雷达测试（共8篇）
雷达测试 篇1
1引言
雷达测试技术在现代雷达系统中占有重要的地位。 雷达测试分为机内测试与脱机测试。机内测试是利用雷达BIT(built-in-test,机内自检 ) 技术[1],由雷达自身提供BIT信息,主要用于雷达工作时检查、测试和记录雷达系统性能,监视雷达运行时各个阶段的故障状况,以便用户如实掌握雷达系统的工作情况。脱机测试是利用自动测试系统 (ATS,Automatic Test System)对雷达进行测试,并对测试结果进行故障推理[2]。
BIT的测试能力要求BIT设备具有发送激励、响应回收及智能分析能力,这需要为全系统和各个分系统甚至个别部件增加大量软硬件,这意味着系统可靠性的降低,使得系统更加复杂,使用和维护更加困难,并且BIT是建立在BIT设备无故障的前提下实现测试能力的,一旦BIT设备发生故障,将导致虚警、无法检测和诊断。对于BIT无法检测出的故障点必须采用机外ATS测试。ATS具有开放性和扩展性,可以面向更广泛的被测对象,并且通过更换测试接口适配器,一套ATS可以测试多种类型的雷达,对雷达自动测试技术的研究具有较高的经济价值。
随着雷达相关电子技术的发展,新型雷达采用了高集成、高速度、高密度电子设计技术。采用先进的计算机技术、 测试技术与故障诊断技术构建自动测试系统,实现雷达装备测试,维修保障综合化,可有效提高维修保障效率[3,4], 使雷达装备处于良好的战时与备战状态,是保持与迅速恢复战斗力的重要手段。目前这一趋势已成为雷达全寿命周期中不可或缺的重要组成部分。
目前雷达测试的内容和范围具有广泛性。测试可以在元器件/芯片级、电路板级到功能单元、子系统级、系统级等不同级别进行;可以对雷达发射信号参数、雷达接收机性能参数和雷达系统性能等不同方面进行测试;还可以对特殊雷达体制所要求的性能指标,如雷达接收机的灵敏度、角跟踪特性、导弹制导指令通道、接收机多普勒频率覆盖范围以及测量雷达对于高速目标的测量精度等技术参数进行测试。
2自动测试系统的构成与原理
2.1基本构成
自动测试系统主要由机柜、数字示波器、波形发生器、 数字万用表、以及各类专用仪器仪表组成(一般而言这些仪表均可通过“虚拟方式”接入到智能计算机系统中)、 JTAG(Joint Test Action Group,联合测试行动小组)测试模块、数字IO(In-Out,输入输出)模块、程控电源、被测件适配器、计算机和打印机等部分组成。
2.2工作原理
以混合电路组件测试为例,混合电路组件测试台采用无源适配器[5],可有效提高数量和种类较多的各种适配板的可靠性,避免因为适配板的原因造成误判、漏判或错判。 底板融合设计能够测量所有混合电路组件电信号的功能, 包括计算 机、FPGA(Field-Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列)、接口和其它必要的故障判据电路,同时自身具备完善的自检手段,确保自身的稳定性。程序运行时会根据适配板的型号系统自动识别出当前的被测件种类,并运行相应的程序。混合电路组件测试原理框图如图1所示。
3测试系统的关键技术
3.1关键技术
自动测试设备在完成测试的同时要确保被测件技术状态不被更改或做可逆的更改,首要面对的问题为如何解决保持测试时被测件自身软件、固件状态;其次为提供归一化人机界面,即提供给用户的软件应是具有统一风格与独立面向对象,而需避免在一个操作系统中同时运行多个应用软件;同时在项目研制中,如用实际被测件进行故障模拟与维护,可能导致对被测件的损伤,因此依据TPS,开发一套与实际故障一一对应的故障模拟操作系统,以嵌入方式集成在系统软件中[6]。
在自动测试系统工程化过程中,还需要解决虚拟仪器底层驱动开发与GPIB总线接入、基于驱动的数据库管理以及开放式测试台与被测件适配器结构设计等问题。
3.1.1动态可重构数字I/O
传统的测试系统要么依赖外部信号源施加激励,此种方法需依靠仪表产生众多繁杂的输入激励信号,而雷达数字插件内部目前多采用超大规模集成电路,FPGA输入管脚多为双向且信号绝大多数只在印制板内部互联,仪表提供的激励信号一是数量上不能满足需求,另一是复杂度不能满足测试需求。本项目采用的是动态可重构数字IO技术,不更改加载芯片的内容,而在每次测试时调用底层计算机存储器中事先设计好的测试固件软件,一次有效。掉电后再上电,加载芯片会依照原技术状态对FPGA进行加载,可确保被测件固件技术状态一致有效性。其原理如图2所示。
3.1.2基于XML中间件边界扫描
软件的设计流程为:将SCANWORKS测试产生的XML (Extensible Markup Language,可扩展标记语言)文件进行解析,智能分析冗余错误信息后,显示精简的XML文件解析结果。根据解析结果,自动判断故障器件的出错方位, 并实现故障器件位置在硬件电路板图的匹配,直观的为测试人员显示故障器件的位置。通过对冗余出错信息的智能判断,故障器件的进一步拾取,得到故障原因、故障器件信息与故障器件位置的交互显示,辅助测试人员从包含大量冗余测试结果的信息中,快速得到故障器件位置与故障原因,以进行快速维修。边界扫描报表解析结构图如图3所示。
3.1.3开放式适配器结构
在雷达系统电子设备中,使用了大量的插件,不同类型、不同功能或不同批次的雷达产品使用的插件,其连接器型号、结构形式与主要功能并不相同。
结构需要解决的技术问题是提供一种用于电子设备插件故障检测的多功能测试台,使其能够满足不同类型、不同功能的插件的故障检测。
所有的适配器与测试模块均设计成盒式插件形式,并设计有辅助进行快速拔插的结构形式,能够方便快捷的进行更换。通过使用对应的适配器和测试模块,即可在同一测试平台上完成不同类型、不同功能的插件的性能指标测试与故障隔离测试。
4结束语
随着雷达装备现代化的发展 ,装备的可靠性、可维修性已成为战斗力的重要组成部分,它与作战性能居于同等重要的地位,并对装备的作战能力、生存力、部署机动性、 维修人力和使用保障费用等产生重要的影响。综合智能测试技术能够提高故障诊断精确性、显著地缩短诊断时间、 降低维修保障成本,从而提高装备的完好率,对雷达装备提高使用效率起到非常重要的作用。
摘要：雷达测试技术在现代雷达系统中占有重要的地位,能够提高装备故障诊断精确性、缩短诊断时间、降低维修保障成本,从而提高装备的完好率,对雷达装备提高使用效率起到非常重要的作用。文中分别对机内测试和脱机测试作了阐述,并对自动测试系统的架构和工作原理进行了分析。
关键词：测试,适配器,数字I/O,边界扫描
雷达测试 篇2
【关键词】相控阵雷达;天线;多任务;测试系统;设计方法
近场天线测试系统作为相控阵雷达天线性能测试的主要手段，该系统随着相控阵天线技术的完善，其测试效率也不断提升。基于应用需求，近场天线测试系统实现多任务测试是发展的主要趋势，目前该系统也已经被广泛的推广应用。
