一种基于3mm波段射频仿真系统的制作方法

本发明属于射频仿真系统领域，具体涉及一种基于3mm波段射频仿真系统。
背景技术：
：精确制导武器在现代战争中的大量使用及其所取得的战果，表明了它在现代战争中举足轻重的地位，未来战场将出现各种高技术精确制导武器的激烈较量。精确制导武器的打击精度主要依赖于导引头的制导技术，对地强杂波背景下的目标探测，更多采用八毫米，甚至三毫米导引头，满足高精度探测和成像需求。射频仿真系统可实现武器系统精确制导控制系统的半实物仿真，以及导引头及相关分机的性能测试，达到在实验室(暗室)条件下优化选择和检验精确制导控制系统参数，以及检验武器系统作战能力的目的。射频仿真系统的仿真试验可以贯穿武器系统研制的全寿命周期，包括从武器系统型号研制的方案论证开始，到系统的设计、参数选择、技术攻关、分系统性能评定、系统对接和集成、系统总体性能评定、靶场试验及外场故障分析、型号设计鉴定及定型、作战使用的指导、以及型号设计改进等全过程。因此建设三毫米波射频仿真系统实验室成为毫米波导引头研制阶段的一个重要组成部分。三毫米波射频仿真系统实验室工作频段范围为90GHz～100GHz。三毫米波射频仿真系统实验室可以实现在室内对三毫米波段导引头不同模式下的静态指标测试；能够在实验室内通过软件计算目标和导弹相对运动学关系，控制产生三毫米波的主动雷达导引头目标回波信号和战场环境下的各种干扰。导引头接收目标回波，将目标信息传递给飞控系统，三轴转台模拟导弹运动姿态，通过软件实现全系统闭环半实物仿真实验。用内场射频仿真系统试验对武器系统进行各种试验与检验，与外场试验相比具有下列优势：1)试验效费比高；2)模拟的电磁环境逼真可控；3)保密性强；4)不受气候条件的限制和外界电磁信号干扰，重复性好；5)试验结果的处理实时性强；6)能进行多方面的性能测试，获取较为全面的数据；7)使用灵活方便。技术实现要素：针对上述问题，本发明提出一种基于3mm波段射频仿真系统。实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种基于3mm波段射频仿真系统，包括目标信号模拟器、阵列馈电单元、计算机控制单元、微波暗室、安装在微波暗室内的三轴转台、设于三轴转台上的被试导引头；所述目标信号模拟器的输出端与阵列馈电单元相连；所述阵列馈电单元接收并处理目标信号模拟器输出的目标回波信号后，通过天线辐射到三轴转台上的被试导引头；所述被试导引头通过信号接口适配器将激励信号传输给目标信号模拟器；所述计算机控制单元的数据传输端与目标信号模拟器、阵列馈电单元、三轴转台、被试导引头的数据传输端相连。优选地，所述阵列馈电单元包括：顺次相连的精位控制单元、粗位控制单元、球面信号辐射阵列；所述球面信号辐射阵列包括多个信号辐射设备，各信号辐射设备包括：3mm上变频器、三个相邻的3mm辐射天线构成的三元组、三个六自由度调整装置；所述各辐射天线均安装在各六自由度调整装置上，各六自由度调整装置由计算机控制单元控制，调整各个天线的位置；各天线辐射信号的辐射方向均正对着三轴转台；所述阵列馈电单元还包括3mm变频本振馈电单元，3mm变频本振馈电单元分别与各3mm上变频器的输入端相连，用于为各3mm上变频器提供本振信号。优选地，所述精位控制单元包括功率分配器和三条输出通道，各输出通道均包括程控移相器、程控衰减器、线性功率放大器，用于进行信号的幅度和相位控制，从而控制辐射信号在三元组中的角位置。优选地，所述粗位控制单元包括三个粗位控制支路，各粗位控制支路由开关矩阵组成，所述三组开关矩阵的每个输出端口均与各信号辐射设备的三元组内的天线相连，用于选通各三元组；各粗位控制支路与精位控制单元中的三条输出通道的输出端相连。优选地，所述各3mm辐射天线口面与三轴转台回转中心上的被试导引头的连线均正交，且半径相等。优选地，所述的一种基于3mm波段射频仿真系统，还包括安装在三轴转台上的全站仪，全站仪的输出端通过转台计算机控制系统与计算机控制单元控制相连，用于测定每个天线口面的反射光标的位置，并调整天线的六自由度调整装置，使各信号辐射设备与理论值的安装误差小于±1mm。