天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

天線是雷達(dá)的重要組成部分，天線方向圖的測(cè)試在雷達(dá)性能測(cè)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(cè)量，數(shù)據(jù)的錄取、方向圖的繪制以及參數(shù)的計(jì)算都是手工方式，操作復(fù)雜，工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，精度低。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，天線方向圖自動(dòng)測(cè)試逐漸取代了手動(dòng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)錄取、數(shù)據(jù)處理以及方向圖繪制的自動(dòng)化，大大提高了測(cè)量速度和精度。本文介紹了一種雷達(dá)天線方向圖的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，分析了軟硬件結(jié)構(gòu)及原理。

1 方向圖自動(dòng)測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)配置

根據(jù)天線的互易性原理，將被測(cè)天線作為接收天線，固定的輻射天線作為發(fā)射天線，由發(fā)射天線發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線進(jìn)行接收，測(cè)出被測(cè)范圍內(nèi)不同角度處的信號(hào)電平，便可得到被測(cè)天線的方向圖[1]。

方向圖的自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量原理相同，不同的是利用電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和方向圖繪制的自動(dòng)化。圖1是某雷達(dá)天線方向圖自動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)配置。

方向圖的自動(dòng)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量時(shí)被測(cè)天線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并接收信號(hào)源通過喇叭天線發(fā)射的微波信號(hào)。接收信號(hào)送天線幅度信號(hào)采集電路，經(jīng)變換放大及A/D轉(zhuǎn)換后送給微機(jī)。天線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，天線角度信號(hào)錄取裝置將天線位置轉(zhuǎn)換成角度數(shù)字信號(hào)送給微機(jī)。這樣就可以得到測(cè)量范圍內(nèi)每一位置的幅度信號(hào)電平，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，微機(jī)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并由輸出裝置輸出計(jì)算結(jié)果。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括微機(jī)控制部分、天線幅度信號(hào)錄取裝置、天線角度信號(hào)錄取裝置和繪圖儀。組成框圖如圖2所示。

2.1 微機(jī)控制電路

微機(jī)控制電路采用51系列單片機(jī)，由CPU、程序存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和地址譯碼器等組成[2]。

2.2 天線幅度信號(hào)錄取裝置

幅度信號(hào)錄取裝置由測(cè)量放大器、采樣/保持電路s/H和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。

天線接收的微波信號(hào)送至測(cè)量放大器，對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行高頻檢波，輸出調(diào)制方波信號(hào)，然后進(jìn)行放大、檢波、濾波等處理，輸出一個(gè)幅度滿足要求、波形較好的直流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)采樣S/H后送到A/D，A/D在單片機(jī)控制下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而完成幅度信號(hào)的錄取。

測(cè)量放大器是該系統(tǒng)的信號(hào)變換放大電路，有較高的靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定的工作特性和快的響應(yīng)速度。

S/H的選取原則是：如果在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)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(hào)變化率應(yīng)滿足的關(guān)系：



式中：為信號(hào)變化率的絕對(duì)值；Vm為A/D的滿度電壓；n為A/D的位數(shù)；T為A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

A/D芯片采用AD574，其參數(shù)為：Vm=10 V，n=12，T=25μs，代入式(1)得。雷達(dá)波束的最大變化率不小于10 V/(。)，天線轉(zhuǎn)速一般不小于2 r/min，信號(hào)電壓變化率不小于：10 ×(2 × 360/60)=120 V/s，超過極限值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(zhuǎn)換速度高(25μs)等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 天線角度信號(hào)錄取裝置

天線角度信號(hào)的錄取由單片機(jī)控制軸角編碼器完成。軸角編碼器直接從天線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的同步接收機(jī)三相繞組和激勵(lì)繞組上取信號(hào)，輸出12位角度數(shù)字信號(hào)。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)，其原理見圖3。

同步機(jī)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(jī)繞組電壓的角頻率；θ為天線轉(zhuǎn)過的角度。

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(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的，φ為計(jì)數(shù)器的數(shù)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(shù)。

該信號(hào)經(jīng)相敏檢波后輸出誤差信號(hào)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(jì)數(shù)器輸出代表角度θ的數(shù)字量。

該軸角編碼器可輸出12位角度數(shù)字信號(hào)，具有很高的角度分辨力。從粗同步機(jī)上取信號(hào)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(jī)上取信號(hào)，由于粗、精轉(zhuǎn)速比為1:20，最小可分辨角可達(dá)到1.46/20=0.073密位。

采集間隔越小，測(cè)量精度越高，但最小采集間隔受天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和必要的數(shù)據(jù)處理時(shí)間的限制。本系統(tǒng)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(shè)計(jì)

3.1 軟件構(gòu)成及執(zhí)行流程

系統(tǒng)的軟件由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和方向圖參數(shù)計(jì)算及繪圖3部分組成。