一、相控阵雷达天线概述
相控阵雷达包括有源电子扫描阵列雷达、无源电子扫描阵列雷达，其主要是通过改变天线表面的阵列波束合成形式，进而改变波束扫描方向的雷达。此类型的雷达天线的侦测范围较为广泛，利用电子扫描，能够快速的改变波束方向，精准的测量目标信号。
二、近场天线测试系统建设功能需求分析
近场天线测试系统设计，需要做好软件需求分析，此系统功能需求如下：1）要能够满足全测试周期可配置，以及软件通用化需求。此功能需求的实现，责任需要构建众多数据源输入接口，配置通信协议以及软件界面等，面向各类相控阵天线测试，进而达到通用化需求目标。2）实现多任务测试。相控阵雷达天线的不断发展，使得传统的单任务测试方法，已经难以满足天线测试需求，基于此进行多任务测试方法设计，在测试探头单独扫描条件下，采取高密度测试方法，即多个频率与波束等，实现高效测试。
三、相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法
多任务测试系统主要是利用软件，进行测试参数预设，包括测试频率、波束角度、扫描架运用范围等。利用数据处理软件，进行分解转换测试，计算各采样点数据，获取天线方向图性能参数，最后显示图像。3.1架构设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统架构设计，其是基于构件化设计思想，利用软件构成元素，由标准接口负责提供特定服务，以支持系统开发。系统架构中的构件库，主要分为数据采集类、三维扫描控制补偿类、方向图与数据处理类，构件存在形式为COM、dll等，使用构件管理工具，则能够进行动态加载与管理，进而在系统开发过程中，进行构件注册与复制，实现版本控制。利用GetTypes静态方法，来获取Assembly内的构件类型，判断构件类型，看其是否为构件接口所派生的，若是则运用Activator动态方法，即CreateInstan函数，来获取构件，实现动态加载[1]。3.2多任务设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计时，需要进行多任务设计。相控阵天线的各波束状态，主要是天线波控分系统控制，天线接收波控指令包，由波控分系统进行分解处理，对天线上的波束扫描进行控制。近场天线多任务测试设计，其核心思想是实现天线实时扫面测试，同时控制天线频率与波束等的切换，进而实现实时同步切换。多任务测试系统运行的过程中会产生大量的数据，因此为了避免数据访问冲突，则采取创建多线程的方法，进行数据处理，将其分为数据处理与显示型、接收机测试型、伺服控制型线程。线程创建后，将会独立运行，各线程将会在其自身的时间段内，使用CPU，实现轮流执行与并发执行。3.3系统接口设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统功能实现，数据源要与数据服务层实现交互，同时还需要确保数据服务层和客户端实现交互。天线近场测试系统主要是利用数据源插件，来封装底层API驱动或者通讯协议，基于标准函数，形成动态链接库，以实现测试的实时性。系统数据服务层的功能为插件容器，当系统运行时能够实现快速配置查找，动态的将插件放入系统构架中，或者从构架中取出，实现系统功能配置。利用TCP网络通信，实现数据服务层和客户端的信息交互，用户可以登录账号，通过身份验证后，完成界面文件下载，由客户端负责发送TCP连接请求，基于通讯协议，进而实现交互。3.4控制器设计相控阵雷达天线近场多任务测试系统控制器设计，主要包括雷控信号仿真电路、GPIB接口电路、信号转换电路与电源等。系统运行前，控制器通过GPIB接口电路，来接收系统中心的指令，记录测试所需要的频率码与波位码等，将其传送给雷控信号仿真电路，基于定时协议，实现解码与缓存。开始测试后，信号电路接收外触发信号，基于各测试点，将雷控与定时信号传送给天线，实现波位切换，同时而仿真电路能够和雷控信号、定时信号协调发出信号。最后协调控制天线测试所需要的各种信号，实现多任务测试[2]。3.3结束语相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计，需要合理设计系统架构，以及多任务测试功能、接口设计等，以确保系统能够实现多任务测试与可拓展性，提高天线测试的效率。
参考文献
雷达测试 篇3
跟踪测量雷达技术应用广泛, 在靶场测量, 武器校准, 飞行物定位和其他民事经济、军事应用方面, 其中具有代表性的有:连续波和单脉冲以及相控阵跟踪测量雷达。当下国际通用的雷达系统主要有以下几个组成部分:雷达波发射系统、雷达波接收系统、天控系统、天馈系统、信号及数据处理系统等构成。为确保测量精度, 在设备开始工作前, 需对其进行检查。
1 雷达技术测试应用中的特点
由于雷达应用功能不同, 所以, 在技术测试技术指标和测试频点也略有不同, 其中比较突出差异点体现在脉冲和连续波测量雷达, 技术测试状态差别较大。特别值得一提的是, 正常通用的技术测试中, 包括整机动态和分系统的技术指标测试。
雷达整机动态主要测试有:诸元标定、光电轴匹配测试和校准等。分系统静态测试主要:接收分系统、发射分系统及天馈分系统等。其中发射系统测试主要有:三阶交调, 频谱参数、发射脉冲波形、发动机功率、发射机工作频率、增益平坦度等等。
当前, 雷达分系统测试主要包括:三阶交调、接收机灵敏度、噪音系数、增益平坦度、恢复时间、镜象抑制、天线增益等。
2 测试技术和仪器的选择
2.1 示波器测量
示波器, 通常是指一种波纹曲线, 在应用中可以观察不同种信号源的强弱随时间变化的痕迹, 同时, 还可以用它测试不同幅度的电量数据, 如电流、电压、频率、相位差等。在测试应用中, 可以直观得出多个变量间的数据稳定和一瞬间函数关系和逻辑关系, 以及在对一些物理量的存储及变换作出记录。数字存储示波器, 在测试中将捕抓到的波形通过A/D转换成数字化, 存入存储器中, 方便长期存储并进行下一步的处理。如, 对被测波形的幅值、频率、平均值及前后沿时间等多种复杂处理。
2.2 频谱分析仪测量
频谱仪用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量, 可用用来检测放大器和滤波器等电路系统的重要数据。
按原理分为非实时和实时频谱仪。非实时频谱分析仪是一种可以显示分析结果的扫描型接收机, 可以分析连续信号和周期信号。工作波频段是声频直至亚毫米。实时式频谱分析仪存在有限时间内存在提取信号的全部频谱信息进行分析并显示其结果的仪器主要用于分析持续时间很短的非重复性平稳随机过程和暂态过程, 对于40兆赫以下的低频和极低频连续信号, 一样可以分析并显示向位。
