第二步进电机驱动模块、电机过流检测模块、LCD显示模块和串口通信模块工作。
探测器输出信号采集模块包括第三嵌入式处理器、AD采样电路和第二串口通信模块；
所述AD采样电路用于采集探测器检测到的毫米波信号，第二串口通信模块用于将采集到的毫米波信号上传至上位机，所述第三嵌入式处理器用于控制AD采样电路和第二串口通信模块工作。
所述AD采样电路包括4个采样通道、比例分压电路、射级跟随器和运算电路，4个采样通道分别用于采集-10V～+10V、0～+10V、0～+5V、-5V～+5V的数据，通过比例分压电路将0～+10V和0～+5V分别用1/3和2/3的比例进行分压等比例压缩到0～3.3V，将-10V～+10V和5V～+5V等比例压缩到-3.3V～3.3V，再通过射级跟随器后经运算电路Vo＝1/2(Vi+3.3)进行极性变换，信号变为0～3.3V，其中Vi为双极性输入电压，Vo为输出电压。
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
实施例
结合图1，本实施例的一种毫米波空间衰减的等效装置，包括微波暗室、毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、三维测试平台、探测器输出信号采集模块、斩波轮、斩波轮控制与转速监控模块和测试平台伺服控制模块；其工作原理为：首先上位机发送命令控制各个模块的工作，控制斩波轮和平台伺服调整干扰机和毫米波探测器的位置关系，以确保毫米波探测器能够接受到干扰机发出的电磁波信号。通过对衰减介质板的改变可以实现不同距离下毫米波探测试验，通过毫米波探测器信号采集模块采集探测器接收到的信号上传到上位机进行处理。
微波暗室的形状为圆柱形，本实施例中尺度为长3m，直径0.6m。微波暗室外壁是由金属材质构成，内壁全部附着吸波材料，吸波材料一般为聚氨酯类泡沫塑料经过碳胶溶液浸泡后被制作成微波暗室的吸波材料。选用尖劈形状的吸波材料，当界面处于平行极化时，吸波材料性能会提高很多。若是处于垂直极化时，尖劈形吸波材料性能比角锥状提高6dB，因此选用尖劈形状的吸波材料。箱内吸波材料的阻燃性能满足NRL8093-94，DIN4012CLASSB-2标准，箱内吸波材料的垂直反射系数应小于-60db，45度入射角时应该小于-50db的要求。
结合图2，干扰机和探测器都分别放在凸透镜和凹透镜的焦距上用于电磁波传播路径的改变，从凸透镜传播出来的电磁波为平行波，然后垂直输入到介质衰减部分等效距离衰减。介质衰减板电磁波衰减部分的目的是等效电磁波在空间中的衰减，形状为圆柱形，厚度为d＝5mm，通过仿真分析和实验测试可以得到每个衰减板的等效衰减距离，多个衰减板可以叠加在一起形成多个衰减距离模拟外场试验中不同高度的毫米波辐射计的探测。
结合图3，探测器输出信号采集模块设有4通道，可以同时采集也可以选择其中某路进行采集。本实施例中系统将采集两路信号，一路为采集探测器信号，另一路为采集目标识别信号。探测器输出信号采集模块采用嵌入式系统设计，在整套系统中，实现输入信号采集，并将采集到的信号直接通过RS485传输到上位机，并在上位机上对传输过来的数据进行处理和显示。系统选用STM32F103TBU6作为信号采集传输显示模块嵌入式系统的MCU。
结合图4，斩波轮控制与转速监控模块的设计，被动毫米波探测器以4转每秒的速度旋转探测地面金属目标，在干扰机与探测器之间需要安装调制装置用来模拟毫米波探测器旋转探测，调制装置采用嵌入式系统控制直流电机带动斩波轮来实现，然后由角编码器得到转速信息通过串口上传到上位机，以此进行转速的实时控制。斩波轮控制与转速监控模块的增量编码器采用的是AJ38/6轻型化增量型编码器。编码器输出信号为A相，B相，Z相信号，采用这三路信号来计算电机的转速和转向。A，B相信号与MCU的PA8，PA9相连对应于单片机TIM1定时器通道1和通道2，Z相连接到外部中断输入上同时触发计数器进行复位。这样MCU就可以准确得到编码器输出的信息。电机驱动芯片采用NI公司的LMD18200芯片，芯片引脚2，10接入直流电机，引脚8为电流取样输出引脚，通过下拉电阻连接到PA1管脚MCU的ADC对电压进行采样实现过流监控，达到电路的过流保护的功能。芯片的3，4，5引脚分别连接单片机PB7，PB8，PB9管脚，分别控制方向，刹车和PWM。单片机通过输出PWM波控制电机的转速。LCD显示屏型号为XT022-013，显示屏通过FSCM接口和MCU相连接。
结合图5，测试平台伺服控制模块实现各方位角度的调节功能，系统中的干扰机被固定在测试转台上。PC机通过上位机软件给伺服系统发送命令，用来实现方位，俯仰以及平台高度的调节，同时将角度信息发送回上位机，以便上位机更精准地控制测试平台。因此测试平台需要实现三维方向的控制，三维测试平台用于干扰机天线近场测试和控制，测试平台控制模块实现步进、正转、反转、连续正反转、归零等功能，同时向上位机发送角度信息。
