CN108152309A - 一种高温宽带弓形法反射率校准系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温宽带弓形法反射率校准系统，包括收发天线、天线姿态控制装置、T型卧式弓形架、高温装置、高温样板支架、校准板、网络分析仪、电缆转接和控制机，其中，T型卧式弓形架设置在地面上，将收发天线放置在T型卧式弓形架上，将所述校准板固定在所述高温样板支架上，通过所述天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪天线的系统误差和空间路径；使用被测样板替换所述校准板，所述高温装置安装在所述高温样板支架上，启动所述高温装置升温至预定温度，对所述被测样板进行测量。本发明的实施例提供了一种高温宽带弓形法反射率校准系统和方法，能够实现在8GHz～18GHz频段高温环境下对雷达吸波材料反射率的校准。
Description
技术领域
本发明涉及雷达吸波材料检测领域，特别是涉及一种高温宽带弓形法反射率校准系统和方法。
背景技术
隐身及反隐身技术的研究和应用是世界各国国防技术中最重要的课题之一，而发展高效的雷达吸波材料是实现雷达隐身技术的主要途径之一。反射率用来表征雷达吸波材料性能的优劣。随着隐身武器飞行速度的提高，涂敷在高速飞行器表面的雷达吸波材料工作温度急剧上升，采用雷达吸波材料常温反射率测量结果不能准确表征其实际应用时的吸波性能，因此需要开展高温环境下雷达吸波材料反射率校准技术研究。
发明内容
为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种高温宽带弓形法反射率校准系统，包括收发天线、天线姿态控制装置、T型卧式弓形架、高温装置、高温样板支架、校准板、网络分析仪、电缆转接和控制机，其中，
所述T型卧式弓形架设置在地面上，将所述收发天线放置在所述T型卧式弓形架上，将所述校准板固定在所述高温样板支架上，通过所述天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪的系统误差和空间路径；
所述高温装置安装在所述高温样板支架上，使用被测样板替换所述校准板，启动所述高温装置升温至预定温度，对所述被测样板进行测量。
进一步地，所述收发天线为X波段波纹喇叭透镜天线。
进一步地，所述T型卧式弓形架包括弓形轨道、两个T字臂和天线支架，所述T字臂设置在所述弓形轨道上，所述天线支架设置在所述T字臂上，所述T型卧式弓形架通过调节径向、纵向、圆周向以提供不同的测量半径。
进一步地，所述T字臂设置在所述弓形轨道上，移动范围为[0°,180°]，移动精度为0.1°，用于提供不同入射角度下的反射率测量。
进一步地，所述天线支架设置在所述T字臂上，调节范围为[1,2.5]米，用于提供不同频段的测量。
进一步地，所述高温装置包括：箱体支撑座、真空高温箱、加热体和测温控温组件，其中所述箱体支撑座用于调节所述高温样板支架的位置，所述真空高温箱内设置所述加热体用于加热，所述测温控温组件设置在所述电阻热板背面用于测量并控制温度。
进一步地，所述加热体为封闭式结构电阻热板，通过对所述电阻热板的内部和外部独立控制以补偿温度和调节温度均匀性。
进一步地，所述测温控温组件采用红外和热电偶进行互补测温，测温范围为[-40,1100]℃。
进一步地，所述校准系统的温度调节范围为[0,800]℃，响应频率为[8,18]GHz。
本发明第二方面提供一种高温宽带弓形法反射率校准方法，包括：
S101：将收发天线安装在T型卧式弓形架的T字臂的天线支架上，将所述校准板固定在所述高温样板支架上；
S103：通过所述天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪天线的系统误差和空间路径；
S105：使用被测样板替换所述校准板，启动高温装置升温至预定温度；
S107：设置所述网络分析仪的测试参数，对被测样板进行测量。
本发明的有益效果如下：