信號(hào)采集程序包括幅度信號(hào)錄取程序和角度信號(hào)錄取程序，也就是A/D和軸角編碼器的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)輸出程序。采集的天線幅度信號(hào)存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；由于繪制方向圖和參數(shù)計(jì)算只需角度的變化量，不需要角度的絕對(duì)值，因此，角度數(shù)字信號(hào)不必像天線幅度信號(hào)一樣存放在存儲(chǔ)器中，而是用存儲(chǔ)器地址的后幾位來代表角度信號(hào)，即存放某一位置幅度信號(hào)的地址，就包含了該位置的角度信息。這樣處理既節(jié)省了存儲(chǔ)空問，又使數(shù)據(jù)處理大大簡(jiǎn)化。

程序執(zhí)行流程圖如圖4所示。

測(cè)量開始后，單片機(jī)根據(jù)軸角編碼器輸出的角度信號(hào)判斷天線轉(zhuǎn)過的角度是否為△α(相鄰兩數(shù)據(jù)點(diǎn)的角度間隔)，如果還沒有轉(zhuǎn)過△a，等待；如果已轉(zhuǎn)過△a,CPU發(fā)出"啟動(dòng)"A/D的指令，并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這樣，在單片機(jī)控制下，天線每轉(zhuǎn)動(dòng)△a錄取一次天線幅度信號(hào)。錄取結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、濾波處理和參數(shù)計(jì)算，最后繪制方向圖，打印方向圖參數(shù)。

天線方向圖參數(shù)包括主瓣寬度、副瓣電平和交叉點(diǎn)電平。由于天線幅度信號(hào)采用對(duì)數(shù)值，因此乘除法運(yùn)算變成了加減法運(yùn)算，使編程簡(jiǎn)化。求解3個(gè)參數(shù)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(yùn)算即可求出參數(shù)值。下面介紹數(shù)據(jù)處理程序中的測(cè)量放大器校正程序和消"毛刺"程序。

3.2 測(cè)量放大器校正程序

測(cè)量放大器是該系統(tǒng)最主要的誤差源，是一個(gè)近似的對(duì)數(shù)放大器，為了得到與輸人信號(hào)對(duì)數(shù)成正比的輸出電壓，需對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

本系統(tǒng)測(cè)量放大器的校正法是：用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出整分貝點(diǎn)校準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的測(cè)量放大器輸出電壓值，制成電壓-分貝表存人程序存儲(chǔ)器，編制查表程序可得到與整分貝點(diǎn)校正值對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，非整分貝點(diǎn)的校正值由線性插值法求出。計(jì)算公式為：

式中：i=1，2，…Y為整分貝校正值；X為對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)y的輸出電壓值。

電壓-分貝表可通過下面的實(shí)驗(yàn)獲得。實(shí)驗(yàn)配置如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a)按圖5連接電路，打開電源，使儀器正常工作。

b)將精密衰減器調(diào)至0 dB，調(diào)整信號(hào)源"衰減"旋鈕，使A/D輸出接近滿量程。

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(duì)應(yīng)的A/D輸出值。

圖6是由繪圖儀繪制的測(cè)量放大器的校準(zhǔn)曲線。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)校準(zhǔn)后，測(cè)量放大器產(chǎn)生的誤差大大降低，但仍大于0.25 dB，信號(hào)較小時(shí)誤差接近0.5 dB。誤差產(chǎn)生的原因是校準(zhǔn)時(shí)精密衰減器本身有0.1 dB的誤差，尤其是校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境(溫、濕度等)與測(cè)量時(shí)不同造成的校準(zhǔn)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(yīng)用于不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.3 消除"毛刺"程序

由于電磁環(huán)境日趨復(fù)雜、惡劣，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在很多電磁干擾。出現(xiàn)最頻繁的是脈沖干擾，在繪出的方向圖中表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)小"毛刺"。這些毛刺給數(shù)據(jù)處理帶來很大麻煩，如果不予消除，可能引起測(cè)量誤差增大、參數(shù)計(jì)算出錯(cuò)等現(xiàn)象。例如出現(xiàn)在主瓣上的"毛刺"會(huì)被誤判為副瓣，從而導(dǎo)致副瓣電平的計(jì)算出錯(cuò)。

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。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，限幅濾波法對(duì)測(cè)量中出現(xiàn)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(duì)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(rèn)為本次數(shù)據(jù)有效，保留該數(shù)據(jù)；否則，取上點(diǎn)的數(shù)值作為本次數(shù)據(jù)。即

式中：K=1，2，…；X為采集數(shù)據(jù)；Y為濾波數(shù)據(jù)。

△Y的選取至關(guān)重要，過大和過小其濾波效果都不理想，需通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得。

4 結(jié)束語

本文介紹了某雷達(dá)天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件原理。用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，不計(jì)架設(shè)和通電準(zhǔn)備時(shí)間，從信號(hào)錄取、數(shù)據(jù)處理到最后繪制方向圖、打印計(jì)算結(jié)果，整個(gè)測(cè)試過程不超過1.5 min。該系統(tǒng)具有精度高、測(cè)量速度高、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉和適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)，既適用于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量，又適合在野外工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)天線進(jìn)行在線測(cè)量。