在雷达技术状态连续波测试中, 频谱仪较为广泛应用。雷达技术多项测试包括:三阶交调测试、调制度测试、频响测试、幅相变换测试、频谱频点纯度测试等。频谱仪已是雷达技术中设备状态检测中不可缺少的测试仪器。
2.3 矢量网络分析仪测量
所谓网络分析, 是指对比较复杂系统中的电路和元件的电气性进行测量的一个过程。系统在发出信号时, 能最大化的用最小失真和最高效率, 将信息由一处传送到另一处。既能测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值, 又能测相位, 这种矢量网络分析仪能利用史密斯圆图精确的显示最终测试数据结果。
在雷达技术应用的测试中, 矢量网络分析仪主要测试天馈系统的群延时和馈线驻波系数等。
3 系统开发技术管理
3.1 现场测试系统组成与开发技术
雷达测试系统包括主要测试仪和机内测试, 测试计算机现场统一进行离线测试和在线监视测试, 完成机外和机内实际测试。测试仪器主要有多种功率计、信号源、数字存储示波器、矢量网络分析仪、频谱分析仪、射频开关和测试仪器包括频率计等。
雷达系统机内测试接口包括数字、模拟接口、网络接口等现场测试计算机测试夹具与适配电路射频开关各种信号频功率计/频率计数字存储示波器频谱分析仪矢量网络分析仪测试仪器总线包括GPIB、TCP/IP、串口等。
现场测试数据人员, 在操作过程中应严格按照测试手册进行, 在现场测试的应用软件系统中, 首先要进行分系统、针对性的部件技术状态参数自动测试、查询、诊断及判定工作。除了人工手动操作外, 还可以进行技术状态的自动测试, 对仪器测试设置条件、参数及测量结果的显示方式, 获取和储存测试结果, 现场测试人员在测试结束后, 现场打印测试报告, 并详实的通过数据汇总结出测试结论。
在应用过程中, 现场测试系统的开发用面向技术和技术框架有利于测试和修改。在进行中的多种环境的测试中, 都基于VISA标准, 将测试所获得的数据和方法作为基类的虚拟函数, 然后选择在最佳型号中实施控制指令。
测试软件可进行的测试项目应由测试画面实现, 在测试中, 有测试、显示, 数据搜索生成报告等, 并调用测试设备和仪器类, 按照测试的要求, 扫描状态参数并在数据库保存。在测试结束后, 用于生成测试数据报告, 方便进行技术性处理。
3.2 远程测试系统的设计与架构
为确保大型装备的可靠性, 定时对设备维护保养, 确保顺利测试, 还需要发展远程测试技术保障, 及时监控被测试系统的运行状况, 提前排查故障, 判定故障部位及原因, 提高保障装备的有效性及维修效率。
现场测试计算机应由数据库系统、现场测试软件、WEB服务系统及远程通信数据接口, 可以有效的生成网络测试机远程系统。专家在测试应用中, 可以通过光纤网络与现场测试的计算机进行连接, 并用数据软件, 对正在进行的测试进行远程协同诊断。
在配备远程测试系统中, 诊断管理中心可以和现场测试计算机可通过有线和无线等光纤网络进行连接, 通过建立内部局域网专用服务器, 构建专享网络平台。客户主机就相当于现场指挥管理中心, 对现场测试进行全程跟踪诊断, 并对多台联网电脑发出指令。诊断专家用浏览器登陆到诊断管理中心, 进行各种设备数据调试及测试。
在测试现场电脑软件中, 通过终端网络平台可以远程发出控制指令由数据传输转化为现场控制指令, 实现远程监控的网络测试。而远程设备端的排查人员可以从WEB浏览器运行中下载AC-TIVEX组件, 实施远程网络的测试分析。在实现这一个过程中需要多种仪器设备进行配合。
4 结束语
为保证大型雷达测量精度, 需要充分发挥测量雷达中技术状态管理。而雷达技术状态管理中测试软件的设计、管理及使用是基础。文章分析跟踪测量雷达技术状态应用测试需求的特点, 测试技术和、数据仪器的选择, 远程监控测试系统的安全稳定的数据分析。经过多轮的技术状态测试表明, 有必要在大型测量雷达技术状态测试中配备远程监控管理系统, 进行远程控制诊断, 确保装备有效运行。
参考文献
[1]GJB 3206A-2010.技术状态管理[S].
[2]孙凯, 张耀辉, 王继富, 等.装备技术状态动态评估方法[J].火力与指挥控制, 2013 (5) :99-102.
雷达测试 篇4
杨艳青等尝试通过建立隧道衬砌模拟实验来探寻电磁波信号的真实传播特征［8］,但该模型建立在理想条件下,没有考虑实际干扰因素; 刘斌等通过后期信号处理方法的改进以提高地质雷达检测的准确率,但同时也放大了信号中的干扰信息［9，10］。已有研究表明,尚未有较为理想的雷达数据后处理方法来剔除或屏蔽雷达信号中的噪音干扰［11］,因此,开展雷达数据的二次分析处理,构建雷达信号三维信息显得尤为重要。
希尔伯特变换( Hilbert) 是一种处理非平稳信号的有效方法,在信号处理时可以去除噪音数据,提高数据的质量,因此本文尝试采用该数据信号处理方法对某隧道工程实测地质雷达数据进行二次处理。通过-对雷达数据去除干扰信号,在信号达到合理信噪比的基础上,编写数据处理程序,-对信号数据进行Hilbert变换－,- 提取信号的瞬时振幅,频率和相位三个特征参数,并在matlab平台上绘制三维信息图,即瞬时振幅图、瞬时频率图和瞬时相位图,进而对地质雷达实测数据进行解读分析。通过对各特征参数的对比分析,对隧道工程的结构特征进行了分析,提升了地质雷达图像的可读性,提高隧道衬砌质量评估的准确性。
1 信号的Hilbert变换处理方法
1. 1 Hilbert变换原理
地质雷达通过发射天线向下发射高频短脉冲电磁波信号记为x( t) 。x( t) 的Hilbert变换定义为x( t) 与函数的卷积:h(t)=1πt
式中: * 表示卷积; H[x( t) ]表示时频中的一种希尔伯特变换。
以x( t) 为实部,以x( t) 经过Hilbert变换后的H[x( t) ]为虚部,构造具有唯一性的解析信号f( t) :
其中信号的瞬时幅值表示为:
信号的瞬时相位表示为:
信号的瞬时频率表示为:
1. 2 信号处理方法
地质雷达信号处理常用傅里叶变换方法,即将时间域信号转换到频率域进行滤波去噪,使得在处理地质雷达非平稳信号时只能给出平均值,不具有时变性,因此不能体现信号分时特征。基于此,本文拟采用Hilbert变换分解出信号的多个特征参数,包括瞬时相位,瞬时频率,瞬时振幅等。根据电磁波理论,电磁信号从高阻入射到低阻介质时,反射波与入射波反向,否则同向,另外相位的变化与能量强度相关性较小,可利用瞬时相位实现对深层目标物的有效研判。瞬时频率为瞬时相位对时间的一阶导,表征瞬时相位变化率,对介质物性变化敏感。雷达数据信号处理具体技术流程如图1 所示。
2 实际工程应用
2. 1 工程概况