本发明的技术方案通过使用对传统弓形法结构进行改进的T型卧式弓形架结构，并增加高温控温装置，通过校准板对该校准系统进行校准，实现在8GHz～18GHz频段高温环境下对雷达吸波材料反射率的校准。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出现有技术中半圆形弓形架的示意图；
图2示出现有技术中“7”形弓形架的示意图；
图3示出本发明的一个实施例的T型卧式弓形架的示意图；
图4示出本发明的一个实施例的电阻热板的俯视图；
图5示出本发明的一个实施例的高温宽带弓形法反射率校准系统示意图；
图6示出本发明所述高温宽带弓形法反射率校准方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
目前在吸波材料反射率测量中，弓形法具有原理简单、易于改变入射角度、易于改变极化方式等优点，是国际上应用最广泛的吸波材料反射率的测量方法。
如图1所示，半圆型弓形架结构用于测量半径固定，不适用于频率范围覆盖多个波导波段的测量。当频率较低时，半圆型弓形架存在体积庞大、加工不理想导致半径不一致等缺点，给测量带来不便，引入误差。
如图2，“7”字结构弓形架采用“7”字测量臂结构，准确保证收发天线所在的测试臂长度一致。“7”字结构弓形架调节灵活，半径可调，易于改变入射角，并保证收发天线相对于被测样板的转角一致，具备大范围角度调整的能力。但该结构存在带载能力较差的缺点，在较低频率测量时，为了提高天线方向性指标，通常采取增大天线口径面来实现，这将增加天线体积和重量，影响“7”字结构弓形架自身的稳定性。该结构用于高温测量时，热辐射温度场在垂直向上的方向较强，易对收发装置及“7”字弓形架引入较大的形变，从而影响对吸波材料反射率测量的准确性。
针对现有的问题，本发明的一个实施例提出了一种高温宽带弓形法反射率校准系统，包括收发天线、天线姿态控制装置、T型卧式弓形架、高温样板支架、校准板、网络分析仪、电缆转接和控制机，其中，所述T型卧式弓形架设置在地面上，与所述高温样板支架对应设置，将所述收发天线放置在所述T型卧式弓形架上，将所述校准板固定在所述高温样板支架上，通过所述天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪的系统误差和空间路径；所述高温样板支架还包括高温装置，使用被测样板替换所述校准板，启动所述高温装置升温至预定温度，对所述被测样板进行测量。
如图3所示，T型卧式弓形架是在半圆型弓形架和“7”字结构弓形架结构的基础上进行的结构改进，将“7”字弓形架横置，变成“T”型卧式弓形架。T型卧式弓形架包括弓形轨道、两个T字臂和天线支架，所述T字臂设置在所述弓形轨道上，所述天线支架设置在所述T字臂上，所述T型卧式弓形架能够通过调节径向、纵向、圆周向以提供不同的测量半径。该弓形架集聚了半圆型弓形架承重大和“7”字弓形架调节灵活、半径一致的优点，T型弓形架在径向、纵向、圆周向等多维度精密调节，实现不同半径的测量需求。每个T字臂独立调节，灵活移动，每个T字臂移动范围为[0°,180°]，移动精度为0.1°，能够实现不同入射角度下反射率测量；天线支架沿径向可调节，调节范围为1米到2.5米之间，满足不同频段测量时天线远场条件的需求。
所述高温装置安装在所述高温样板支架上，所述高温装置采用开放式加热模式，包括箱体支撑座、真空高温箱、加热体和测温控温组件，其中所述箱体支撑座用于调节所述高温样板支架的位置，，所述真空高温箱内设置所述加热体用于加热，所述测温控温组件设置在所述电阻热板背面用于测量并控制温度。
真空高温箱尺寸为500mm×600mm×365mm，采用不锈钢材质制作，采用双层真空壁，内壁和外壁点接触连接。箱体内套装不锈钢材质，内部填充优质保温棉，有效隔热防护。
