智能相控系统（精选7篇）
智能相控系统 篇1
相控开关技术是一种既可以保护电力设备, 又可以提高电能质量的关键技术。而且这些功能主要通过抑制电力开关在操作过程中的过量电压和涌流来实现的。但是在应用过程中, 发现仍然存在着一些技术问题, 为了更好实现相控开关技术的功能, 科研者要解决其关键问题, 并采取智能控制方法来对电力系统的相控开关技术进行控制, 让电力系统能够更安全地为人们服务。
1 相控开关技术的必要性
在电力系统运行过程中, 需要通过高压开关对电压系统进行控制和保护, 并调节电力系统在运行过程中所产生的负荷。工作人员主要是利用高压开关来对相应的电力设备或者相关的线路进行投切, 其中包括空载变压器、电抗器、空载线路以及并联电容器组的投切, 还有快速自动重合闸等操作行为。但是高压开关的投切在实施过程中开关都会出现暂态现象, 而且会产生过高的电压和涌流, 会对电力系统以及电力设备产生严重的损害, 如缩减了电力设备的使用寿命、容损坏电力设备的绝缘功能、输送的电能质量下降、继电保护系统出现紊乱等[1]。为了解决这些问题, 研发者使用了多种方法, 在高压开关中加入并联合闸电阻或者是避雷器, 但是这些方法都不能有效地抑制过度的电压和涌流, 通过多年的研发, 人们终于研发出一种相控开关技术。
2 相控开关技术的涵义以及工作原理
2.1 涵义
相控开关技术也可以称为同步开关技术, 相控开关技术主要是根据线路电压或电流相位的原理来对高压开关进行合理的控制, 尤其是在高压开关的合分时刻, 这样才能够有效地抑制电力系统在运行过程中所产生的过高的电压和涌流。一般来说, 为了能够解决电力系统中大功率器件在运作时开关出现损耗的问题, 都会采用软开关技术, 即零电压开关技术。相控开关技术也是一种软开关技术, 而且主要解决高压开关在操作过程中出现的电磁暂态问题。
2.2 工作原理
相控开关的结构主要包括两个方面, 高压开关以及相位控制单元。相位控制单元是关键部分, 也是关键技术, 相位控制单元主要是由电压或电流时间参考点检测电路、微机、报警和显示电路、操作命令的输入和输出接口等几部分组成的。相控开关技术的运作过程为, 首先, 控制单元接收到了随机的投入命令, 接着就会选择一个最近的参考电压的过零点作为时间起点, 并在此停留一段恰当的时间再发出控制指令, 当合闸涌流较小的时候就将电容器组投入到开关中的某个预期断口电压过零点[2]。将电容器组投入到控制单元中, 不仅可以让电力系统中的电压和合闸涌流以及电压和电流中的谐波含量减少, 还可以将电能质量提高。
3 相控开关技术的关键技术难题
相控开关技术能否在电力系统中发挥作用, 关键就在于能否准确地控制开关相位。电力系统在运行过程中, 相控开关技术会受到一些因素的影响, 尤其是控制单元。如控制单元容易受到数据处理时间、控制时间、开关的关合时间等。控制单元的数据处理和控制时间都是由微机完成的, 其准确度是以微秒级计算的, 由此可以看出其对于准确度的要求非常的高。在相控开关技术应用过程中面临着两大难题, 一是参考电压过零点的准确度检测方法;二是相控开关的合分时间分散性的处理技术。这两个关键问题都会严重影响电力系统的正常运行。下面我们就这两个关键问题进行分析, 并提出相应的解决方案。
3.1 参考电压过零点检测方法
为了更好地区分, 我们可以将参考电压看作是严格的工频正弦信号, 将电压峰值设为Um, 将初相位设为, 得出公式
当参考电压过零点的电压变化率达到最大值 (w Um) 时, 就会得到t2, 判别规则为
在 (3) 中k是常系数, 而且在实际测量中我们获取的是参考电压的采样序列, 采样点并不一定会直接落在过零点上, 这时候就需要采样线性插值法求得过零点, 最大误差的计算公式为
只要采样频率大于50k Hz, 所得到的误差就会在0.01ms之内, 完全不会影响电力系统的正常运作。
但是在实际应用过程中, 开关会受到噪声、脉冲以及谐波的影响, 所以参考电压的波形不可能是严格的正弦关系, 那么以上公式就会出现很大的偏差, 就需要进行改进。对于谐波影响的解决方法主要是采取在线的数字滤波技术方法, 这种方法的实施主要是以平滑参考电压为采样点, 并将数字低通滤波器的最低频率设置为100Hz。通过数字滤波技术滤波后的电压和电压导数波形都会变平滑, 这个时候在应用公式 (3) 就可以很简单地判别电压零点。
为了解决噪声对相控开关技术的影响, 我们进行了仿真分析, 通过分析后我们得出, 如果不利用数字滤波技术对其进行滤波就直接进行计算的话, 就无法进行参考电压零过点的判别, 而且随机背景噪声峰的峰值无法达到0.5pu[3]。但是如果通过滤波后参考电压和导数波形就会得到平滑, 再利用公式 (3) 就可以很简单地判别电压零点。而且就算峰值低于0.5pu, 也可以准确地检测出参考电压的过零点。
电力系统在进行运作时, 其母线电压易受到各种瞬态脉冲的干扰, 就会影响参考电压过零点的检测结果。这时候就需要采用数字滤波技术, 微机通过使用在线滤波技术只要存储5个采样点, 这样就可以得到正确的导数波形, 就可以得到最准确的参考电压过零点的结果。
3.2 相控开关的智能控制策略
另外一个制约着相控开关技术应用的关键难题就是开关的关合或开断时间的分散性, 影响开关关合的因素主要是温度、海拔高度、湿度、操动机构控制线圈电压等。为了将相控开关技术实体化, 工作人员要将关合时间的分散性必须控制在0.5ms以内, 才能够准确地控制合闸相位, 但是这个要求非常难以实现。通过无数次的实验, 我们终于发现可以采用快速驱动的开关技术来控制分散性, 而且有时候分散性甚至能够控制在2.3ms以内。而且为了更准确地实现相位控制的准确度, 我们可以将人工神经网络技术应用于相控开关技术, 这种技术不仅可以控制开关的分散性, 还可以提高电能质量[4]。