南京某隧道衬砌工程,拟建区地面起伏较大,地处构造剥蚀低山丘陵区,隧道开挖面岩土层主要为Q3 黏性土及残坡积土,厚度0. 8 ~ 17. 0 m,下部为燕山期的闪长岩,隧道基底下主要为中风化闪长岩。围岩稳定性较差,隧道中心埋深约为22 m,区间采用矿山法施工。
2. 2 雷达参数设置及测线布设
本次隧道衬砌探测选用意大利IDS公司RIS系列雷达,采用2 000 MHz高频天线,连续式测量,根据探测深度要求时窗设为15 ns,根据经验波速设为10 cm / ns,每道采样点数512。隧道衬砌结构如图2( a) 所示,沿隧道纵向共布设3 条测线,分别是一条顶测线和两条腰部测线( 图2( b) 所示) 。
2. 3 典型信号图像分析
本次测试针对隧道初衬结构,对采集到的雷达原始数据,依据图1 给出的雷达信号处理流程,经过对数据进行处理后,得到雷达信号瞬时图像。
图3 为雷达信号瞬时振幅图,图中衬砌信号在深度5 cm以浅呈现信号比较紊乱,原因是初衬表面较毛糙,天线在不平整的表面滑行时产生了较多的背景噪音信号。在瞬时振幅图中,钢拱架两根主筋位置信号有明显的波峰状。从图像中推算钢拱架两主筋间距约为20 cm,与设计报告进行对比,验证了所推算结果的合理性; 由于电磁波信号在潮湿混凝土中衰减严重,随着深度的增加下部振幅信号急剧减少,在未对下部衰减信号进行线性增益补偿时,从图3 中很难读取下部目标物的信息,有效判别范围受到限制。然而电磁波的相位和频率信号受深度的影响较小,因此提取其瞬时频率以及瞬时相位信号数据,可实现对衬砌深部区域的质量监测与评估。
瞬时频率表征瞬时相位变化率,优点是对物性变化敏感,从图4 雷达信号瞬时频率图可以看出,由于衬砌表面较粗糙,天线耦合效果差,使10 cm以浅相位信号受干扰较大。钢拱架信号反射强烈且同相轴不连续; 相位反射在混凝土中明显强于围岩,说明围岩的密实度与完整性均较好,初砌混凝土与围岩的分界面清晰可见,从图中4 可知未经校准喷射衬砌厚度约为30 cm,验证了衬砌设计厚度; 在中心埋深0. 4 m位置,具体范围为40 ~ 55 道信号波,紧贴交界面存在一处信号相位反射波较多的异常区域,该处信号反射较周围区域强烈,推测该处为围岩松动区。混凝土初衬与围岩的分界面呈条带状,连续分布,可信度高。另外在频率图中紧贴分界面同样显示有一处异常区域,表现为反射波较多,同相轴连续性差,反射强弱变化明显,推测为围岩松动区。
抽取典型断面中单道波形( 第27 道) 的相位信号与频率信号图,如图5 所示。单道相位图0. 1 m以浅受天线耦合作用影响,存在较大振幅波形,视为干扰信号; 0 ~ 0. 3 m区间与0. 37 ~ 0. 65 m区间振幅呈现整体性特征,且前者振幅大于后者,原因是衬砌混凝土的密实度较围岩低。0. 3 m处由于混凝土与围岩的物性差异在相位图中具体表现为波形跳跃式变化,据此可以准确得到衬砌混凝土的厚度。单道波频率为单道波相位一阶导,是对相位图的细化与补充,从单道相位图中得到的信息在单道频率图中得到相应的印证。从单道波形中能够得出深度范围内的电磁波信号的分布特征,特征发生变化处即为分界面。对于钢拱架和脱空区不宜从单道波形去判断。
3 结论
本文通过对地质雷达采集的隧道衬砌信号,进行了原始数据滤波、去直达波、背景剔除等措施提高信噪比后,进行Hilbert变换,提取地质雷达信号的瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位,构建了地质雷达信息三维图像,得出如下结论:
( 1) 地质雷达能够有效识别隧道衬砌内钢拱架的位置、数量以及衬砌层厚度等影响隧道衬砌层质量的主要参数,同时探测出隧道衬砌的潜在脱空区域,如围岩松动区; 可以对隧道衬砌工程存在潜在隐患进行判别,能够对工程除险和补救措施提供数据支持和依据。
雷达测试 篇5
1 天气雷达天线座水平误差的测量
水平仪是一种测量小角度倾斜程度的仪器[1]。有读数装置供间接读数的气泡式水平仪, 称为合像水平仪。它是利用棱镜将水准器中的气泡放大的方法, 来提高读数的精确度, 利用杠杆、微动螺杆这一套传动机构, 提高读数的灵敏度。在合像水平仪中可精确读出倾斜0.01 mm/m时被测件的水平误差, 合像水平仪的“精度”用符号“Acr”表示, 即Acr=0.01/1 000为无量纲数。我们使用的合象水平仪2支点的距离为165 mm。水平调整时, 旋转盘上的每格刻度为0.01 mm, 侧向上的每个刻度为旋转盘上刻度的100倍, 即为1 mm。所以合像水平仪读数包括水平仪侧面垂直刻度读数L1和刻度圆盘的读数L2, 合像水平仪的实际读数计算公式为H=100 L1+L2。
利用合像水平仪测量天线座的水平误差, 首先将合像水平仪放置在天线俯仰转台顶端的平面上[2], 以方位旋转轴为中心向外辐射的方向上。同时保证水平仪与转台平面之间光洁、平整, 使其在天线转动过程中, 不出现晃动。控制雷达伺服系统, 将雷达天线的方位和仰角都调到0°, 此时通过转动度盘调节合像水平仪上的气泡位置, 直至两气泡重合。记下水平仪刻度圆盘的读数L2和水平仪侧面垂直刻度读数L1, 则合像水平仪的实际读数为H=100 L1+L2。此值即为雷达方位角为0°时雷达天线座的倾斜值。控制天线, 将方位角增加一固定增量。由于水平误差, 水准器中的气泡发生漂移, 再旋转刻度盘使气泡重合。记录合像水平仪的实际读数以及该读数所对应的方位角。依此类推, 重复以上步骤得到天线座在各个方位上合像水平仪两气泡重合时的实际读数, 即雷达天线座各方位的倾斜值。
2 天气雷达天线座水平误差的计算方法
通过对合像水平仪结构原理和刻度盘、刻度板读数产生生过过程程的的深深入入分分析析, 参参考考相相关关资资料料, 得得到到被被测测对对象象倾倾斜斜角角度度α的具体解析计算公式:
式中, H为合像水平仪实际读数, 根据合像水平仪的“精度”可得到, Acr=0.01/1 000为无量纲数。由天线底座水平度的实际计算公式可以计算出天线底座某一方位上的水平误差β。
式中, αl表示某一方位上的倾斜角度, αl+180表示与之对应的天线旋转180°后的倾斜角度。根据大量的实际测量和计算结果分析可知, 雷达天线底座某一方位上的水平误差β (以角秒为单位) 与对应的一条直线上2次合像水平仪实际读数之差近似, 即公式 (4) 成立。
式中, Hl表示某一方位上合像水平仪实际读数, Hl+180表示与之对应天线旋转180°后合像水平仪实际读数。这样在调整雷达天线座水平时, 就不必反复计算。调整完毕后, 只需精确计算1次即可得到雷达天线座的水平误差值, 方法简便。
3 天气雷达天线座水平误差的调整实例