如图4所示，加热体采用封闭式结构电阻热板。电阻热板采用不锈钢材质、反射镜面加工工艺，上下双层结构，每层设计等间距凹槽、错落分布、镍鉻电阻丝穿过陶瓷管分布在凹槽中，如下图所示。热板尺寸为340mm×340mm×30mm，通过两种设计方法来保证热板的温度均匀性，一、通过理论设计、仿真及测试经验，调节陶瓷管内电阻丝分布，使得电阻丝在热板内分布密度不均匀而形成均匀的热量辐射场；二、热板分为两个部分，内部(150mm×150mm)和外部分布独立控制，可以根据实际测温结果实时调整每个加热部分的功率，这种独立控制设计可进一步提高热板的温度均匀性。加热时，首先同时启动两部分同时加热，到达目标温度附近，根据传感器测温结果实时调整各部分加热功率，继续补偿温度和温度均匀性调节。箱体支撑座用于固定并支撑真空高温箱，共同放置于高温样板支架上方，调节高温样板支架的位置，使其位于T型卧式弓形架的中心位置。
测温控温采用红外和热电耦互补测温方式。选择镍铬-镍硅I级K型热电偶，测温准确度为±1.5℃或者±0.4％×测量温度，测温范围-40℃～1100℃。通过仿真确定热电偶放置在电阻热板背面，距其120mm位置，热电偶传感器的测量结果用于温度反馈控制。选择MM2MH红外测温仪进行辅助测温，合理设置被测样板的发射率，进行被测样板表面温度、样板表面温度均匀性、温度平衡时间等试验。
在校准测试过程中，如图5所示，将高温箱放置在弓形架中心位置，收发天线距被测样板的距离要满足远场条件，本实施例中测量频率范围为X波段，远场距离设置为4米；天线与高温箱之间的距离要大于不损害背景吸波材料的最小安全距离，本实施例中设置为2米。为了降低环境干扰，将吸波屏风置于高温支架后50厘米处。
所述收发天线选用波纹喇叭透镜天线，是该校准系统的信号发射和接收部件；天线姿态控制装置用于调整收发天线的俯仰姿态、旋转姿态和水平姿态，并调节收发天线与被测样板的中心在垂直方向上高度一致；“T”型卧式弓形架装置用于改变收发天线的测量距离和入射角度；样板支架用于固定被测样板，具备俯仰姿态、旋转姿态和水平姿态等调节功能，并通过调节水平方向使校准板表面位于弓形架中心；网络分析仪及校准件、电缆转接等用于系统组建和测量；控制机及测量软件在整个测试系统中是控制中心，控制着网络分析仪、弓形架装置和样板支架的自动设置、测量和计算。
使用校准板进行校准，用于修正网络分析仪的系统误差、路径误差和高温误差等。校准板尺寸为320mm×320mm×5mm，将其固定在高温样板支架上，调整样板支架使校准板表面处于弓形架中心。调整收发天线的入射角度，在不同入射角度时进行网络分析仪空间路径的频响校准，将不同入射角度的校准状态存入网络分析仪中。
使用被测样板替换校准板，将被测样板固定在高温样板支架上，启动高温箱。随着温度升高，天线路径、周围环境等不可避免产生误差。达到目标温度后，调整入射角度，调入对应的校准状态，开始测量。将网络分析仪切换为时域模式，启动时域门，设置时域门参数中心点和幅度。中心点为网络分析仪当前屏幕最高峰值对应时间，幅度为包含网络分析仪当前屏幕最高峰的宽度。然后返回频域，得到反射率测量结果。如此重复可得到不同入射角度下反射率的测量结果。
本发明的另一个实施例提供了一种高温宽带弓形法反射率校准方法，如图6所示，包括：S101：将收发天线安装在T型卧式弓形架的T字臂的天线支架上，将所述校准板固定在所述高温样板支架上；S103：通过所述天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪的系统误差和空间路径；S105：使用被测样板替换所述校准板，启动高温装置升温至预定温度；S107：设置所述网络分析仪的测试参数，对被测样板进行测量。
首先将一对X波段波纹喇叭透镜天线安装在T型卧式弓形架的T字臂的天线支架上；设置T型卧式弓形架装置，入射角度范围0°～90°、角度控制精度0.1°、R径向调节范围1000mm～2500mm、R径向调节精度1.25mm，将校准板固定在高温样板支架上，所述校准板选择使用铝材、正方形，尺寸为320mm×320mm×5mm。
然后设置天线姿态装置，高度调节范围0mm～300mm、高度调节精度3μm、天线俯仰调节精度0.15°、天线旋转运动范围0°～360°、天线旋转调节精度0.15°、天线倾斜运动范围-15°～+15°、天线倾斜调节精度0.15°。设置高温样板支架，横向调节范围0mm～300mm、样板横向调节精度1μm。网络分析仪选用Keysight公司N5225A。启动测试软件，设置测试频率为8.2GHz～12.4GHz，点数为201，中频带宽30Hz，功率电平0dBm。在校准过程中调整弓形架半径为2000mm和入射角度30°，进行网络分析仪频响校准。