4 结语
为了使相控开关技术在电力系统中发挥出最大的功能, 就必须了解相控开关技术的涵义及工作原理, 并了解影响其发挥的两个关键技术问题, 利用数字滤波技术准确地判别出参考电压零过点, 采取快速驱动的开关技术或者是人工神经网络技术来准确控制开关合分时间的分散性。
参考文献
[1]王凯, 李庆民.电力系统相控开关技术及其应用[J].安徽电力, 2011, 21 (4) :5-7
[2]李庆民, 刘卫东, 徐国政.高压快速转换开关的研制[J].高压电器, 2013, 39 (6) :1-2
[3]李庆民, 王冠, 李清泉.电力系统相控开关技术及其智能控制策略[J].电气开关, 2010 (3) :42-46
[4]唐博, 彭安金, 王高丰, 等.采用选相位关合技术消除变压器空载合闸的励磁涌流[J].电气开关, 2010 (3) :22-25
智能相控系统 篇2
关键词：永磁断路器,智能相控系统,过零同步投切
引言
目前变电站电压无功综合自动补偿成套装置, 电容器组作为重要的无功功率设备, 电容器组的投切常常以三相断路器或者三相真空接触器作为操作开关, 采用这种电容器组投切方式不可避免在电容器合闸时会产生较大涌流, 实际测量数据表明:电容的合闸涌流为电容额定电流的4 15倍, 其振荡频率为250 400Hz, 电容合闸产生过电压约为相电压的2 3倍。涌流容易对电容器、开关设备等造成损害, 严重时可能威胁电力设备安全运行。
为了满足电网发展和电力用户对高质量、高可靠供电的需求, 目前所采用的传统措施不能从根本上解决问题, 于是人们提出了同步 (选相控制) 投切技术[1,2,3,4,5], 根据不同负载 (如并联电容器组等) 的特性, 控制开关在电压或电流的最佳相位完成合闸或分闸, 实现无冲击的平滑过渡, 能有效地削弱开关瞬态电磁效应。本文介绍的智能相控系统也是基于电容器组过零同步投切技术, 采用可分相操作的永磁真空断路器及自适应控制技术, 在断口电压过零时刻投入电容器, 在电流过零时刻切除电容器功能, 从而实现电容器组在较小涌流和较低过电压下进行投切。
1 永磁断路器智能相控系统
1.1 永磁断路器智能相控系统的组成及特点
智能相控系统由单稳态真空永磁断路器和分相同步投切控制器两部分组成。
单稳态真空永磁断路器通过电磁合闸、永磁保持及弹簧分闸, 克服了弹簧操动机构和双稳态永磁操动机构断路器各自的不足之处, 综合体现了弹簧操动机构和磁力操动机构与真空灭弧室出力特性的良好配合, 具有优异的机械特性及电气特性。
单稳态真空永磁断路器采用三相独立操动、永磁机构与真空灭弧室上下直线布置的操动方式, 传动部件减至最少, 降低运动部件动能损耗的离散性, 所有机械运动均为直线线性运动, 使开关每相均具有较好的机械合性。而传统弹操机构开关传动部分零部件多, 运动环节长, 运动时间分散性大;控制部分无法实现电子控制, 无法满足精确控制合分闸时刻的要求。
分相同步投切控制器是采用现代微电子控制技术, 以高性能DSP处理器为平台, 能实时、准确的跟踪电网相位信息, 在接收到就地或远方控制指令后能自适应补偿断路器的动作时间, 并根据电容器组的机构以及真空开关的特性, 柔性关合、切断电容器组。
1.2 与传统投切技术的比较
目前电容器组常用的四种投切方式:接触器投切、真空断路器投切、晶闸管投切及永磁断路器智能相控系统。传统的接触器投切方式和真空断路器投切方式虽然价格较低, 但投切过程会产生很大的涌流及过电压, 可靠性一般, 在这两种方式下电容器寿命会受到严重影响, 只有3-4年;晶闸管投切过程产生的涌流和过电压都很小, 可靠性高且能实现分相补偿, 电容器寿命也能维系6-8年, 但其最大缺点在于维护费用高, 投入过程会产生大量谐波, 严重影响电网质量;而相比较之下, 永磁断路器智能相控系统投切方式下, 能实现分相补偿, 产生的合闸涌流及操作过电压值都很小, 电容器寿命能维系在10-15年, 开关电气寿命达15万次, 操作可靠性高且不会对电网产生谐波。
由此可见, 传统的断路器投切方式下, 电容器组不能实现过零投切, 投切时会产生合闸涌流及操作过电压, 严重影响电容器组及断路器寿命;而永磁断路器智能相控系统应用于电容器组投切, 消除了由于合闸涌流、操作过电压对系统及电容器等设备造成的危害, 从而提高了断路器的寿命与系统的稳定性。
2 电容器组投切优化
10kV并联电容器组是一种操作频繁的电气设备, 需要按电网系统电压和无功功率的变化进行频繁投切。而目前10kV以上电网主要采用真空断路器投切电容器组, 由于电容电流与电压的相角差和断路器开断性能的影响, 投电容器组时产生的合闸涌流及过电压, 就会对电容器组、电网设备造成影响。合闸涌流和过电压的影响主要有:使断路器、电抗器、电容器出现损坏故障;冲击电力系统其它设备, 危害电网安全。
为消除由于合闸涌流、操作过电压对系统及电容器等设备造成的危害, 传统上一般采用预插电阻、预插固定电抗器、安装R-C阻容吸收设备、后备氧化锌避雷器 (MOA) 等方法来削弱这些暂态过程。但这些方案都并没有能够从根本上解决电容器投入过程中的涌流和过电压问题。智能相控系统的应用则能较好地削弱电容器投入过程的涌流和过电压现象。图1是永磁断路器智能相控系统应用于电容器组的优化方案。方案中, 采用可分相控制的永磁机构真空断路器和智能选相控制单元替代了传统的弹簧机构真空断路器, 在断口电压过零时刻投入电容器, 在电流过零时刻切除电容器功能, 实现电容器组无涌流和无过电压投切。