优选地，所述被试导引头将激励信号传输给信号接口适配器，信号接口适配器把信号下变到中频后通过地沟电缆将信号传输给目标信号模拟器。优选地，所述被试导引头通过信号接口适配器与目标信号模拟器相连，用于把被试导引头工作的频率转换成目标信号模拟器能够适应的频率，同时目标信号模拟器、信号接口适配器和被试导引头工作时需处于同步相参状态；被试导引头还通过仿真计算机与计算机控制单元相连，仿真计算机在实时仿真试验时，用于弹目相对运动计算、弹道仿真计算，弹道数据的坐标转换，完成计算机控制单元与被试导引头之间的通信。优选地，所述的一种基于3mm波段射频仿真系统，还包括安装在三轴转台上的校准装置，所述校准装置包括：校准高频头、顺序波束比较装置、矢量网络分析仪、用于校准的计算机；所述校准高频头由3mm接收天线和3mm下变频器组成；所述顺序波束比较装置由3mm本振产生单元、开关和放信号大器组成，接收来自阵列的射频参考信号，为校准高频头提供四路3mm本振信号，校准高频头下变频至中频的信号通过开关切换输出给矢量网络分析仪；矢量网络分析仪的数据传输端与用于校准的计算机相连，用于校准的计算机通过控制接口与顺序波束比较装置的输入端相连。优选地，所述目标信号模拟器包括1个独立的主、被动复合3mm目标模拟通道，用于产生3mm波段的主动雷达导引头目标回波信号和各种干扰信号。本发明的有益效果：(1)本发明把目标定位精度误差进行系统分析，大大提高了射频仿真系统的目标角位置精度；(2)本发明将3mm上变频器及3mm辐射天线安装于阵列球面阵上，把系统工作频率应用到90GHz～100GHz；(3)本发明中微波暗室能够实现3mm波段的屏蔽性能：40GHz～100GHz：≥70dB，3mm波段的静区反射电平40GHz～100GHz：优于-50dB；(4)本发明中，在球面阵上安装六自由度调整装置来满足每一个辐射天线的位置精度需求。在转台上安装全站仪，测定每个天线口面的反射光标的位置，并调整每个天线的六自由度调整装置，使目标辐射单元与理论值的安装误差小于±1mm；(5)本发明中的阵列馈电单元由精位控制通道、粗位控制通道、3mm上变频器及变频本振馈电单元、球面信号辐射阵列组成，球面信号辐射阵列上的每三个相邻天线构成一个三元组，而目标反射的回波信号就是通过球面信号辐射阵列上的一个三元组辐射的3mm波信号来模拟的，辐射信号的辐射方向正对着转台，试验时转台上安装被试导引头。由被试导引头至三元组辐射中心之间的路径代表设备至目标的视线路径。辐射中心(即目标回波信号辐射所在的角位置)在三元组之内的运动，或者从一个三元组到另一个三元组之间的运动，实际上就代表了被试雷达/目标视线的运动。附图说明图1为本发明一种实施例的总体原理结构示意图。图2为本发明一种实施例的校准装置的原理图。图3为三元组三个单元的关系示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。如图1所示，一种基于3mm波段射频仿真系统，包括目标信号模拟器1、阵列馈电单元2、计算机控制单元3、微波暗室4、安装在微波暗室内的三轴转台5、设于三轴转台上的被试导引头；所述目标信号模拟器1的输出端与阵列馈电单元2相连；所述被试导引头将激励信号通过信号接口适配器传输给目标信号模拟器1；所述阵列馈电单元2接收目标信号模拟器1输出的目标回波信号，通过精位控制和粗位控制后，把目标回波信号通过3mm辐射天线辐射给三轴转台5上的被试导引头；所述计算机控制单元3的数据传输端与目标信号模拟器1、阵列馈电单元2、三轴转台5、被试导引头的数据传输端相连。所述阵列馈电单元2包括：顺次相连的精位控制单元7、粗位控制单元8、球面信号辐射阵列6；所述球面信号辐射阵列6包括多个信号辐射设备，各信号辐射设备包括：3mm上变频器9、三个相邻的3mm辐射天线构成的三元组、三个六自由度调整装置12；所述各辐射天线均安装在各六自由度调整装置上，六自由度调整装置由计算机控制单元控制，调整各个天线的位置；各天线辐射信号的辐射方向均正对着三轴转台；所述阵列馈电单元还包括3mm变频本振馈电单元10，3mm变频本振馈电单元分别与各3mm上变频器的输入端相连，用于为各3mm上变频器提供本振信号。