毫米波辐射计半实物仿真系统及信号产生方法和线性度测试方法

摘要

本发明公开了一种毫米波辐射计半实物仿真系统及信号产生方法和线性度测试方法，系统包括无回波隔离箱、目标模拟器、毫米波辐射计、控制电路和上位机；信号产生方法通过产生一定的控制电压来控制目标模拟器的压控衰减器，目标模拟器能产生供毫米波辐射计进行整机动态测试和静态性能参数测试的信号。本发明的毫米波辐射计半实物仿真系统为弹载毫米波交流辐射计的整机测试和信号仿真提供了良好的测试环境，也为末敏弹毫米波交流辐射计夹角测量提供了方法，具有成本低、体积小、使用方便、高性能、电磁屏蔽性能好、受外界影响小等优点。

说明书

技术领域

本发明属于毫米波器件技术领域，特别是一种毫米波辐射计半实物仿真系统及信号 产生方法和线性度测试方法。

背景技术

近十年来，随着国内毫米波器件技术的成熟，毫米波被动探测器(毫米波辐射计) 的研究取得了突破性进展，其成本进一步降低，成为了灵巧弹药尤其是末敏弹首选的探 测器。

末敏弹中毫米波被动探测器主要是毫米波交流辐射计，在装备之前需要进行测试与 标定，其试验包括野外动态测试和室内静态整机性能参数测试。静态整机性能测试包括 灵敏度、积分时间、动态范围测试、目标信号仿真与识别等。动态测试一般进行炮射试 验和高塔试验，炮射试验是含毫米波探测器的全备末敏弹对实际目标的探测试验，成本 较高；高塔试验通常将毫米波辐射计放在规定高度的高塔转台上模拟末敏弹对目标的扫 描探测过程，一般一次只能做一个高度的探测试验，而末敏弹实际探测是从高到低不同 高度的对目标的扫描探测过程，因此高塔试验并不能很好地模拟末敏弹的探测全过程。 一种比较好的方法是建立半实物仿真测试系统。

目前在雷达探测、导航、红外探测和飞控等领域已有了不少半实物仿真测试系统。 《弹载毫米波辐射计信号半实物仿真》给出了一款毫米波辐射计的半实物仿真测试系 统，工作在远场条件下，以辐射计探测目标的天线温度变化量的控制信号表达式，从原 理上解决了实际距离上的探测与半实物仿真系统之间的等效关系，但没有给出半实物仿 真系统以目标信号的电压控制信号形式的具体实现方法，在直观上和实际应用上没有可 操作性；《3mm波段被动探测器的仿真测试系统研制》在半实物仿真系统控制器的硬件 制作和软件设计方面作了详细的论述，对目标信号模拟也作了详细的分析讨论，并采用 了电调衰减器来进行目标仿真信号的控制，解决了信号控制的硬件之间的接口与连接问 题，但同样没给出目标模拟时的电压控制信号表达式和测试时具体信号控制形式，电调 衰减器上控制电压信号与实际距离上探测试验信号的等效没有直接联系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波辐射计半实物仿真系统及信号产生方法和线性 度测试方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种毫米波辐射计半实物仿真系统，包括目标 模拟器、无回波隔离箱、毫米波辐射计、控制电路和上位机；

所述无回波隔离箱为长方体结构，其长度方向相对的两个面正中间分别开有第一开 口和第二开口；所述目标模拟器设置在第一开口中，目标模拟器外周与第一开口密封； 所述第二开口处安装有三框夹角调整架，三框夹角调整架外周与第二开口密封；所述毫 米波辐射计紧密设置在三框夹角调整架内，所述三框夹角调整架用于调整毫米波辐射计 的俯仰角和方位角；无回波隔离箱内侧铺满吸波材料；

所述目标模拟器包括依次串联的噪声源、压控衰减器和发射天线，所述控制电路包 括微控制器、数字模拟转换器和模拟数字转换器；

所述计算机与微控制器相连，微控制器的数字输出端口与数字模拟转换器的数字输 入端口相连，数字模拟转换器的数模转换输出端口与压控衰减器的控制电压端口相连， 压控衰减器控制噪声源产生电磁波，通过发射天线发射出去，被测毫米波辐射计与模拟 数字转换器的模拟输入端相连，模拟数字转换器的数字输出端口与微控制器数字输入端 口相连，微控制器与计算机相连，将电压信号发送给计算机。