3 模拟试验
针对永磁断路器智能相控系统在无功补偿领域的应用, 在某高压试验中心进行了模拟试验, 主要检测智能相控断路器投入电容器组时的合闸涌流和电压过零时间误差、切除电容器组时分闸过电压和电压过零时间误差。表1列出了试验品主要技术参数。
表2测试数据表明, 用永磁断路器智能相控系统投入电容器组时最大合闸涌流为149安培, 而电容量额定电流峰值为76安培, 则最大合闸涌流为1.96倍电容器额定电流峰值, 合闸过程电压过零时间误差最大值为0.81毫秒, 符合要求。
表3测试数据表明, 用永磁断路器智能相控系统投入电容器组时最大分闸过电压为16603伏特, 而电容量额定电压峰值为8650伏特, 则最大分闸过电压为1.92倍电容器额定电压峰值, 分闸过程电压过零时间误差最大值为0.78毫秒, 符合要求。由此可见, 智能相控系统的应用, 能有效地抑制电容器组投切过程产生的合闸涌流和分闸过电压。
4 结语
永磁断路器智能相控系统通过分相控制电容器组合分闸的电压和电流的相角, 能够快速在系统电压过零时投入电容器组, 可极大地减小断路器动作过程中的暂态过程, 实现电容器组过零投切控制;解决了目前无功补偿装置存在的电容器不能分相过零投切, 可靠性低, 优化性能差, 运行不经济等问题;缓解了由于合闸涌流、操作过电压对系统及电容器等设备造成的危害, 提高断路器的寿命与系统的稳定性, 可以用于变电站中需要电容器组较为频繁投切的实际需求。
参考文献
[1]丁富华, 邹积岩, 段雄英.采用数字信号处理器的永磁机构同步控制系统[J].电网技术, 2005年, (19) :39-44
[2]段雄英, 邹积岩, 方春恩等.相控真空开关同步关合电容器组控制策略及其实现[J].大连理工大学学报, 2003, 43 (4) :457-460
[3]段雄英, 邹积岩, 顾王骥, 郑安康等.相控真空断路器同步关合电容器组的研究[J].高压电器, 2003, (4) :28-30
[4]丁富华, 段雄英, 邹积岩.基于同步真空断路器的智能无功补偿装置[J].中国电机工程学报, 25 (6) :30-35
智能相控系统 篇3
为了克服无源RFID系统的工作辐射范围比较小的问题,参考文献[1]提到,通过提高阅读器的灵敏度,使阅读器的收发模块能接收到更加微弱的标签信号,或者通过减少标签的功耗、减低标签电路的触发电压等措施扩大RFID系统的阅读范围,或者增大阅读器天线的增益来增加阅读距离[2]。但是增益增大时会引起波束立体角的变小,提高阅读器的灵敏度需要对芯片进行重新设计。参考文献[3]中采用高精度的直接数字式频率综合器(DDS)和可变增益RF功率放大器实现了电子波束扫描。但是,DDS的引入增加了阅读器系统的功耗。参考文献[4]提出了用相控阵天线技术来扩大RFID阅读器的阅读范围,但只是采用了与阅读器分离的控制信号来进行相控阵天线的波束形成控制,波束形成并未与阅读器有机地配合。鉴于此,笔者对现有的R1000阅读器开发平台进行改造,相控阵天线的波束形成控制信号取自阅读器,这样使控制信号与天线有机地结合,可以实现智能天线的概念,设计了读写器系统的组成和软件工作流程,并实际制作了相控天线阵列。天线阵列由2×2个微带天线单元、3个功率分配器和1个移相器组成。实际系统工作可以实现RFID系统信号覆盖范围的增大。
1 阅读器的改进
本文结合相控阵天线能实现电子扫描的特点,提出了RFID系统的改进方案,通过阅读器信号的控制,配合移相技术实现天线扫描的多状态,发射信号通过移相器使得天线的方向角发生改变,从而产生多个方向的辐射波束,增大了整个系统的阅读空间。图1为本文提出的相控阵RFID系统示意图。
本文提出的相控阵RFID系统设计使用了Intel誖R1000超高频阅读器开发平台。Intel誖R1000射频开发平台是英特尔公司开发的一款可以演示、开发、高性能、低功耗、高数据传输率的集成超高频射频阅读器的开发平台环境。Intel誖R1000开发平台可以被配置成接收天线(RX)和发送天线(TX)共用或者接收天线与发射天线分开单独使用的状态[5]。考虑到系统设计的可行性与成本,本系统采用接收和发送天线公用模式。天线阵列中移相器的开关控制信号可以从阅读器开发平台MCU芯片引出,只需对原有的阅读器平台稍加改造,引出控制信号即可,无需对阅读器芯片进行复杂的改造,容易实现。Intel誖R1000开发平台控制信号的部分连接电路如图2所示。控制电路需要的信号从阅读器平台的微处理器AT91SAM7S256-AU-001芯片管脚PA0引出,外接反相器,通过软件对阅读器开发平台的API函数的调用,实现对MA-COM生产的开关芯片MASWSS0204的控制,从而实现波束扫描,扩大阅读系统信号的覆盖范围。
安装阅读器驱动程序后,使用Intel提供的API函数就能实现对阅读器的自动控制,实现天线阵列的电扫描,流程如下:
(1)初始化阅读器,配置相关参数;
(2)设置天线扫描模式(两个不同的波束方向);
(3)打开天线读写端口,执行读标签操作;
(4)重复第(2)步,直到读写结束。
2 相控阵天线的设计
无源RFID系统的有效作用距离与标签天线接收到的功率有关,无源标签天线只有接收到足够的电磁波能量才能启动标签电路。从弗里斯传输公式(1)得知,天线的接收功率与发射功率、两天线间的距离和天线的有效口径有关[6]。
其中,Pr为接收天线的接收功率,Pt为发射天线的发射功率,Gt为发射天线的增益,Gr为接收天线的增益,R为两天线间的距离。天线的增益G与有效口径面积Ae的关系为:
而天线口径面积Ae与波束立体角ΩA有如下关系:
在一定的频率下,天线口径与波束范围成反比关系。在标签天线接收到的功率不变的情况下,要增加作用距离R,必须增大发射天线的功率或者增大天线的增益。天线增益的增大可以增强天线的方向性,但波束范围却变小了,不利于RFID系统操作范围的扩大。
2.1 相控阵系统的波束控制原理
在相控阵系统中,阵列天线的波束指向由波束控制系统来执行,它主要通过对阵面各单元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。其中各单元相位变化对确定的阵列天线而言主要取决于天线波束指向角的变化。
式中:△φ为单元之间的相位差;d为单元之间的距离;λ为信号波长;θ为天线波束指向角(如图3所示)。
由式(4)可知,对单元相位变化量进行控制就相当于对天线波束指向进行了控制。如果要实现对已有若干单元的阵列天线的波束指向,就需要对这若干单元进行相位控制,保证单元之间具有图4所示的同等相位差。也就是说,只需通过计算△φ,就可以实现对每个单元相位值就波束指向的控制[7]。
2.2 相控阵天线的设计与实现
波束电扫描状态如图4所示,通过对移相器SPDT开关的控制产生不同的相位差,进而实现两个不同的波束扫描状态。上文提到增大天线增益会使天线波束立体角变小,为了在增大天线增益的同时,增大阅读器的信号波束范围,通过移相器实现波束的电扫描,增大了波束的覆盖范围。
本设计的天线阵列如图5所示,设置x方向天线单元之间的距离为0.45λ,y方向为0.3λ。移相器在距离为0.45λ的天线单元(1,2)与(3,4)之间产生90°的相位差,则主波束在天线的H平面产生30°偏移方向角。天线1与2、3与4之间没有相位偏移。
使用ADS2008分别设计了微带线结构的天线单元、功分器和移相器,并制作成PCB板。PCB制作使用FR4材质,介电常数εr为4.5,介质板厚度为1.6 mm。天线单元使用的是微带线侧馈方式。为了提高整个天线阵列各个模块之间的匹配性,在设计时对每个天线单元进行了输入阻抗匹配[8],用安捷伦的E5062A网络分析仪对各个模块进行了测试和验证。图6是天线单元的回波损耗测试曲线,可以看出在915 MHz的频率下,回波损耗值为22 dB,能很好地满足设计要求。天线的方向图如图7所示。
威尔金森功分器具有电路结构简单、损耗低和隔离良好等优点[9,10],所以本设计在天线阵列中选用这种功分器结构。图8、图9为功分器的实物图和不同频率下的s参数值。从测试结果可以看出,在915 MHz的频率下,功分器的回波损耗值为26 dB,隔离度为35 dB。本设计使用的移相器为开关线型移相器,如图10所示。其基本原理是利用PIN二极管的两个单刀双掷开关,使微波信号从两条电长度不同的传输线通过后,得到两个不同的相移量,达到移相的目的[11,12,13]。而设计中使用MA-COM生产的高功率单刀双掷开关芯片MASW0204,通过阅读器对该芯片的控制,达到移相的目的。移相器的相位差设计为90°,根据公式(2),可以获得30°的波束扫描角度。图11所示为移相器的回波损耗测试曲线。从图9、图11可以看出,移相器在915 MHz时的回波损耗值为25 dB,有很好的阻抗匹配。
实际测试结果与仿真设计值有一定的差别,这种偏差主要来源于加工的不准确和介质板介电常数的不一致,特别是基板材质的损耗角正切(TanD)对插入损耗的影响特别大,在条件允许的情况下应尽量选用损耗角正切比较小的材料。
为验证设计的天线阵列的可行性,搭建了整个RFID系统进行实验,如图12所示。在与天线阵列的中心法线方向大约相差60°左右两个对称位置上放置两个无源标签,对天线系统的两个扫描状态进行测试。实验结果表明,该系统在阅读器的控制下能在预设的两个状态中扫描读取标签的EPC值,证实了设计的可行性,增大了阅读区域。图13为天线阵列的方向图。
智能相控系统 篇4
根据雷达工作性能特点,科学、客观、准确地评估其系统效能,有助于分析雷达的工作能力和作战使用过程中存在的问题。现在各国雷达性能优越,尤其相控阵体制雷达被广泛应用。因具有波形多、脉内特性复杂;多任务、多目标实时工作;功能多、探测距离远;反应时间短、数据率高;抗干扰能力强、可靠性好、自动化程度高及结构复杂、成本高、扫描范围受限等特点,所以评价其综合效能存在较多困难,本文采用云重心方法对其进行客观的综合效能评估。
1 相控阵雷达系统效能综合评估指标体系的建立
1.1 指标体系设置原则
指标体系设置原则[2]有以下几点:
(1)完备性。应从雷达满足作战要求的角度出发,对构成系统各项指标进行多方面综合考虑,以便能全面反映该雷达系统效能。
(2)合理性。系统效能评估指标体系应选择能反映该雷达系统的本质特征的参数指标,突出重点,分清主次。
(3)科学性。系统效能评估指标体系的大小应合适,明确各描述参数内涵,排除指标间相容性。对系统效能有重要影响的指标应加以细分,其他指标则适当粗分,减少评估系统的工作量,保证评估的科学性。
(4)可操作性。采用的评估指标应具有可采集性和可量化性特点,各项指标能有效测量和统计。
1.2 系统效能综合评估指标体系的构建
构建指标体系是评估系统的前提条件[3],根据相控阵雷达工作情况分析,影响其主要效能的指标包括探测能力、抗干扰能力、指挥控制能力和可靠能力4个一级指标,18个二级指标。
这些指标包括了一般相控阵雷达大部分的系统效能指标,部分二级指标的含义如下:
(1)探测范围,雷达对目标连续观察的空域。