阵列馈电单元对信号进行上变频后得到3mm波段信号，直接通过天线向被试导引头辐射信号。在本发明的一种实施例中，所述的微波暗室4能够实现3mm波段的屏蔽性能：40GHz～100GHz：≥70dB，3mm波段的静区反射电平40GHz～100GHz：优于-50dB。在本发明的一种实施例中，所述的三轴转台5由机械台体、电气测控柜、计算机系统等三部分组成，机械台体设计成一个三轴U-O-O型转台，整个转台由底座、外框轴系、中框轴系、内框轴系四大部分组成，三轴台的三个轴系均采用精密机械轴承支承，此为现有技术，在此不详细赘述。所述精位控制单元7包括功率分配器和三条输出通道，各输出通道均包括程控移相器、程控衰减器、线性功率放大器，用于进行信号的幅度和相位控制，从而控制辐射信号在三元组中的角位置。辐射中心在三元组内的位置是通过控制三元组的三个辐射天线辐射信号的相对振幅来控制的。这种控制方式可以控制信号的辐射中心在三元组内的位置运动，称为精确位置控制。所述粗位控制单元8包括三个粗位控制支路，各粗位控制支路由开关矩阵组成，目标在三元组天线之间的运动是通过阵列馈电单元内的开关矩阵来实现的，称为粗略位置控制(粗位控制)。所述三组开关矩阵的每个输出端口均与各信号辐射设备的三元组内的天线相连，用于选通各三元组；各粗位控制组件与精位控制单元中的三条输出通道的输出端相连。精位控制单元7和粗位控制单元8用于将目标信号模拟器1输出的信号分为三路，并分别进行幅相控制和开关选通工作，精位控制单元7对输出的三路信号分别进行幅相控制，以设定三元组中的信号幅度和相位特性，把目标回波信号通过试验要求在某一角位置上以三元组天线辐射给被试导引头。实现过程具体为：三元组辐射中心的角度位置是用一个方位角/高低角坐标系统来定义的。该坐标系的原点在转台框架轴线的交点上。信号辐射中心的运动可以通过角闪烁方程来描述。在角闪烁方程中，辐射中心相对基准方向的角度是以下因素的函数：1)辐射信号源的角位置；2)在坐标系统原点上各个信号的相对振幅和相位；我们可以通过程控移相器控制三元组中的每一个毫米波天线单元所辐射信号的相位，使之在球面信号辐射阵列坐标系原点上的相位相等，这样三元组三个毫米波天线单元所辐射信号的振幅中心便是辐射中心的位置，可以看出辐射中心位置必然在三元组面积内。根据实际使用状态，可对角闪烁方程作小角度近似，就得到如下用以描述辐射中心位置的方程组：ψ=(E1·ψ1+E2·ψ2+E3·ψ3)E1+E2+E3]]>φ=(E1·φ1+E2·φ2+E3·φ3)E1+E2+E3]]>式中ψ为辐射中心的方位角，为辐射中心的高低角，ψ1,ψ2,ψ3为三元组三个天线的方位角坐标，为三元组三个天线的高低角坐标，E1,E2,E3为三个天线的发射信号振幅。参见图3所示。从角闪烁方程可以看出，控制三个单元的振幅E1、E2、E3就能控制三个单元的合成辐射中心在三元组内部的位置，为了精确的定位，并为了便于计算和控制目标位置，振幅E1、E2和E3按以下的方式控制：即三个振幅之和为常数(例如1)，于是E1+E2+E3＝1,这样，在转台框架轴线交点处合成信号的振幅便与辐射中心的位置无关，它仅取决于提供给目标阵列的功率大小。参见图3，定义其辐射中心的基准为三元组最左边的喇叭，即：ψ1＝0，ψ2＝ψ3/2，代入角闪烁方程，可得：ψ’＝E2ψ2+E3ψ3；通过归一化处理，可简化为：令ψ＝ψ’/ψ3＝E2/2+E3；则有：由以上三个公式，只要知道目标的方位角、俯仰角，就可以计算出目标在三元组三个毫米波天线的辐射幅度，从而精确地控制目标辐射信号在三元组中的位置。所述各3mm辐射天线口面与三轴转台5回转中心上的被试导引头的连线均正交，且半径相等，使得各信号辐射设备(即目标辐射单元)与理论值的安装误差小于±1mm，从而达到高精度的射频仿真。所述的一种基于3mm波段射频仿真系统，还包括安装在三轴转台上的全站仪，全站仪的输出端通过转台计算机控制系统与计算机控制单元控制相连，全站仪通过向每个天线口面的反射光标发射激光波束，接收反射回来的激光波束测定每个天线口面的反射光标的空间位置，并调整天线的六自由度调整装置12(利用六自由度调整装置上来满足每一个辐射天线的位置精度需求)，使各信号辐射设备与理论值的安装误差小于±1mm，最终形成一个高精度的球面阵。