一种毫米波辐射计半实物仿真系统的信号产生控制方法，包括以下步骤：

步骤1、上位机仿真毫米波辐射计探测目标过程得到一组天线温度随时间的变化数 据T_A(t)；

步骤2、通过微波矢量网络分析仪测试目标模拟器中的压控衰减器的控制电压和衰 减量之间的映射关系κ；

步骤3、若目标模拟器发射天线和被测辐射计的接收天线满足双天线系统的远场条 件即R>2(D+d)²/λ，控制衰减器的控制电压V(t)为

V(t)＝κ^-1[T_A(t)(4πR)²/((ENR+1)·T₀L_TSG_tG_rλ²)]

若目标模拟器和被测辐射计之间的距离满足近场条件，且不低于0.14倍双天线系 统的远场条件距离时，即0.28(D+d)²/λ<R<2(D+d)²/λ，控制衰减器的控制电压V(t) 为

$V\left(t\right)={\kappa }^{-1}\left(\frac{T_A\left(t\right){\left(4\mathrm{\pi R}\right)}^2{\left(k\frac{{(D+d)}^2}{8R}\right)}^2}{(\mathrm{ENR}+1)·T_0{L}_{\mathrm{TS}}{G}_t{G}_r{\lambda }^2({\sin }^2\left(k\frac{{(D+d)}^2}{8R}\right)+4{\sin }^4\left(k\frac{{(D+d)}^2}{16R}\right))}\right)$

其中，T₀为以单位开尔文表示的环境温度，ENR为噪声源的超噪比；κ为控制电压 和衰减量的映射关系；L_TS为目标模拟器的系统损耗；T_A为上位机仿真得到的天线温度； R为两个天线之间的距离；G_t为发射天线远场增益；G_r为接收天线远场增益；λ为系 统工作的电磁波波长；D和d分别是目标模拟器天线和被测辐射计天线的口径；k为波 数；

步骤4、上位机将控制电压V(t)发送至微控制器，微控制器将接到的控制电压数据 发送给数字模拟转换器，数字模拟转换器输出模拟电压，控制压控衰减器的衰减量，压 控衰减器控制噪声源产生的毫米波噪声温度信号；

步骤5、毫米波噪声温度信号通过发射天线发射出去，模拟野外目标辐射信号；

步骤6、被测毫米波辐射计接收到毫米波噪声温度信号，被测毫米波辐射计输出的 电压信号经模拟数字转换器、微控制器发送给上位机，上位机显示接收到的电压信号波 形。

一种毫米波辐射计半实物仿真系统的线性度测试方法，包括以下步骤：

第一步、上位机发出控制电压数据，所述控制电压数据为N个脉冲波形；脉冲波形 的低电平为零，高电平满足V(n)＝κ^-1(κ(0)-n·d)，n＝1，2，…，N，N为10～30之间 的整数；矩形波脉宽5ms～10ms，周期不小于20ms，当n＝N时，毫米波辐射计的输出 应处于饱和状态；

其中，κ为目标模拟器中的压控衰减器的控制电压和衰减量之间的映射关系；d为 被测辐射计天线的口径；

第二步、控制电压数据经毫米波辐射计半实物测试系统仿真后，上位机接收到电压 数据；

第三步、取出接收到的电压数据的N个脉冲的最大点，去除饱和电压点得到一组电 压序列；

第四步、根据自相关法得到电压序列的线性度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的毫米波辐射计半实物仿真系 统采用的无回波隔离箱电磁屏蔽性能好，受外界影响，仿真和测试精度高；(2)本发明 的毫米波辐射计半实物仿真系统为弹载毫米波交流辐射计的整机测试和信号仿真提供 了良好的测试环境，也为末敏弹毫米波交流辐射计夹角测量提供了方法，具有成本低、 体积小、使用方便、高性能、电磁屏蔽性能好、受外界影响小等优点；(3)本发明的信 号产生控制方法简单可行，易于实现，电压控制信号表达式能定量地、确切地反映被测 毫米波辐射计参数、半实物仿真系统(含目标模拟器)参数和实际探测距离之间的关系； (4)本发明的毫米波辐射计半实物仿真系统的信号产生控制方法能对不同口径的毫米 波辐射计进行各种外场环境和交会条件下的探测情况模拟，也能测试毫米波辐射计的静 态参数，且准确度高；(5)本发明的线性度测试方法实现方式简单，易行，且精度高。

