一种模拟相控阵雷达演示系统的制作方法
专利名称：一种模拟相控阵雷达演示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁学类的演示教学仪器，尤其是一种以发射超声波作为探测目标距离和方位的波源的模拟相控阵雷达演示系统。
背景技术：
传统的雷达的测量原理是根据从被测物对雷达的反射波与波源处的发射时间差来判断被测目标的距离的。为了捕捉到目标位置，需要让雷达的天线作全方位的旋转扫描， 而通过机械方式让雷达向各个方向扫描一周需要耗费较长时间(通常需数秒到数十秒钟)， 因此扫描的速度和效率都较低。相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种通过改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式控制波束，故又称电子扫描雷达。机械扫描雷达因受限于机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。所以它更适于对付高机动目标。以上的传统雷达和相控阵雷达所使用的探测波源都是电磁波中的微波，电磁波的传播速度是光速。若设被测物与雷达发射天线间的距离为I、探测信号波反射所需的时差为 - 则
Λ 21 M = -c
上式中c为光速，e = 3xl08OT/s。如果把微波用到在短距离范围使用的演示实验中的话，因在一般的演示场合中，目标距离I通常小于10m，故反射波的时差Δ 就会小于10_7 s，这么短的时差很难进行测量。所以在用于教学的短距离测量场合是不宜用微波作为探测的波源的，须改用其它的非电磁波的、低传播速度的机械波作为波源，以增加反射波的时差 ΔΙ，使之便于测量。此外，采用低速的机械波时，因受产生机械波器件的响应频率和发射信号主瓣的限制，欲通过真正意义上的相位调制来控制波束的方向，同时又要保证探测波束所覆盖的角度范围不至过窄，还须在该演示仪器的构造上采取一些特殊的措施。
发明内容
为使演示实验中可在短距离范围内用雷达的原理测量距离、同时又用相位调制来控制波束方向的测量成为可能，从而实现演示相控阵雷达的教学目的。本发明设计了一种模拟相控阵雷达演示系统，包括一台控制主机和与控制主机所连接的超声波发射板，所述的超声波发射板安装有超声发射头阵列，并以发射的超声波作为探测波源来模拟真实的相控阵雷达用微波来探测目标距离和方位的功能。选用低传播速度的超声波作为演示实验的波源，是为了增加反射波的时差Δ 使之便于测量，由于超声波的传播速度约为340m/s，在 5 IOm左右的探测探测距离时，反射波的时差u约为30 60ms左右，这一时差很容易测量。此外，选用以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板来发射超声波，可通过调制各列超声波信号发射头电信号相位的方法来控制超声波波束的方向。但用超声波换能器来发射超声信号时，不同于用偶极子天线来发射电磁波时发射的波阵面可为球面波，单一超声波换能器的发射主瓣比较窄，通常不超过30度，这对调制波束的方向造成了很多困难，使波束方向的变化范围受到单一超声波换能器发射主瓣宽度的限制。本发明解决这一问题的方法是采用由几块发射板组合的方式，并使几块发射板分别朝向不同的方向。当这几块发射板按不同时序依次发射探测信号时，实际探测波束所覆盖的角度范围就比单独一块发射板的角度范围宽得多。从而解决了超声波波束调制角度范围窄的问题。上面所说的超声波波束方向的变化，是指用相位调制的方法对驱动各个超声发射头的电信号进行处理后，使各发射头发出的超声波在空间产生多波束干涉，最终产生的效果是整个发射板发出的超声波的方向在水平方向发生偏转。用电子方式进行这种相位调制时，可以迅速改变超声波波束的方向，进行水平方向的扫描。而对于超声波波束在竖直方向的改变，在本发明中则采用使发射板弯曲的方法，发射板呈向外凸出的弯曲面形状，该弯曲面可以是柱面的一部分，超声波发射板上安装的各个超声发射头的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向。以使在竖直方向排列的不同超声发射头指向不同的方向，从而可同时捕捉不同高度方向的目标。在接收目标反射的超声波信号时，在发射板的中部有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。若某一个方向的超声接收换能器接收到的超声信号时间最早、信号最强，则这个接收器所指方向就是目标的方向。而根据发射信号与接收信号的时差，就可测得目标的距离。在以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板上，为使超声发射头发出的探测波信号避免混乱和便于调制，发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头，它们在水平方向的间距都是相同的，在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，因此整块板上的点阵呈矩形排列。本发明的有益效果是，把真实的相控阵雷达的工作原理用相对比较简单的超声波的模拟演示仪器演示出来了。
下面结合附图对本发明进行详细的说明。图1是模拟相控阵雷达演示系统其中一块超声波发射板的正面示意图； 在图1中1.超声发射头2.超声波收器
图2是模拟相控阵雷达演示系统其中一块超声波发射板的俯视图； 在图2中小箭头表示超声波发射板上各超声发射头[1]的指向。图3是模拟相控阵雷达演示系统其中一块超声波发射板的左视在图3中各个超声发射头[1]的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向(小箭头的方向)。发射板弯曲面的曲率半径为R，曲率中心为0。图4是模拟相控阵雷达演示系统采用由三块发射板组合时的排列示意图(俯视图)；