天气雷达天线座与安装基础通常是通过多个联结螺栓进行连接并固定[3,4]。另有几个均匀分布在天线座的底面上供水平调整的螺栓。根据测量记录的结果利用 (4) 式, 可以分别粗略地计算天线各个方位角直线上的水平误差, 并依此数据进行天线座的水平调整。水平调整时, 应先适当松开联结螺栓。针对粗略计算结果, 将天线控制到需要调整的对应方位角。轻微拧动此方位对应的2个水平调整螺栓, 使合像水平仪读数变化合适的位移量, 并记录调整后的读数。天线旋转180°读出合像水平仪读数。再利用 (4) 式粗略计算此方位水平误差。如此反复直至调整到符合要求为止。所有方位调整完毕后, 最后拧紧联结螺栓, 然后转动天线按上述的水平测量方法进行再次测量, 最后利用 (3) 式精确计算出天线座的水平误差。
表1为第1次测量天线座方位间隔45°时, 对应的各方位水平仪读数和粗略计算结果。可以看出, 雷达天线座在0方位上和45°方位上水平误差较大, 需要调整。根据上述调整方法在0°方位上下调0°对应的水平调整螺栓或上调180°对应的水平调整螺栓即可。在45°方位上方法相同。
表2为对天线座调整后, 对应的各方位水平仪读数、粗略计算结果和精确计算结果。可以看出, 调整后雷达天线座的水平误差最大值是在0°方位上为20″ (小于30″) , 符合相关规定。
4 结语
天气雷达中的雷达天线座要保持较高的水平度, 以确保天气雷达系统对气象目标定位的高精准度, 所以雷达维护人员应熟练掌握天线座水平误差的测量、调整和计算方法[5,6]。实践证明, 以上介绍的测量、调整和计算方法是一种易于理解和方便具体操作的有效方法。
摘要：对天气雷达天线座水平误差的测量、计算分析和调整方法进行全面阐述, 并用实例说明雷达天线座水平误差的标定过程, 以为天气雷达天线座水平的测试与调整提供参考。
关键词：天气雷达,天线座水平误差,水平仪,测试,调整方法
参考文献
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雷达测试 篇6
关键词：数据采集,雷达,测试系统
引言
数字阵列雷达是雷达数字化技术发展的必然产物,也代表了相控阵雷达技术的发展方向。数字阵列模块是数字阵列雷达中的基本单元,也是最重要和数量最多的基本单元,它的技术指标决定了数字阵列雷达技战术指标的高低。雷达数字阵列模块自动测试系统应用于数字阵列模块的测试、调试、诊断和维护。数据采集接口模块是自动测试系统中的核心模块,如何快速、准确、全面地完成数字阵列模块数据的采集及测试系统状态控制是雷达数字阵列模块自动测试系统工程化研制的关键技术之一[1,2]。
1 概述
数据采集接口模块在整个自动测试系统中处于核心地位,其主要功能有:
数据采集接口模块采用标准c PCI板卡设计[3],每块数据采集接口板具备8路光纤接口、1路LAN接口、PCI64 接口,电源5v、3.3v。板卡存储深度最大1GB。
光模块与DAM上的光模块配对使用,LAN和PCI是与上位机通信接口,根据实际需求选择哪种通信方式,高速差分接口用于背板数据传输。DDR3可以临时存放大容量I/Q数据。双电源供电以节省功耗。
2 硬件电路
数据采集接口模块以FPGA为核心芯片,配备c PCI、光纤、时钟、同步信号等接口,实现对被测数字阵列模块工作状态的控制以及接收通道的数据采集控制。为兼容不同的同步模式,数据采集接口模块既可输出一路同步脉冲信号,脉宽和周期可编程,也可以被外部其他设备同步。此外,数据采集接口模块的c PCI总线接口通过背板与数据存储板及上位计算机进行通信和数据传输。原理框图如图1所示。
2.1 处理器
文章设计中,对多通道高速I/Q数据进行处理、缓存,需要大量的片内RAM;控制测试网络,切换测试通道,需要较多的IO接口;满足测试、老炼多个数字阵列模块,需要十个以上Transceiver通道;应有广泛使用、设计成熟的应用为借鉴。鉴于以上原因,本模块采用选择Altera公司StratixII系列中E P 2 S G X 9 0 E F 1 1 5 2 I 4 作为主控F P G A芯片。EP2SGX90EF1152I4是一款具有极高性能和密度的FPGA,含有丰富的逻辑资源。它包含的存储资源主要有M512 RAM块、M4K RAM块和M-RAM块三种。这几种存储资源都可以设计成单口RAM、双口RAM、FIFO等,用于I/Q数据处理。EP2SGX90EF1152I4拥有丰富的时钟资源,共有16个全局时钟输入接口,558个用户IO口[4]。共有12个Transceiver通道,前面板安装8个光模块,剩下四个走线至后背板,与数据存储板或其他插件通信。FPGA内部集成了大量的快速锁相环和增强型锁相环,丰富的的锁相环资源为时钟的设计(导前时序时钟、GXB IP核参考时钟、校准时钟和IQ数据本地参考时钟等)提供了方便。该FPGA已在多个雷达系统中使用,设计方案成熟。
2.2 Lan接口
数据采集接口模块一个很重要的功能就是将采集到的数据上报至上位计算机,并下发控制指令。局域网是一种方便可靠易用的接口。W5100 是一款多功能的单片网络接口芯片,内部集成有10/100以太网控制器,主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100 可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100 内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。硬件TCP/IP协议栈支持TCP,UDP,IPv4,ICMP,ARP,IGMP和PPPo E,这些协议已经在很多领域经过了多年的验证。W5100 内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制,只需要进行简单的端口(Socket)编程。W5100提供3种接口:直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。W5100与FPGA接口非常简单,就像访问外部存储器一样[5]。本设计中采用直接并行总线模块,其原理图如图2所示。
2.3 光纤接口
光纤接口电路模块负责数据采集与数字阵列模块之间的信息交互。选用在其他项目中广泛使用的光模块。该光模块具有如下特性:
最大支持传输速率达6.5Gbps
+3.3V单电源供电
适应于高速信号完整性的表面贴装引脚
紧凑的结构设计,超小模块尺寸
高可靠,全金属外壳,抗振动设计
军温级温度范围
具备接收数据信号监测功能
2.4 时钟电路
数据采集接口模块有内时钟和外时钟两种模式。在外部不能输入时钟是,可以采用自带100Mhz的晶振工作,但是需要注意的是,在要求时钟严格相参时,必须使用外时钟。SWITCH管脚用于切换时钟芯片MC100LVEP111FAG的输入。为高时,使用内部晶振,Transceiver模块参考时钟只能是100Mhz。为低时,时钟为增强型锁相环输出,输出频率可随光纤速率作相应地调整。