测试平台伺服控制模块包括嵌入式处理器STM32F103C8T6、编码器、限位开关和步进电机驱动。编码器为绝对式编码器系列RD42S，信号输出方式为RS485电平，所以需要电平转换，将双线差分电平输出转到单线串行电平输出。采用MAX3283芯片实现转化功能，MAX3283输出RS232电平，直接连接到MCU的串口。这样的转化电路在伺服控制板上应设计三路，分别对应于方位，俯仰以及高度信息。限位开关用于为机械设备提供限位保护，电机转到限定位置时，限位开关触点动作后产生脉冲，光耦隔离器二极管导通，带动三极管导通，经电阻上拉后通过施密特反向触发器CD40106进行信号波形的整形。系统中配置了三个电机，全部使用要有六路限位电路，各路限位信号通过整形后进行逻辑与运算，保证任何一路限位信号触发，总的限位逻辑电平都会触发，限位触发脉冲逻辑电平为低电平有效。与门逻辑芯片采用的是4_2输入与门74HC08和3_3输入与门74HC11。实现限位保护的功能。模块中采用的电机为步进电机，步进电机是利用电信号控制的同步电机，将电脉冲信号转换为角位移。电机驱动脉冲通过串口可编程振荡器LTC6904产生，同时经过计数器74HC393进行分频，LTC6904输出信号可调范围为1kHz至68MHz的方波。采用I2C串行接口和MCU连接。本实施例中采用的步进电机驱动芯片为TI公司的DRV8824。从分频计算器输出的波形经过电平转化，光耦隔离以及整形后输入电机驱动芯片控制电机的转速。

Claims (9)

1.一种毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，包括微波暗室、毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、三维测试平台、探测器输出信号采集模块、斩波轮、斩波轮控制与转速监控模块和测试平台伺服控制模块；
所述毫米波辐射计探测器、介质衰减模块、目标干扰机、斩波轮和三维测试平台均设置在微波暗室内部，所述斩波轮和介质衰减模块依次设置在目标干扰机的发射天线和毫米波辐射计探测器的接收天线之间，且目标干扰机的发射天线、斩波轮、介质衰减模块和毫米波辐射计探测器的接收天线在同一直线上；所述目标干扰机设置在三维测试平台上；所述测试平台伺服控制模块用于通过三维测试平台控制目标干扰机的高度、俯仰角和方位角；所述斩波轮控制与转速监控模块用于控制斩波轮转速；所述探测器输出信号采集模块用于采集探测器探测到的毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，微波暗室为圆柱形箱体，长和宽满足远场条件；微波暗室外壁由金属材质构成，内壁全部附着吸波材料。
3.根据权利要求2所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，所述吸波材料为尖劈形状的吸波材料。
4.根据权利要求3所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，所述吸波材料的垂直反射系数小于-60db，45度入射角时反射系数小于-50db。
5.根据权利要求1所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，介质衰减模块包括圆柱形介质衰减板以及分别设置在圆柱形介质衰减板顶面和底面的单面凸透镜和单面凹透镜，干扰机的发射天线和探测器的接收天线分别放置在单面凸透镜和单面凹透镜的焦距上。
6.根据权利要求1所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，测试平台伺服控制模块包括第一嵌入式处理器、第一编码器、第一限位开关和第一步进电机驱动模块；
所述第一编码器和第一限位开关用于控制干扰机的高度、俯仰角和方位角范围；所述第一步进电机驱动模块用于驱动三维测试平台电机转动；所述第一嵌入式处理器用于控制第一编码器、第一限位开关和第一步进电机驱动模块工作。
7.根据权利要求1所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，斩波轮控制与转速监控模块包括第二嵌入式处理器、增量编码器、第二步进电机驱动模块、电机过流检测模块、LCD显示模块、第一串口通信模块和外部转速模式调节模块；
所述增量编码器用于测试斩波轮转速，第二步进电机驱动模块用于驱动斩波轮电机转动，电机过流检测模块用于检测斩波轮电机电流大小，所述LCD显示模块用于显示斩波轮转速，所述第一串口通信模块用于将斩波轮转速信息上传至上位机，所述外部转速模式调节模块用于手动改变斩波轮转速；所述第二嵌入式处理器用于控制增量编码器、第二步进电机驱动模块、电机过流检测模块、LCD显示模块和串口通信模块工作。
8.根据权利要求1所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，探测器输出信号采集模块包括第三嵌入式处理器、AD采样电路和第二串口通信模块。
所述AD采样电路用于采集探测器检测到的毫米波信号，第二串口通信模块用于将采集到的毫米波信号上传至上位机，所述第三嵌入式处理器用于控制AD采样电路和第二串口通信模块工作。
9.根据权利要求8所述的毫米波辐射计测试的等效装置，其特征在于，所述AD采样电路包括4个采样通道、比例分压电路、射级跟随器和运算电路，4个采样通道分别用于采集-10V～+10V、0～+10V、0～+5V、-5V～+5V的数据，通过比例分压电路将0～+10V和0～+5V分别用1/3和2/3的比例进行分压等比例压缩到0～3.3V，将-10V～+10V和5V～+5V等比例压缩到-3.3V～3.3V，再通过射级跟随器后经运算电路Vo＝1/2(Vi+3.3)进行极性变换，信号变为0～3.3V，其中Vi为双极性输入电压，Vo为输出电压。
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