图5是模拟相控阵雷达演示系统的超声波波束方向偏转的原理图。
在图5中1.超声发射头(用小圆圈表示)，线段A-A为发射板平面，直线N为发射板平面的法线，各列超声发射头[1]间的水平距离相同，并设为a，图上的虚线箭头为超声波波束拟偏转的方向，虚线Ι、Π、ΙΙΙ、…分别为从各超声发射头1发出的超声波，θ为欲使超声波偏转的方向与法线N的夹角。
具体实施例方式在图1中，与控制主机所连接的超声波发射板安装有超声发射头1阵列，并以发射的超声波作为探测波源来模拟真实的相控阵雷达用微波来探测目标距离和方位的功能。
所述超声波的发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头1，它们在水平方向的间距都是相同的，在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，因此整块板上的点阵呈矩形排列。如图2发射板的俯视图和图3发射板的左视图所示，所述超声波发射板呈向外凸出的弯曲面形状，该弯曲面可以是柱面的一部分。以使在竖直方向排列的不同超声发射头 1指向不同的方向，从而可同时捕捉不同高度方向的目标。发射板上有一些小箭头，这些箭头的方向表示此处所安装的超声发射头1的指向。所述超声波发射板上安装的各个超声发射头1的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向。所述超声波发射板可以采用由几块发射板组合的方式，并使几块发射板分别朝向不同的方向。图4是以三块超声波发射板组合为例说明模拟相控阵雷达演示系统可由几块发射板组合的示意图(俯视图)，图中三块发射板分别指向不同的方向。设相邻两块发射板的夹角为30度，而每块发射板的超声波水平扫描范围也为30度，则三块发射板组合后的水平扫描范围就可达90度。所述各个超声波的发射板的中部均有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器2，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。图5是通过改变各发射头信号相位的方法来使发射板发出的超声波波束方向发生偏转的原理图在图5中，为说明用调节各列发射头信号相位差来改变超声波方向的原理，仅以两列相距为a的超声发射头1发出的超声波虚线I、II为例。设这两路超声波到达没方向目标时的波程差力u则由图可知A=Uan^,若超声波的波长力ι则根据物理
学中的波动理论，这相邻两路波的相位差为。若使图5中相邻列的超声发
射头1所发出的超声波信号依次具有这同样的相位差，就可使各超声发射头1发出的超声波信号到达一万向目标时具有相同的相位。这些同方向同频率同相位的波相互干涉后，就在岁方向形成了干涉最大，其效果相当于使整体的超声波波束方向发生S角度的偏转。改变各超声发射头1间电信号的相位差 识就可改变超声波波束偏转的方向β。为保证多个超声发射头1发出的超声波到达目标时的相位的一致性，超声波的发射板上以点阵方式安装的超声发射头1，它们在水平方向的间距都应是相同的。
权利要求
1.一种模拟相控阵雷达演示系统，包括控制主机和与控制主机所连接的超声波发射板，其特征是所述的超声波发射板安装有超声发射头(1)阵列。
2.根据权利要求1所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波的发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头(1)，所述的超声波发射头 (1)在水平方向的间距相同，在竖直方向间距也相同，并且上下左右对齐。
3.根据权利要求1所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波发射板呈向外凸出的弯曲面形状，该弯曲面是柱面的一部分。
4.根据权利要求3所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波发射板上安装的超声发射头(1)的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向。
5.根据权利要求1所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波发射板采用由发射板组合的方式，所述的发射板分别朝向不同的方向。
6.根据权利要求4所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述各个超声波的发射板的中部均有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器(2)，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。
全文摘要
本发明公开了一种模拟相控阵雷达演示系统，该系统包括控制主机和与控制主机所连接的超声波发射板。所述超声波发射板上安装有超声发射头阵列，并以发射的超声波作为探测波源来模拟真实的相控阵雷达用微波来探测目标距离和方位的功能。超声波的发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头，它们在水平方向的间距都是相同的，在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，因此整块板上的点阵呈矩形排列。超声波发射板可以采用由几块发射板组合的方式，并使几块发射板分别朝向不同的方向。各个发射板的中部都有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。
文档编号G09B23/18GK102289972SQ20111014557