(2)探测精度,雷达对目标位置的定位精度。
(3)探测容量,雷达同时能跟踪目标的数量。
(4)降低雷达天线副瓣,采用幅度加权的方式,阵列中各天线单元的激励电流幅度按一定的照射函数进行加权。
(5)旁瓣对消、旁瓣消隐,使用一个或多个辅助天线,对辅助通道信号的相位和幅度进行自适应控制并将其输出与主通道合并,便会在干扰机方向产生合成天线方向图响应的零点,即副瓣对消。将辅助通道信号与主通道信号相比较,当前者较后者大时,则主通道内有信号必经副瓣进入的,此时波门开启,阻止副瓣干扰信号进入接收机,因而不显示。
(6)频率捷变,雷达信号载频以随机方式或按一定规律在较宽的频带内做较大范围的捷变,同宽带措施并用。
(7)MTI、MTD,用于杂波或低速无源干扰的对抗,增加相参积累时间。和在时间域里的相干脉冲串(PD)措施是一致的。
(8)干扰探测,用于侦测受干扰的频率点,采用自适应频率可以有效地抗窄带瞄准式干扰。
(9)态势显示能力,包括雷达显示战场目标的航迹、批量等方面的能力。
(10)情报数据传输能力,包括情报传输的速度、质量和对象等。
(11)识别能力,雷达对目标识别的种类和数量。
(12)情报分发能力,指情报信息能够分发的情报使用单位的数量。
(13)情报处理速度,单位时间内雷达处理目标的数量。
(14)装备完好率,指雷达平均无故障工作时间与平均修复时间之比。
2 云重心理论评估模型
云是用语言值表示的某个定性概念与其定量表法之间的不确定性转换模型,云的数字特征用期望值、熵和超熵3个数值表征,它把模糊性和随机性集成到一起,构成定性和定量相互间的映射[4]。
2.1 性能指标的系统状态表示
N个性能指标可以用N个云模型来抽象,那么N个性能指标所反应的系统状态可以用一个N维综合云来表示。当N个指标所反应的系统状态发生变化时,这个N维云的形状也随着发生变化,N维综合云的重心T用一个N维向量来表示。即
T=(T1,T2,…,TN) (1)
当系统状态发生变化时,其重心变化为
T′=(T1′,T2′,…,TN′) (2)
2.2 云重心偏离度的衡量
一个系统在理想状态下云重心向量为
T0=(T
这样,可以用加权偏离度θ来衡量某一状态下与理想状态下综合云重心的差异情况,首先将某一状态下综合云重心向量进行归一化,得到一组向量
TG=(T
其中
经过归一化后,表征系统状态的综合云重心向量均为有大小、有方向和无量纲的值。其加权偏离度θ的值
式中,W
2.3 评语集定义
用云发生器来定义评语集,采用由11个评语所组成的评语集
V=(v1,v2,…,v11) (7)
用语言描述为
V=(无,非常差,很差,较差,差,一般,好,较好,很好,非常好,极好),将11个评语置于连续的语言值标尺上,构成一个定性评测的云发生器,将求得的值输入评测云发生器中。如图2所示。
3 实例分析
运用云重心理论模型对某雷达系统效能进行综合评估。
3.1 指标权重的确立
通过对各个指标的重要性进行打分,运用层次分析法得到各级指标的权重值。
3.1.1 一级指标权重
ω1={0.455,0.320,0.105,0.120}
3.1.2 二级指标的权重
ω21={0.237 8,0.227 0,0.162 2,0.162 2,0.210 8}
ω22={0.081 2,0.100 0,0.095 1,0.120 0,0.120 0,0.132 2,0.134 0,0.140 0,0.077 5}
ω23={0.191 1,0.193 5,0.210 0,0.221 1,0.184 3}
ω24={1}
3.2 二级指标的属性值
二级指标的属性值是根据装备的性能指标及多次试验,通过专家对其打分并结合数学模型计算得出,结果如表1所示。
3.3 一级指标属性值
一级指标属性值采用云重心理论求取,因为二级指标值都是介于[0,1]之间的归一化的属性值。下面以探测能力为例,计算一级指标的属性值。
第一步,三维加权云的重心向量
T=(T1,T2,T3,T4,T5)=(0.622 2×0.237 8,0.854 0×0.227 0,0.924 5×0.162 2,0.210 0×0.162 2,0.182 4×0.210 8)=(0.148 0,0.193 9,0.150 0,0.034 1,0.038 5)。
第二步,计算理想状态下加权综合云的重心向量
T0=(0.237 8×1,0.227 0×1,0.162 2×1,0.162 2×1,0.210 8×1)=(0.237 8,0.227 0,0.162 2,0.162 2,0.210 8)。
第三步,进行归一化
TG=(T
第四步,计算加权偏离度θ
即距离理想状态下的加权偏离度为-0.435 7,则探测能力的属性值A1=1+θ=0.564 3。同理,可以求出其他一级指标的属性值A2=0.829 2,A3=0.734 7,A4=0.652 2。
3.4 总效能值
采用云重心理论求总效能值,同样按照上述方法求取,总效能值A=0.677 5。把总效能值与云发生器比较,可得出某雷达总效能值介于好与很好之间,偏向于很好。
4 结束语
利用“云重心”方法,给出雷达的系统效能,充分考虑了系统因素判断的模糊性,较好地解决了把定性问题进行量化处理的方法,分析过程简单,为试验决策提供了科学方法。
参考文献
[1]钱建刚.大型相控阵雷达系统效能评估[J].武器装备自动化,2007(11):15-18.
[2]周亮,董长清.基于模糊AHP的某新型雷达系统效能评估[J].舰船电子对抗,2007(6):19-22.
[3]郑琦.相控阵雷达的抗干扰系统设计[D].南京:南京理工大学,2006.