附图说明

图1是本发明的毫米波辐射计半实物仿真系统结构示意图。

图2是本发明的三框夹角调整架结构示意图。

图3是本发明的吸波材料安装位置的剖视图。

具体实施方式

结合图1，一种毫米波辐射计半实物仿真和测试系统，包括目标模拟器、无回波隔 离箱1、毫米波辐射计、控制电路和上位机；

所述无回波隔离箱1为长方体结构，其长度方向相对的两个面正中间分别开有第一 开口和第二开口；所述目标模拟器设置在第一开口中，目标模拟器外周与第一开口密封； 所述第二开口处安装有三框夹角调整架2，三框夹角调整架2外周与第二开口密封；所 述毫米波辐射计紧密设置在三框夹角调整架2内，所述三框夹角调整架用于调整毫米波 辐射计的俯仰角和方位角；所述目标模拟器的发射天线3指向毫米波辐射计的天线4； 无回波隔离箱1内侧铺满吸波材料5；

所述目标模拟器包括依次串联的噪声源、压控衰减器和发射天线，所述控制电路包 括微控制器、数字模拟转换器和模拟数字转换器；

所述计算机与微控制器相连，微控制器的数字输出端口与数字模拟转换器的数字输 入端口相连，数字模拟转换器的数模转换输出端口与压控衰减器的控制电压端口相连， 被测毫米波辐射计与模拟数字转换器的模拟输入端相连，模拟数字转换器的数字输出端 口与微控制器数字输入端口相连，微控制器与计算机相连，将接收到的电压信号发送给 计算机。

结合图2，所述三框夹角调整架包括外框架21、中间框架22和内框架23；内框架 中间为圆口10，所述圆口10用于安装毫米波辐射计，圆口尺寸与毫米波辐射计的口径 大小相同；所述外框架21和中间框架22之间设置俯仰转轴，中间框架22和内框架23 设置方位转轴，或者所述外框架和中间框架之间设置方位转轴，中间框架和内框架设置 俯仰转轴；通过俯仰转轴和方位转轴的转动改变毫米波辐射计的俯仰角和方位角。

所述三框夹角调整架俯仰角和方位角调整处均设置有涡轮蜗杆和游标卡尺，用于设 定圆孔内毫米波交流辐射计的俯仰角和方位角。

结合图3，所述无回波隔离箱的内侧铺满尖劈形吸波材料51，拐角处采用平板吸波 材料过渡52。

所述微控制器采用ARMCORTEX-M3内核的STM32芯片，微控制器还连接有触摸 屏，用于人机交互。

一种毫米波辐射计半实物测试系统的信号产生控制方法，包括以下步骤：

步骤1、上位机仿真毫米波辐射计探测目标过程得到一组天线温度随时间的变化数 据T_A(t)；

步骤2、通过微波矢量网络分析仪测试目标模拟器中的压控衰减器的控制电压和衰 减量之间的映射关系κ；

步骤3、若目标模拟器发射天线和被测辐射计的接收天线满足双天线系统的远场条 件即R>2(D+d)²/λ，控制衰减器的控制电压V(t)为

V(t)＝κ^-1[T_A(t)(4πR)²/((ENR+1)·T₀L_TSG_tG_rλ²)]

若目标模拟器和被测辐射计之间的距离满足近场条件，且不低于0.14倍双天线系 统的远场条件距离时，即0.28(D+d)²/λ<R<2(D+d)²/λ，控制衰减器的控制电压V(t) 为

$V\left(t\right)={\kappa }^{-1}\left(\frac{T_A\left(t\right){\left(4\mathrm{\pi R}\right)}^2{\left(k\frac{{(D+d)}^2}{8R}\right)}^2}{(\mathrm{ENR}+1)·T_0{L}_{\mathrm{TS}}{G}_t{G}_r{\lambda }^2({\sin }^2\left(k\frac{{(D+d)}^2}{8R}\right)+4{\sin }^4\left(k\frac{{(D+d)}^2}{16R}\right))}\right)$

其中，T₀为以单位开尔文表示的环境温度，ENR为噪声源的超噪比；κ为控制电压 和衰减量的映射关系；L_TS为目标模拟器的系统损耗；T_A为上位机仿真得到的天线温度； R为两个天线之间的距离；G_t为发射天线远场增益；G_r为接收天线远场增益；λ为系 统工作的电磁波波长；D和d分别是目标模拟器天线和被测辐射计天线的口径；k为波 数；

步骤4、上位机将控制电压V(t)发送至微控制器，微控制器将接到的控制电压数据 发送给数字模拟转换器，数字模拟转换器输出模拟电压，控制压控衰减器的衰减量，压 控衰减器控制噪声源产生的毫米波噪声温度信号；