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者周红兵, 郑瑞铭, 钱仰德 申请人:卢帅
技术领域：
本发明涉及一种电磁学类的演示教学仪器，尤其是一种以发射超声波作为探测目标距离和方位的波源的模拟相控阵雷达演示系统。
背景技术：
传统的雷达的测量原理是根据从被测物对雷达的反射波与波源处的发射时间差来判断被测目标的距离的。为了捕捉到目标位置，需要让雷达的天线作全方位的旋转扫描， 而通过机械方式让雷达向各个方向扫描一周需要耗费较长时间(通常需数秒到数十秒钟)， 因此扫描的速度和效率都较低。相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种通过改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式控制波束，故又称电子扫描雷达。机械扫描雷达因受限于机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。所以它更适于对付高机动目标。以上的传统雷达和相控阵雷达所使用的探测波源都是电磁波中的微波，电磁波的传播速度是光速。若设被测物与雷达发射天线间的距离为I、探测信号波反射所需的时差为 - 则
Λ 21 M = -c
上式中c为光速，e = 3xl08OT/s。如果把微波用到在短距离范围使用的演示实验中的话，因在一般的演示场合中，目标距离I通常小于10m，故反射波的时差Δ 就会小于10_7 s，这么短的时差很难进行测量。所以在用于教学的短距离测量场合是不宜用微波作为探测的波源的，须改用其它的非电磁波的、低传播速度的机械波作为波源，以增加反射波的时差 ΔΙ，使之便于测量。此外，采用低速的机械波时，因受产生机械波器件的响应频率和发射信号主瓣的限制，欲通过真正意义上的相位调制来控制波束的方向，同时又要保证探测波束所覆盖的角度范围不至过窄，还须在该演示仪器的构造上采取一些特殊的措施。
发明内容
为使演示实验中可在短距离范围内用雷达的原理测量距离、同时又用相位调制来控制波束方向的测量成为可能，从而实现演示相控阵雷达的教学目的。本发明设计了一种模拟相控阵雷达演示系统，包括一台控制主机和与控制主机所连接的超声波发射板，所述的超声波发射板安装有超声发射头阵列，并以发射的超声波作为探测波源来模拟真实的相控阵雷达用微波来探测目标距离和方位的功能。选用低传播速度的超声波作为演示实验的波源，是为了增加反射波的时差Δ 使之便于测量，由于超声波的传播速度约为340m/s，在 5 IOm左右的探测探测距离时，反射波的时差u约为30 60ms左右，这一时差很容易测量。此外，选用以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板来发射超声波，可通过调制各列超声波信号发射头电信号相位的方法来控制超声波波束的方向。但用超声波换能器来发射超声信号时，不同于用偶极子天线来发射电磁波时发射的波阵面可为球面波，单一超声波换能器的发射主瓣比较窄，通常不超过30度，这对调制波束的方向造成了很多困难，使波束方向的变化范围受到单一超声波换能器发射主瓣宽度的限制。本发明解决这一问题的方法是采用由几块发射板组合的方式，并使几块发射板分别朝向不同的方向。当这几块发射板按不同时序依次发射探测信号时，实际探测波束所覆盖的角度范围就比单独一块发射板的角度范围宽得多。从而解决了超声波波束调制角度范围窄的问题。上面所说的超声波波束方向的变化，是指用相位调制的方法对驱动各个超声发射头的电信号进行处理后，使各发射头发出的超声波在空间产生多波束干涉，最终产生的效果是整个发射板发出的超声波的方向在水平方向发生偏转。用电子方式进行这种相位调制时，可以迅速改变超声波波束的方向，进行水平方向的扫描。而对于超声波波束在竖直方向的改变，在本发明中则采用使发射板弯曲的方法，发射板呈向外凸出的弯曲面形状，该弯曲面可以是柱面的一部分，超声波发射板上安装的各个超声发射头的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向。以使在竖直方向排列的不同超声发射头指向不同的方向，从而可同时捕捉不同高度方向的目标。在接收目标反射的超声波信号时，在发射板的中部有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。若某一个方向的超声接收换能器接收到的超声信号时间最早、信号最强，则这个接收器所指方向就是目标的方向。而根据发射信号与接收信号的时差，就可测得目标的距离。在以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板上，为使超声发射头发出的探测波信号避免混乱和便于调制，发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头，它们在水平方向的间距都是相同的，在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，因此整块板上的点阵呈矩形排列。本发明的有益效果是，把真实的相控阵雷达的工作原理用相对比较简单的超声波的模拟演示仪器演示出来了。
下面结合附图对本发明进行详细的说明。图1是模拟相控阵雷达演示系统其中一块超声波发射板的正面示意图； 在图1中1.超声发射头2.超声波收器
图2是模拟相控阵雷达演示系统其中一块超声波发射板的俯视图； 在图2中小箭头表示超声波发射板上各超声发射头[1]的指向。图3是模拟相控阵雷达演示系统其中一块超声波发射板的左视在图3中各个超声发射头[1]的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向(小箭头的方向)。发射板弯曲面的曲率半径为R，曲率中心为0。图4是模拟相控阵雷达演示系统采用由三块发射板组合时的排列示意图(俯视图)；