移除校准板，将被测样板固定在高温样板支架上。设置目标温度为800℃，启动高温箱。达到目标温度后，等待温度平衡时间约10分钟。将网络分析仪切换到时域模式，启动时域门，设置时域门参数中心点为0ns，幅度为1ns。然后返回频域，从而得到反射率测量结果。
该方法是弓形法的一种应用，其原理是保证收发天线工作在同一极化方式，以传输路径测反射的方法分别测量标准板和被测样板的反射系数，从而得到雷达吸波材料的反射率。该高温系统工作频段为8GHz～18GHz。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种高温宽带弓形法反射率校准系统，其特征在于，包括收发天线、天线姿态控制装置、T型卧式弓形架、高温装置、高温样板支架、校准板、网络分析仪、电缆转接和控制机，其中，
所述T型卧式弓形架设置在地面上，将所述收发天线放置在所述T型卧式弓形架上，将所述校准板固定在所述高温样板支架上，通过所述天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪天线的系统误差和空间路径；
所述高温装置安装在所述高温样板支架上，使用被测样板替换所述校准板，启动所述高温装置升温至预定温度，对所述被测样板进行测量。
2.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述收发天线为X波段波纹喇叭透镜天线。
3.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述T型卧式弓形架包括弓形轨道、两个T字臂和天线支架，所述T字臂设置在所述弓形轨道上，所述天线支架设置在所述T字臂上，所述T型卧式弓形架能够通过调节径向、纵向、圆周向以提供不同的测量半径。
4.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述T字臂设置在所述弓形轨道上，移动范围为[0°,180°]，移动精度为0.1°，用于提供不同入射角度下的反射率测量。
5.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述天线支架设置在所述T字臂上，调节范围为[1,2.5]米，用于提供不同频段的测量。
6.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述高温装置包括：箱体支撑座、真空高温箱、加热体和测温控温组件，其中所述箱体支撑座用于调节所述高温样板支架的位置，所述真空高温箱内设置所述加热体用于加热，所述测温控温组件设置在所述电阻热板背面用于测量并控制温度。
7.根据权利要求6所述的校准系统，其特征在于，所述加热体为封闭式结构电阻热板，通过对所述电阻热板的内部和外部独立控制以补偿温度和调节温度均匀性。
8.根据权利要求6所述的校准系统，其特征在于，所述测温控温组件采用红外和热电偶进行互补测温，测温范围为[-40,1100]℃。
9.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述校准系统的温度调节范围为[0,800]℃，响应频率为[8,18]GHz。
10.一种高温宽带弓形法反射率校准方法，其特征在于，包括：
S101：将收发天线安装在T型卧式弓形架的T字臂的天线支架上，将校准板固定在高温样板支架上；
S103：通过天线姿态控制装置调整所述收发天线的入射角度，使用所述校准板校准所述网络分析仪的系统误差和空间路径；
S105：使用被测样板替换所述校准板，启动高温装置升温至预定温度；
S107：设置所述网络分析仪的测试参数，对被测样板进行测量。
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