智能相控系统 篇5
近年来, 相控阵发射系统在通信电子战领域得到越来越广泛的应用。相控阵发射系统通常采用多阵元大功率空间功率合成体制, 为了使发射信号的功率在空间进行合成, 必须保证各个发射通道输出信号相位的相关性, 空间功率合成要求各发射通道相位和幅度稳定、一致、可控。但在实际系统中, 由于元器件性能差异、电路设计和加工制造差异、设备工作频率和周围温度等环境的变化等各种因素, 使得各通道原始幅度/相位一致性很难控制。相控阵发射系统各通道之间存在幅度和相位特性的不一致性, 对相控阵天线的合成增益、副瓣电平会造成很大的影响, 必须对其加以校正。本文对相控阵发射系统中不同类型的幅相校准方法进行了介绍, 从理论上推导了单通道的幅相检测算法, 并就其工程实现方案进行了较为详细的论证和性能分析, 有助于推广相控阵发射系统在实际通信电子战系统中的进一步应用。
1 幅度/相位校准的原理和分类
幅度/相位校准算法根据测试环路的不同, 可分为“开路校准”和“闭路校准”2大类, 如图1和图2所示。采用“开路校准”时, 测试信号由各发射通道天线向空间辐射, 经无线信道传输后由测试设备接收, 测试距离可以是远场, 也可以是近场;采用“闭路校准”时, 测试信号由发射通道取样输出, 经校准网络有线连接直接馈入测试设备接收。
开路校准通常是在系统调试和上电初始化阶段所采取的通道校准措施, 主要针对非时变误差。这时由于不考虑校准对发射设备正常工作的影响, 可根据实际需要选择校准算法、参考信号的功率和形式等来进行系统开路校准。
闭路校准也称为实时校准, 是指系统正常工作阶段所采取的通道校准措施, 主要针对时变误差。所选择的校准算法、参考信号的功率和形式以及参考信号的获得方式等, 都应该是在不影响设备正常工作的前提下进行。闭路校准是相控阵发射系统中经常采用的通道校准措施, 可以补偿各发射通道信号之间幅度和相位的不一致性, 同时在线检测各通道的物理故障。下面介绍一种易于工程实现的闭路幅相校准开关阵方案。
2 闭环幅相校准开关阵的方案设计
2.1 单通道幅相校准算法
本方案中采用的是单通道幅相校准算法, 相位检测算法是利用信号干涉原理, 取编号为1的通道为基准, 分别检测各通道与基准通道的相差来实现相位检测的。理论分析如下:
设有来自通道1、2的2个信号s1 (t) 、s2 (t) 为:
式中, δ2为通道2相对通道1的相差, Φ2为通道2移相器附加相移, 它可以取0、
两信号合成后有:
对信号P求平均功率RP有:
改变通道2移相器状态有, 即
当
当
当Φ2=0时,
当Φ2=π时,
令
Q2=RP1-RP2=2A1A2sin (δ2) ,
I2=RP3-RP4=2A1A2cos (δ2) ,
同理可求出其他通道Qk和Ik, k=3, …, n。
由此可求得通道2相对于通道1的相对相位, 由Q2和I2的正负号和Q2/I2的值, 可求出δ2=arctan (Q2/I2) , 同理可求出其他通道的相位值。
求各通道幅度
式中, k=1, …, n, 到此已经解出所需要的各个幅度/相位信息:
δk, k=2, …, n即各个通道相对第1个通道的相位差;Psk, k=1, …, n即各个通道的幅度。
单通道幅相校准的优点在于实现简单, 校准通路设备量小、设计实现容易, 可提供各发射通道至天线单元之间所有系统误差的幅度、相位校准数据, 但是校准数据不包含天线单元制造公差、安装误差以及互耦引起的天线阵列各单元之间的幅相不一致性, 必须严格控制天线阵列的制造公差、加工精度和安装公差, 或者通过二次校准获取其幅度和相位的校准数值。
2.2 设备组成
由于各校准支路之间也存在着幅相差异, 因此在幅相检测精度要求比较高的系统中, 必须考虑校准系统自身的幅度/相位误差影响及其校正:理论上各算法对检测系统自身的幅/相要求自然也很高, 将对各个定向耦合器耦合支路之间、各个功分器之间、功分器各路之间的幅相一致性要求比较高, 否则检测出来的数据将是包含这些模块幅相误差的相对幅相值, 而并不是完全意义上的各个通道的相对幅相值, 而在某些多阵元相控阵系统中, 由于对定向耦合器耦合支路、功分器各输出之间幅相要求过于苛刻, 在实际工程中可通过平时测量, 建立对应频率点的幅度/相位数据表, 然后从检测出来的数据中将它们去除。这样对这些射频电路模块的要求就可降低, 校准设备实现框图如图3所示。
由图3可以看出校准设备主要包括:n选1开关阵、合路器和3个二选一开关。输出模式:1～n路任一单路输出, 1和2～n其中任一路合路输出。
3 结束语
该校准方案中系统幅度/相位误差的主要来源为, 各通道移相单元幅度/移相误差、各通道耦合 (取样) 幅度/相位误差、校准开关阵各通道幅度/相位不一致性、耦合通道各环节射频电缆幅度/相位不一致性及校准测试设备测量误差等。经过校准算法分析, 并得到某相控阵发射系统的工程验证, 在L、S频段幅度校准误差可控制到1 dB之内, 相位校准误差可控制到8°之内。在实际工程中可通过平时测量, 建立对应频率点的幅度/相位数据表, 然后从检测出来的数据中将它们去除, 在L、S频段幅度校准误差可控制到0.5 dB之内;相位校准误差可控制到2°之内。
通过理论分析和实际系统的测试验证, 证实了本校准方法的有效性和工程实用性, 为通信电子战领域相控阵发射系统提供了一种简单易行的在线校准方法。
参考文献
[1]张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版社, 2001.
[2]Poisel R A著.通信电子战系统导论[M].吴汉平译.北京:电子工业出版社, 2003.
[3]程强.空间功率合成有源相控阵通道校准算法研究[D].上海大学硕士学位论文, 2001.