步骤5、毫米波噪声温度信号通过发射天线发射出去，模拟野外目标辐射信号；

步骤6、被测毫米波辐射计接收到毫米波噪声温度信号，被测毫米波辐射计输出的 电压信号经模拟数字转换器、微控制器发送给上位机，上位机显示接收到的电压信号波 形。

一种毫米波辐射计半实物测试系统的线性度测试方法，包括以下步骤：

第一步、上位机发出控制电压数据，所述控制电压数据为N个脉冲波形；脉冲波形 的低电平为零，高电平满足V(n)＝κ^-1(κ(0)-n·d)，n＝1，2，…，N，N为10～30之间 的整数；矩形波脉宽5ms～10ms，周期不小于20ms，当n＝N时，毫米波辐射计的输出 应处于饱和状态；

其中，κ为目标模拟器中的压控衰减器的控制电压和衰减量之间的映射关系；d为 被测辐射计天线的口径；

第二步、控制电压数据经毫米波辐射计半实物测试系统仿真后，上位机接收到电压 数据；

第三步、取出接收到的电压数据的N个脉冲的最大点，去除饱和电压点得到一组电 压序列；

第四步、根据自相关法得到电压序列的线性度。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

结合图1，毫米波辐射计半实物仿真系统包括目标模拟器、无回波隔离箱1、毫米 波辐射计、控制电路和上位机；目标模拟器包括依次串联的噪声源、压控衰减器和发射 天线，毫米波噪声源、压控衰减器、发射天线3均采用毫米波标准波导口连接；所述控 制电路包括微控制器、数字模拟转换器和模拟数字转换器；

无回波隔离箱1中相对的两个面开有第一开口和第二开口，两个口中心对齐，目标 模拟器置于无回波隔离箱1的第一开口中，同时目标模拟器的发射天线3口面指向无回 波隔离箱1里面，在无回波隔离箱1的第二开口装有三框夹角调整架2，被测毫米波辐 射计置于三框夹角调整架2中，被测辐射计天线4也指向无回波隔离箱1里面；无回波 隔离箱除了两个口的其余部分铺满吸波材料5，吸波材料5要求对毫米波信号衰减达 -30dB以上；

无回波隔离箱体积为1.4m×0.7m×0.7m，外框为HLS1型单层钢板构成的长方体， 钢板厚度不低于2mm，钢板外框每个面之间的焊接采用卷焊技术，以加强屏蔽性能。

三框夹角调整架2包括外框架21、中间框架22和内框架23；内框架中间为圆口10， 所述圆口10用于安装毫米波辐射计，圆口尺寸与毫米波辐射计的口径大小相同；所述 外框架21和中间框架22之间设置有两个方位转轴(26,27)，中间框架22和内框架23 设置有两个俯仰转轴(24,25)，通过俯仰转轴和方位转轴的转动改变毫米波辐射计的俯 仰角和方位角。

计算机通过串口线与微控制器相连，微控制器的数字输出端口与数字模拟转换器的 数字输入端口相连，数字模拟转换器的数模转换输出端口与压控衰减器的控制电压端口 相连，被测毫米波辐射计与模拟数字转换器的模拟输入端相连，模拟数字转换器的数字 输出端口与微控制器数字输入端口相连，微控制器与计算机相连，将接收到的电压信号 发送给计算机；其中DAC芯片和压控衰减器的控制端口采用SMA接头和屏蔽线相连， DAC芯片位宽应不低于12位；ADC芯片位宽应不低于10位。

微控制器采用ARM CORTEX-M3内核的STM32芯片；被测毫米波辐射计为毫米波 交流辐射计，口径控制在220mm以下。

在无回波隔离箱中，被测毫米波辐射计接收天线4与目标模拟器发射天线3之间的 距离满足远场条件，也可只满足目标模拟器的发射天线3和被测辐射计的接收天线4双 天线系统的近场条件，但应不低于0.14倍双天线系统的远场条件。

目标模拟器中的噪声源应覆盖半实物仿真的毫米波频段，超噪比不低于20dB；压 控衰减器衰减的动态范围不低于20dB，插损小于-3dB，衰减调节变化率不高于10dB/V； 发射天线3带宽应覆盖被测毫米波辐射计带宽范围，发射天线3的主波束不能照射到侧 壁。

本发明的毫米波辐射计半实物仿真系统的信号产生控制方法能对不同口径的毫米 波辐射计进行各种外场环境和交会条件下的探测情况模拟，也能测试毫米波辐射计的静 态参数，且准确度高。