所述被试导引头将激励信号传输给信号接口适配器，信号接口适配器把信号下变到中频后通过地沟电缆将信号传输给目标信号模拟器。所述被试导引头通过信号接口适配器与目标信号模拟器1相连，用于把导引头工作的频率转换成目标信号模拟器能够适应的频率，同时目标信号模拟器、信号接口适配器和导引头工作时需处于同步相参状态；被试导引头还通过仿真计算机与计算机控制单元相连，仿真计算机在实时仿真试验时，用于弹目相对运动计算、弹道仿真计算，弹道数据的坐标转换，完成计算机控制单元与被试导引头之间的通信(实现过程为现有技术，此处不赘述)。如图2所示，所述的一种基于3mm波段射频仿真系统，还包括安装在三轴转台上的校准装置11，所述校准装置包括：校准高频头、顺序波束比较装置、矢量网络分析仪、用于校准的计算机；所述校准高频头主要是由3mm接收天线和3mm下变频器组成；所述顺序波束比较装置由3mm本振产生单元、开关和信号放大器等组成，接收来自阵列射频参考信号，为校准高频头提供四路3mm本振信号，校准高频头下变频至中频的信号通过开关切换输出给矢量网络分析仪；矢量网络分析仪的数据传输端与用于校准的计算机相连，用于校准的计算机通过控制接口与顺序波束比较装置的输入端相连。校准高频头接收3mm波段辐射的信号，下变频至微波频段6GHz～18GHz。通过校准装置完成以下工作：1)阵列天线辐射信号视在角度位置的标定和校准；2)阵列与馈电系统各射频信号支路幅度/相位的一致性校准；3)辐射信号路径损耗一致性校准；4)辐射信号相位(路径长度)一致性校准；5)射频仿真系统目标定位精度的测试、校验和演示。对于阵列天线相位中心高低角、方位角和Z轴座标的标定,本系统通过比相法来测角，也就是通过比较两路信号的相位进行标定。对于阵列天线的本身姿态(俯仰、偏航和滚动角)，本装置采用比幅法进行标定。对路径长度、路径损耗的校准和衰减器、移相器的标定也分别采用了比幅和比相法。校准装置完成的工作的方式为现有技术，此处不赘述。所述目标信号模拟器包括1个独立的主、被动复合3mm目标模拟通道，用于产生3mm波段的主动雷达导引头目标回波信号和各种干扰信号。具体地：能够实现3mm波段目标回波信号、干扰信号和背景信号的模拟，实现对3mm波段目标/干扰运动参数(距离、多普勒、幅度)控制。本实施例中的目标模拟通道采用的是现有技术，不赘述其具体结构。本发明的3mm波段射频仿真系统可以用于实现在微波暗室内对3mm毫米波段导引头不同模式下的静态指标测试；可以用于在实验室内通过软件计算目标和导弹相对运动学关系(现有技术)，控制产生3mm波段的主动雷达导引头目标回波信号和战场环境下的各种干扰。被试导引头接收目标回波，将目标信息传递给仿真计算机，三轴转台模拟导弹运动姿态，通过软件实现全系统闭环半实物仿真实验。本发明中的目标信号模拟器通过线馈，接收阵列馈电单元经3mm波信号下变后的被试设备输出的低功率发射信号，对所接收到的发射信号进行距离延迟调制、幅度和相位调制、多普勒调制、脉内信号调制、脉冲调制和干扰调制等，形成散射体目标信号、辐射源目标信号、环境信号和电子干扰信号等。所述目标信号模拟器，充分采用软件无线电技术，将信号的延迟调制、幅度和相位调制、多普勒调整、脉内信号调制、脉冲调制和干扰调制等功能均在数字上实现，采用本公司自研的宽带SDRM组件平台以及数字信号处理技术实现雷达目标、环境、电子干扰及辐射源目标等信号的模拟。上述实现方式均为现有技术，在此不赘述。对于3mm波段射频仿真系统目标角位置高精度仿真试验室，试验距离为35米，屏蔽室长度为45米，宽度为32米，高度为24米。总共有125个3mm波段目标辐射单元及一路接收和一路干扰单元。射频仿真系统阵列馈电角位置模拟校准精度测试数据如下表1所示。基本达到西安电子工程研究所的3mm波段雷达导引头实验精度要求。表1频率水平精度(mrad)垂直精度(mrad)930.2010.177940.1790.121950.1460.113960.1510.096970.1490.101以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页1 2 3