智能相控系统 篇6
目前无人机测控系统中要求由一个地面站实现对多架无人机的测控及侦察信息的接收。为此地面站可采用相控阵天线体制,同时形成多个波束分别对应各自控制的无人机。相控阵天线要求在合并前各天线阵元间通道增益和相位严格一致。但是对于无人机控制站,其使用环境恶劣,一般要求工作温度在-40 ℃～+55 ℃均能正常工作,并且要求地面站具有灵活机动的特点。因此,在无人机相控阵体制的地面站中如何实现相控阵天线各通道的方便标校是一个重要的问题。
1 实时标校方案
相控阵天线标校框图如图1所示。每一个天线后面都有射频组件,每一射频组件内都包含接收前端、开关控制器和幅度相位控制器,可以独立地调整各通道的增益及相位,可以独立地关断每一路信号。天线左面n通道合成为左子阵,天线右面n通道合成为右子阵。左子阵与右子阵相加组成和通道。左子阵与右子阵分别通过幅相调节网络合并,做差组成差通道。差信号通过0/π调制器调制由定向耦合器与和通道合并为单通道送后端处理。
射频标校源产生射频标校信号通过分路器分路给各通道作为标校信号。选其中的一个通道(如2n通道)接收信号作为参考,与合路之后的信号一起送矢量电压表或矢网进行比较。
参考信号表达式如式(1)所示。通过各通道的开关控制,关掉其中的2n-1路信号,只留其中的任一路信号,与参考支路比较,分别测出各通道输出信号的相位与参考信号相位差ΔϕL,调整各通道的相位控制器使ΔϕL一致,就实现了相位初始标校的目的。分别测出各通道信号幅度,调整各通道幅度控制器使各通道接收信号幅度一致,实现了幅度标校的目的。
S参考(t)=A0cos(ω0t+ϕ参考)。 (1)
下面分别就天线的和通道标校、差通道标校以及和差通道相位一致性标校方法进行讨论。
1.1 和通道标校过程
和通道标校过程如下:
① 各通道幅相差值的初步测量。通过设置控制开关,只让K通道导通,其他通道截止,把K通道的相位控制器设置为0,幅度衰减器设置为0 dB。送到和通道的信号仅包含K通道信息,其中包含了K通道的增益及相位信息,信号表达式为:
sΣ(t)=AKcos[ω0t+ϕK]。 (2)
与参考信号相比较得K通道信号与参考信道接收信号的相位差为:
ΔϕK=ϕK-ϕ参考。
通过直接测量得到K通道的信号幅度AK,把ΔϕK、AK存入计算机中。
与K路相同,分别测出其他2n-1路的幅值及相位差,存入计算机。
② 各通道幅相零值计算如下:
幅度零值:选择其中幅度最低的一路信号作为参考(假设为第L路);计算其他任一通道K与参考通道的幅度差值:undefineddB,以此作为第K通道的幅度零值,第L通道幅度零值为0 dB。
相位零值:选择第一路作为参考,设置其相位零值为0,计算其他任一通道K的相位零值:
[Δϕ0-ΔϕK]MOD 360。
③ 改变射频标校源频率,在系统工作频带内进行多点标校,存储不同频点的初始标校值。
1.2 差通道标校过程
差通道标校过程如下:
① 把左右子阵中各通道幅度控制器及相位控制器设置为标校零值;
② 差通道右、和通道设置为截止状态,差通道左设置为导通状态,差通道左相位控制器设置为0,幅度衰减器设置为0 dB。测量差通道左与参考通道相比的相位差:Δϕ左=ϕ左-ϕ参考,测量差通道左的幅度值A左;
③ 差通道左、和通道设置为截止状态,差通道右设置为导通状态,差通道右相位控制器设置为0,幅度衰减器设置为0 dB。测量差通道右与参考通道相比的相位差:Δϕ右=ϕ右-ϕ参考,测量差通道右的幅度值A右;
④ 零值计算如下:
相位零值:选择左通道作为基准,设置其相位零值为0,取[Δϕ左-Δϕ右+180°]MOD 360作为差通道右的相位零值;
幅度零值:选择A左、A右中幅度较低的一路信号作为参考(假设为A左);计算undefineddB,以此作为差通道右的幅度零值,差通道左的幅度零值为0 dB;
⑤ 改变射频标校源频率,在系统工作频带内进行多点标校。
1.3 和差通道相位一致性标校过程
标校方法同1.2,把差通道左和和通道相位标校为一致,得到和通道相位零值为:
[Δϕ左-Δϕ和]MOD 360。
2 系统标校误差对波束形成的影响
通过上面的标校,系统各通道幅度及相位还存在一定的标校误差,下面就幅度及相位标校误差对系统和、差波束的影响进行仿真分析。
如图2所示,以16元线阵作为仿真模型,设要形成的波束指向为θB(仿真时波束指向为0°,θB=0),则各通道移相器差值设置为undefined,设第n阵元的相位误差和幅度误差分别为Φn和δn。则第n个天线阵元在远区产生的电场强度表示为:
undefined。
则和波束方向图为:
undefineddB。
差波束方向图为:
undefined。
考虑幅度标校随机误差为0.5 dB、1 dB和2 dB和3 dB情况下,幅度误差对和、差波束方向图及差零深的影响。图3为不同幅度误差情况下系统和、差波束方向图(0.5 dB和3 dB),表1为不同幅度误差对系统和、差波束方向图及差零深的影响。
由图3及表1可看出各通道幅度标校残差对和波束影响不大,但对差波束影响较大。
考虑相位标校随机误差为2°、5°、10°、15°等情况下,相位误差对和、差波束方向图及差零深的影响。表2为不同相位误差对系统和、差波束方向图及差零深的影响,图4为不同相位误差系统和、差波束方向图(2°和15°)。
由图4及表2可看出各通道相位标校残差对和波束影响不大,对差波束有一定的影响,但没有幅度残差影响大,实际系统标校过程中相位残差很容易做到5°以内。
3 结束语
系统标校是和差波束形成的关键,利用矢量电压表进行标校是可行的。通过对幅度、相位误差对系统和差波束形成的影响分析,建议系统指标分配时,幅度标校误差应控制在1 dB之内,相位标校误差应控制在5°以内,这样对波束形成影响不大。
参考文献
[1]向敬成,张明友.雷达系统[M].北京:电子工业出版社,2001.
[2]张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版社,2001.