图5是模拟相控阵雷达演示系统的超声波波束方向偏转的原理图。
在图5中1.超声发射头(用小圆圈表示)，线段A-A为发射板平面，直线N为发射板平面的法线，各列超声发射头[1]间的水平距离相同，并设为a，图上的虚线箭头为超声波波束拟偏转的方向，虚线Ι、Π、ΙΙΙ、…分别为从各超声发射头1发出的超声波，θ为欲使超声波偏转的方向与法线N的夹角。
具体实施例方式在图1中，与控制主机所连接的超声波发射板安装有超声发射头1阵列，并以发射的超声波作为探测波源来模拟真实的相控阵雷达用微波来探测目标距离和方位的功能。
所述超声波的发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头1，它们在水平方向的间距都是相同的，在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，因此整块板上的点阵呈矩形排列。如图2发射板的俯视图和图3发射板的左视图所示，所述超声波发射板呈向外凸出的弯曲面形状，该弯曲面可以是柱面的一部分。以使在竖直方向排列的不同超声发射头 1指向不同的方向，从而可同时捕捉不同高度方向的目标。发射板上有一些小箭头，这些箭头的方向表示此处所安装的超声发射头1的指向。所述超声波发射板上安装的各个超声发射头1的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向。所述超声波发射板可以采用由几块发射板组合的方式，并使几块发射板分别朝向不同的方向。图4是以三块超声波发射板组合为例说明模拟相控阵雷达演示系统可由几块发射板组合的示意图(俯视图)，图中三块发射板分别指向不同的方向。设相邻两块发射板的夹角为30度，而每块发射板的超声波水平扫描范围也为30度，则三块发射板组合后的水平扫描范围就可达90度。所述各个超声波的发射板的中部均有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器2，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。图5是通过改变各发射头信号相位的方法来使发射板发出的超声波波束方向发生偏转的原理图在图5中，为说明用调节各列发射头信号相位差来改变超声波方向的原理，仅以两列相距为a的超声发射头1发出的超声波虚线I、II为例。设这两路超声波到达没方向目标时的波程差力u则由图可知A=Uan^,若超声波的波长力ι则根据物理
学中的波动理论，这相邻两路波的相位差为。若使图5中相邻列的超声发
射头1所发出的超声波信号依次具有这同样的相位差，就可使各超声发射头1发出的超声波信号到达一万向目标时具有相同的相位。这些同方向同频率同相位的波相互干涉后，就在岁方向形成了干涉最大，其效果相当于使整体的超声波波束方向发生S角度的偏转。改变各超声发射头1间电信号的相位差 识就可改变超声波波束偏转的方向β。为保证多个超声发射头1发出的超声波到达目标时的相位的一致性，超声波的发射板上以点阵方式安装的超声发射头1，它们在水平方向的间距都应是相同的。
权利要求
1.一种模拟相控阵雷达演示系统，包括控制主机和与控制主机所连接的超声波发射板，其特征是所述的超声波发射板安装有超声发射头(1)阵列。
2.根据权利要求1所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波的发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头(1)，所述的超声波发射头 (1)在水平方向的间距相同，在竖直方向间距也相同，并且上下左右对齐。
3.根据权利要求1所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波发射板呈向外凸出的弯曲面形状，该弯曲面是柱面的一部分。
4.根据权利要求3所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波发射板上安装的超声发射头(1)的指向均沿安装点处弯曲面的法线正方向。
5.根据权利要求1所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述超声波发射板采用由发射板组合的方式，所述的发射板分别朝向不同的方向。
6.根据权利要求4所述的一种模拟相控阵雷达演示系统，其特征是所述各个超声波的发射板的中部均有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器(2)，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。
全文摘要
本发明公开了一种模拟相控阵雷达演示系统，该系统包括控制主机和与控制主机所连接的超声波发射板。所述超声波发射板上安装有超声发射头阵列，并以发射的超声波作为探测波源来模拟真实的相控阵雷达用微波来探测目标距离和方位的功能。超声波的发射板上以点阵方式分别沿水平和竖直方向安装的超声发射头，它们在水平方向的间距都是相同的，在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，因此整块板上的点阵呈矩形排列。超声波发射板可以采用由几块发射板组合的方式，并使几块发射板分别朝向不同的方向。各个发射板的中部都有一个由多个超声接收换能器组成的呈蜂窝状的半球形的超声波接收器，其半球中心的指向沿该发射板的法线正方向。
文档编号G09B23/18GK102289972SQ20111014557
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者周红兵, 郑瑞铭, 钱仰德 申请人:卢帅
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