智能相控系统 篇7
相控阵天线以其波束灵活扫描、多波束形成和响应快速的特点,在雷达、通信等领域中受到广泛关注。对于空间馈电的单脉冲有源相控阵天线,天线处于接收状态时,要求同时形成接收和波束、方位差波束和俯仰差波束; 天线处于发射状态时,形成发射和波束。空间馈电有源相控阵天线中,这4个波束的形成一般依靠馈源实现。传统空间馈电有源相控阵馈源一般采用多模喇叭实现这4种波束[1,2],但多模喇叭很难实现收发波束灵活赋形; 此外,为了激励有源天线阵面,多模喇叭通常需要一大功率功放作激励源。这些问题的引入,给单脉冲有源相控阵天线的馈源设计带来了很大的挑战。
1有源馈源阵系统总体设计方案
有源馈源阵用作空间馈电有源相控阵雷达天线的馈源。如图1所示,有源馈源由辐射单元阵面、 T / R组件、馈电网络、激励器( 含电源,收 / 发控制) 、 冷却系统和支撑结构及小功放等构成。根据有源相控阵雷达天线的使用要求以及空间馈电天线系统的一般设计原则,选择由4 × 4天线微带偶极子 天线[3,4,5]单元构成的阵列天线作为该雷达天线的组合馈源是适中的,按矩形栅格排列成小面阵。
每个天线单元后面一一对应T/R组件,T/R组件用于发射时的RF功率放大和接收时的小信号低噪声放大,并通过其内部进行幅/相控制,以满足天线阵面的口径幅/相分布的需要。
T / R通道后面带有激励器 ( 含电源 ) ,激励器 ( 含电源) 用于驱动和控制T/R组件正常工作。激励器接收波控线网上来的各种控制信号,进行融合处理并再分配,而后控制T/R组件的RF信号的相位、幅度、收发通道切换和接收通道衰减等,同时对T / R组件的主要硬件进行故障检测,并把检测结果按要求送回波控机或雷达中心计算机。激励器内含的电源为T/R组件提供工作电压和电流。
收 / 发控制用来协调4×4个T/R组件的工作,保证馈源的收/发与天线阵面的同步,并按约定的工作模式计算波控码,送到相应的激励器端口上。此收/发波控机由馈源激励器内部实现。
馈电网络用于将4×4矩形栅格上的RF能量和信号进行分配与组合,获得雷达所需要的发射和波束 Σt,接收和波束 Σr,方位差波束 ΔA、俯仰差波束 ΔE。
小功放为整个有源馈源提供激励信号。阵冷却系统用于T/R组件的散热。支撑结构用来支撑有源( T/R) 阵列馈源组合,并与封闭式空馈结构相适应。
2有源馈源阵系统关键技术分析
2.1有源馈源阵辐射单元阵列设计
由4×4个印刷天线辐射单元构成的小面阵如图2所示,按矩形栅格排列。
天线阵面单元间距确定为: dx= 0. 8λ,dy= 0. 8λ 。辐射单元与T / R组件一一对应,共同构成2个“背靠背”列线阵,每个列线阵均由4×2个单元组成。
为了减小整个馈源的纵向尺寸以及便于维护, 激励器可以安置在馈源的周围两侧,并设有保护板。
2.2有源馈源阵的馈电网络设计
馈电网络由4个1分4功率分配器、二维和差一体化网络[6,7,8]、环形器和若干电缆组件构成。4×4阵列馈源单元的组合馈电网络,是把16个输入输出馈电点转换为4个输入输出馈电点,反之亦然。这里16个馈电点发射时对天线阵面照射,而后接收来自天线阵面的回波信号。后面的4个馈电点每一个都将对应一个波束通道,分别形成发射波束 Σt、接收和波束 Σr、方位差波束 ΔA以及俯仰差波束 ΔE。 阵面分成4个子阵,每个子阵为2×2共4个单元,该4个单元通过1个4路合成器合成一路,4个子阵形成4路,进入后面和差网络及环形器,形成整个强迫馈电网络。阵列馈电网络示意图如图3所示。
2.3有源馈源阵的T/R组件
有源阵列馈源包含16个T/R组件,安装于阵列支撑架上。馈源的T/R组件饱和输出的发射功率由天线阵面T/R的发射通道达到功率饱和输出时的最小输入驱动功率以及阵列馈源组合距天线阵面的距离共同确定。根据设计要求,在天线收发工作时,可以根据系统要求,对每个T/R组件进行单独配相。根据已确定的天线阵面尺寸及规模,估算出阵列馈源组合总输出功率,考虑到天线70% 效率,可确定T/R组件的发射功率,如此把原来需要大功率激励源分解为16个小功率激励源,通过空间功率合成,得到天线阵面需要的功率要求。
2.4有源馈源阵发射时小功放设计
估计馈电网络的发射通道 Σt的插入损耗,根据单个T/R组件的发射驱动功率电平为要求,满足驱动有源馈源阵4 × 4个T/R组件使之发射时输出最大。
可直接用一个T组件作为阵列馈源组合发射时的小功放。小功放直接安放于馈源冷板上,水冷冷却。
2.5有源馈源阵收/发方向图软件赋形设计
4×4阵列组合馈源在发射时,希望每一个T / R组件的发射输出功率都达到最大,并通过相位赋形获得需要的发射波束 Σt。接收时使每一个T/R组件的接收通道的增益均衡一致。尽管阵列馈源系统不扫描,但仍须移相器作相位赋形以及馈源的接收相位校准。为了获得天线阵面所需要的馈源收 /发方向图形 状,需对馈源 采用唯相 位软件加 权技术[2,9]对阵列组合馈源的方向图进行控制。
天线发射时,控制馈源发射波束宽度约为60°, 经多次迭代计算采用表1所示的加权相位对阵列组合馈源加权。
单位( ° )
天线接收时,阵列组合馈源要获得在±30°范围内10 d B锥削分布,经多次迭代计算采用表2所示的加权相位。
单位( ° )
2.6有源馈源阵结构
有源馈源阵在结构上自成独立系统,必须适应封闭式空馈结构要求,做到自密封和电磁屏蔽。支撑结构用来支撑有源馈源阵,并与封闭式空馈结构相适应。
馈源采用水冷散热。并且能够翻倒收起,三维立体图如图4所示。
3系统仿真与应用结果分析
通过馈电网络控制4×4阵列馈源单元相位分布如表1和表2所示,利用式( 1)[2]即可计算有源馈源阵收/发方向图。
式中,dx为X方向阵元间距; dy为Y方向的阵元间距; amn为第mn个单元馈电相对于第00单元的馈电强度的比值; ψmn为第mn个单元馈电相对于00单元的相位差。阵列组合馈源发射方向图如图5所示。
发射时采用表1所示的相位加权技术与空间功率合成,发射方向图波束宽度>60°,馈源发射功率满足阵面激励需求。阵列组合馈源接收和差方向图如图6所示。接收时采用表2所示的相位加权以及阵列和差设计等方法,获得了接收和方向图满足±30°锥削分布 > 10 d B的要求,差方向图零深大于30 d B,满足有源馈源阵技术要求。
该有源馈源运用于空间馈电有源相控阵雷达天线,经实测,天线和接收副瓣电平>25 d B,差接收副瓣电平>20 d B,差零深>30 d B,天线发射时天线T通道饱和工作,这些性能满足天馈线系统要求。
4结束语