2.5 PCB布局
P C B布局如图3 所示。 印制板尺寸为233.13mm×160mm。板内有高速数字信号、模拟信号、时钟及多种电源等,布线时需要小心处理。
3 控制流程
雷达自动测试系统通过状态控制与数据处理分机中的c PCI零槽控制器作为整个系统的主控计算机,并以LAN/GPIB为控制总线实现所有系统内测试仪器工作状态的控制。而数字阵列模块工作状态的控制和接收通道I/Q数据的接收/存储/分析则由数据采集接口模块通过光纤来完成。同时,数据采集接口模块与数据处理分机、脉冲矢量网络分析仪、信号发生器、时钟分配单元以及被测数字阵列模块采用共时基的工作方式,这也有利于保证测试结果的准确性。在发射状态下,数据采集接口模块通过光纤输出所有发射通道的开关状态、直接数字合成器芯片输出信号的频率、波形、移相量等状态数据和波形数据;在接收状态下,通过光纤输出开关状态、数据复接方式等状态数据。按照约定格式生成的数据经编码、电光转换后通过光纤接口施加给数字阵列模块,数字阵列模块在对接收到的数据进行解析后分发至各个通道,这样就完成了工作状态的控制[6,7]。
需要说明的是,接收通道的测试需要构建同步体制,这主要体现在接收延时的测试。在时钟信号的上升沿,数据采集接口模块通过光纤对数字阵列模块的工作状态进行控制,并将初始时间戳信息打包传输给数字阵列模块,同时输出一路与数字阵列模块工作状态同步的脉冲信号。这路脉冲信号用来作为信号发生器基于内部触发调制模式的外部输入信号,而信号发生器为被测数字阵列模块接收通道提供激励信号,并已经工作在脉冲调制工作状态,但是只有接收到同步信号后才输出激励信号,这是一个硬触发的过程,中间的延时可以忽略不计,那么对接收延时测试结果的影响微乎其微[8]。这样,以同步信号为纽带,数字阵列模块和接收通道测试所需的激励信号之间也就建立了同步关系。
控制流程都是在FPGA内部实现,软件采用Verilo语言编写。模块化设计,对不同的雷达产品,易移植、易扩展,极大地缩短了雷达测试系统的搭建时间。软件包含导前产生、网络接口、参数发送、数据接收、状态控制等模块。导前产生模块产生固定周期的触发信号,用于同步数字阵列模块、测试仪表等,其周期由网络接口输出。参数发送模块发送数字阵列模块的工作模式、接收发射开关、频率字及相位等参数,参数来源于网络接口。数据接收模块处理GXB IPCore后端数据,包括时钟域切换、数据缓存、解调等。状态控制模块控制测试网络,切换信号路由及反馈系统故障信息。
4 应用实例
某预警雷达在研制过程中,其数字阵列模块自动测试系统采用了文章设计的数据采集接口模块。数据采集接口模块通过四路光纤与四个数字阵列模块相连接,同时采集四路数据,受上位机控制,分时上报某一路数据。校正接收机也通过光纤与数据采集接口模块相连,数据采集接口模块采集固定延时点数据,用于幅相一致性的测试。本振参考源和开关网络(切换信号路由)则由数字采集接口模块的另外的控制端口送出,保证测试频率点及测试通道与本振、开关网络保持一致。重频固定的同步信号送至功率计。该自动测试系统实现了数字阵列模块接收和发射性能指标的测试。接收性能指标包括接收增益、接收信噪比、镜像抑制、隔离度等。发射指标包括发射功率、发射信噪比、移相精度、发射带宽等。大批量的数字阵列模块测试表明,该数据采集接口模块功能丰富,性能稳定,满足自动测试系统需求。
5 结论
作为雷达数字阵列模块自动测试系统中的核心模块,数据采集接口模块具备数据采集、状态控制、命令下达、同步时钟等功能。文章设计的数据采集接口模块不但很好的满足了自动测试系统的需求,而且具备通用性,可以适应不同的雷达型号,缩短测试系统搭建时间,保障雷达研制进度。该模块的研制对雷达自动测试技术的发展具有重要意义。
参考文献
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雷达测试 篇7
随着计算机技术的迅猛发展,虚拟仪器技术在仪器测试技术领域得到了广泛的应用,已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向,并且不断地延伸到研究、制造和开发等众多领域。在雷达测控领域,各类雷达性能指标测试的数字化、标准化、通用化自动测试一直是业界研究的课题,基于GPIB通用总线接口和网络接口的虚拟仪器技术有力地支持了新一代雷达指标测试技术的研究。本文所涉及的雷达指标测试功能主要包括完成对各种抛物面雷达和方向图、差方向图、雷达轴比、雷达增益、雷达差零深、差斜率、差线性度、第一副瓣电平、3 dB点波瓣宽度以及10 dB点波瓣宽度的指标的自动化测试和计算,对所采集的数据进行图形化显示,并以可视化报告的形式打印出相关的测量曲线和特征点信息。测试系统成功地涵盖了“HP”,“RS”,“AGILENT”等三个系列的频谱仪及矢量网络分析仪,基本覆盖了常用的频谱仪和矢量网络分析仪类型。
1 系统组成
根据测试系统需求,雷达测试系统经过设备选型、设备接口论证、软件方案论证、关键技术攻关、测试软件研制和不同型号雷达测试实验六个阶段,结合目前使用的各类频谱仪种类,GPIB接口为标准配备的占到90%以上,高低速接口并存也是一个不容忽视的因素,以及实时控制系统均为标准机型的特点,雷达自动测试系统选择了成本低、效率高、兼容性强的硬件接口,整个系统由笔记本电脑、高速GPIB通信卡、电平转换器、便携式喷墨打印机和自行研发的基于GPIB通用总线接口的虚拟仪器技术测试软件系统组成。系统组成框图如图1所示。
2 雷达方向图测试方法
基于国军标的雷达统一测试方法是测试系统的一个难点,基于国军标的雷达方向图测量方法有三大类六种方法,第一类是测试场测量所采用的等高架测试场测量方法、源雷达高架的斜式测试场测量方法、反射测试场测量方法和缩距场测量方法;第二类是现场测量所采用的利用人工运动员测量方法;第三类是平面扫描近场测量所采用的展开法。这三类测量方法各有其适用范围,这里对常用的测试场测量方法进行简要介绍。
测试场测量包含等高架测试场测量方法、源雷达高架的斜式测试场测量方法、反射测试场测量方法和缩距场测量方法。其中等高架测试场测量方法要求测试场地面平坦,能够尽量屏蔽周围干扰,这种测试方法大多只能适合于微波暗室的测试环境。
源雷达高架的斜式测试场测量方法是在试验场常用的一种方法。斜式测试场测量示意图如图2所示。
具体测试方法和步骤如下:
(1) 源雷达架设在高塔上,被测雷达及定位装置架设在地面上,源雷达垂直方向图的第一零点指向几何反射点,架设高度应满足以下条件:
(2) 源雷达与被测雷达之间的斜距满足以下公式:
当d≤0.4D时,允许:
式中:R为测试距离;D为被测雷达口径最大线尺寸;d为源雷达口径最大线尺寸;λ为最短工作波长;K为根据具体测量精度要求而定的系数,但不得小于2。
3 基于GPIB的虚拟仪器技术
基于IEEE 488和IEEE 488.2协议GPIB总线的虚拟仪器技术是系统开发的关键。
雷达测试系统虚拟仪器技术能够利用高性能的模块化硬件,在兼容不同型号频谱仪的基础上结合特殊专业特点对仪器进行二次开发,结合所研制的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用,满足测试系统对同步和定时应用的需求。因为基于虚拟仪器技术的频谱仪软件开发是第一次,如何攻克这项技术成为关键的环节。
所谓虚拟仪器,就是用户在通用计算机平台上,根据测试任务需求,定义和设计仪器的测试功能,使得使用者在操作这台计算机时,就像是在操作一台他自己设计的测试仪器,实现了计算机与测试仪器的一体化。虚拟仪器的出现,打破了传统仪器由厂家定义,用户无法改变的工作模式,使得用户可以根据自己的需求,设计自己的仪器系统。与传统仪器相比,虚拟仪器在经济性、灵活性、扩展性和可维护性等方面都具有独特的优势,实质上代表了一种创新的仪器设计思想。
虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素,硬件功能是获取被测的物理信号,提供信号传输的通道。模块化I/O硬件以其效率高、接口全为主要特点,无论PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线,都是模块化的I/O硬件的标准接口。软件则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能,并将其集成为仪器操作与运行的一体化环境。
总体上而言,虚拟仪器硬件技术以VXI,PXI等先进的计算机接口总线发展为标志,而软件技术则以VISA,SCPI和IVA等最新标准和LabVIEW,LabWindows/CVI等先进开发平台为核心,构成一个比较完整的虚拟仪器技术体系,使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块,可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。LabVIEW软件不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。
虚拟仪器技术是以一种全新的理念来设计和发展的测试技术,它主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域,其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件,即“软件就是仪器”。它是在通用计算机平台上,根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能,其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。
基于IEEE 488和IEEE 488.2协议GPIB总线的虚拟仪器软件的开发,由于LabVIEW商用软件投入成本较高,而且专用于雷达测试的功能并不多,在此条件下,自行开发一套适合于雷达测试专用的虚拟仪器软件成为一个迫在眉睫的任务。雷达测试系统是基于虚拟仪器技术的通用消息基接口来实现的,下面简要介绍虚拟仪器总线数据采集的常用方法。
基于虚拟仪器总线数据采集的方法通常可以分为两种,一种是通用接口的消息基接口,另外一种是寄存器基接口。消息基接口的作用是通过总线传送命令,从而控制仪器硬件的操作;通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。根据现有设备所涉及的设备的具体情况,利用消息基接口进行设计,具体消息基接口的框图如图3所示。
4 实际应用结果
通用虚拟仪器的软件接口开发取得了圆满的成功,它的研制成功使得以后对专用测试仪器设备的通用统一开发成为可能,实际应用证明是行之可靠的,可供技术人员在组建基于虚拟仪器技术的数据采集器时参考使用。
通用雷达和方向图、差方向图、雷达轴比、雷达增益、雷达差零深、雷达差斜率以及差线性度的指标自动化测试离不开雷达半功率波束宽度的自动计算和测试时雷达最佳运行速度的自动计算,计算是该系统的主要功能,能否很好地完成该项功能,统一的雷达测试方法是十分关键的。在GJB3308-98,GJB3310-98的基础上,结合长期以来的实际测试工作经验,形成了本测试软件的测试方法,通过在试验场现场的测试结果来看,测试数据和数据分析结果均达到或优于人工测量结果。关于测试方法的模型,由于篇幅关系,就不一一列举了。最后给出具体和方向图、差方向图测量结果输出图形,分别如图4,图5所示。
摘要：介绍了基于GPIB虚拟仪器技术的雷达自动测试系统的硬件构成和软件设计方法。通过对虚拟仪器技术的深入研究,重点论述了虚拟仪器技术的特点及其对本系统的有力支持,同时对雷达和方向图、差方向图、雷达轴比以及增益等雷达分系统性能测试方法也进行了详细的论述,并通过几个典型的软件设计模型分析了影响测试结果可靠性的诸多因素和环节。
关键词：虚拟仪器技术,通用接口总线,分贝方向图,轴比,算法
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雷达测试 篇8
1 转动惯量
伺服系统的负载转动惯量指传动系统及负载转动部分的合成转动惯量,用符号JL表示。负载转动惯量与系统开环截止频率ωc、机电时间常数Tm、低速平稳跟踪性能都有关系。
1.1 转动惯量对伺服系统的影响
截止频率ωc与JL的关系式为:
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从式(1)中可看出,当静摩擦力矩MFS、机械传动链空回(2Δ)及传动空回的等效相位滞后φωc一定时,JL增大,ωc减小,系统的跟踪精度下降,过渡过程时间加长。
机电时间常数Tm与JL的关系式为:
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从式(2)中可看出,当执行电机的转动惯量Jm、电枢回路电阻Ra、执行电机的力矩系数Cm和反电势系数Ce等参数一定时,JL变大,Tm增大,系统的相角裕量减小,过渡过程超调量加大。
伺服系统在跟踪低速目标时将产生不均匀的“跳动”或“爬行”现象,爬行跟踪的角加速度εL为:
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从式(3)中可看出,当静摩擦力矩MFS和库仑摩擦力矩MF1一定时,JL加大,εL则减小。因而改善了系统低速平稳跟踪性能,扩大了系统的调速范围[1]。
从以上分析可以看出,转动惯量JL增大时,将会使系统跟踪误差、稳定裕量减小,过渡过程超调量加大、过渡过程时间增长及大角度调转时间td增加,从而使系统的振荡倾向于加强,降低了系统相对稳定性。但是转动惯量JL增大后,却改善了低速跟踪性能,扩大了系统的调速范围,对系统性能提高有利。因此,在伺服系统设计时,希望转动惯量JL小些好,但不是越小越好。
1.2 转动惯量的测量
目前测量转动惯量的方法主要有两类:一类是利用振动方程,如扭振法,摆振法,即利用刚体摆动或振动的周期与转动惯量有关的原理;另一类是利用刚体转动微分方程的方法,如落体法,即加载一定的转矩后,刚体的转动的角加速度和速度与其转动惯量有关。转动惯量J和转轴的力矩M与产生的角加速度undefined关系表达式为:
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用电机向加载对象直接加载单一恒定力矩,通过角加速度来计算电机转子及传动部分的转动惯量[2]。在测量过程中,通过伺服驱动器及加载控制器使电机输出给定转矩,使用光电编码器来测量角加速度,这样,通过式(4)就可以求得转动惯量了。其中角加速度undefined可通过测量系统中的光电编码器所测量得到的转角θ,经过两次微分得到:
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测量角度引入的误差经两次微分则可能被放大多倍。为解决此问题在控制器的测量程序中做了相应的处理,充分利用控制器的可用资源,采取更为合理的计算方法加以解决。对于角加速度的测量,仅有来自光电编码器的一序列方波信号,如图1所示。对于光电编码器的每一个脉冲折算到传动轴上所对应转过的弧度为:
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其中R为光电编码器的分辨率,单位为个脉冲/圈,N为变速箱的传动比。通过DSP的捕获单元可以测量出每一脉冲的宽度(转过A弧度所用的时间),即周期T0,T1,…,Tn 。在测量程序设计时,可以记录各个脉冲的宽度及单位时间内到达的脉冲个数。通过计算方法的改进,可以精确测量角加速度。
单位时间内可以得到通过的脉冲数及每个脉冲的宽度,这样就可以计算出这段时间内传动轴转过的绝对角度和转过此角度所用的绝对时间,如图1所示,单位时间T′0=T′1=T′2,采用单位时间内转过的所有脉冲的宽度和,即绝对时间。例如:在计算ω0时只有一个脉冲,其脉冲宽度为T0,则绝对角度为A,绝对时间为T0。值得注意的是,如果一个脉冲在单位时间内未完成,则算入下一单位时间。这样,可计算得到各单位时间的角速度:
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式中,n为单位时间内记录的脉冲个数,undefined为这些脉冲所对应的绝对时间。
通过式(7)计算得到各个ω值,则角加速度:
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2 摩 擦
对于高精度伺服跟踪系统,摩擦环节的存在是提高系统性能的障碍。摩擦力对于系统静态性能的影响表现为输出响应有较大静差或稳态极限环震荡,对系统动态性能的影响表现为低速时出现爬行(抖动) 现象和速度过零时的波形畸变现象[3]。
2.1 摩擦的建模
目前,已提出的摩擦模型很多,主要有LuGre模型[4]、Kamopp模型[5]及综合模型等。其中,LuGre模型用两个接触面间弹性刚毛的平均偏移来表征摩擦力的动态行为。该模型不仅考虑了粘性摩擦、库仑摩擦,而且考虑了静态摩擦及Stribeck 负斜率效应,充分反映了摩擦运动的机理,刻画了所有的静态和动态摩擦特性。LuGre模型摩擦力数学表达式如下:
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式中z为刚毛的平均变形;undefined为系统运动速度;F为总摩擦力;Fc为库仑摩擦力;Fs为最大静摩擦力;undefineds为边界润滑摩擦临界速度(即Stribeck速度);σ0为变形刚度系数;σ1为粘性阻尼系数;σ2为粘性摩擦系数。
2.2 摩擦的测量
由于前馈补偿要求扰动信号必须是可以量测的,所以输入补偿器的信号必须是已知的。假设摩擦模型中的参数都已测知,但状态z是不可测的,只有通过观测器估计出来[6]。这里应用状态观测器理论,在线估计摩擦状态,从而观测出摩擦力,并以此作为馈入信号予以补偿。其算法流程如图2所示。
摩擦状态估计的输入信号为系统运动速度speed input及系统跟踪误差error input,其中adjustment模块为大于零的调整系数,主要是对摩擦状态估计误差进行补偿;stiffness,damping,viscous模块分别相对应于刚度系数σ0、粘性阻尼系数σ1和粘性摩擦系数σ2,Friction out为摩擦力输出。这也是克服或消除外负载干扰对系统影响的主要控制手段之一。根据式(9)、式(10)和式(11) 可得非线性观测器方程为:
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把估计模型加入位置控制器得:
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式中e=x-xd为位置误差;xd为参考位置输入并假定其二次可微;ke项为位置误差的校正项;mt为系统等效质量;Fd为驱动力;H(s)为位置控制器;undefined和undefined分别为状态z和摩擦力F的估计值。
3 齿 隙
3.1 齿隙对伺服系统的影响
由于齿轮在加工、装配和使用中各种误差因素的存在,以及相互啮合的两齿轮的非工作齿面之间留有一定的侧向间隙以储存润滑油,在一对相互啮合的齿轮之间总存在一定的齿侧间隙——齿隙。齿隙的存在对于工作中可逆转的传动装置就造成了空程误差(回差)。齿隙显然会影响系统的伺服精度和稳定性。
图3是典型的伺服系统框图。齿轮装置G2驱动负载,称为动力传递齿轮装置G1,G3与检测元件一起完成指令数据的输入数据的反馈和两者的比较,G4的作用是使数据得以显示,他们都称为数据传递齿轮装置[7]。
图3所示的系统可表示为如图4的结构(为分析简单这里假设G3速比为1,因此该系统为单位反馈)。
3.1.1 闭环内动力传动齿轮装置空回的影响
根据自动控制理论中分析非线性系统的谐波平衡法,非线性元件可以用一个描述函数N(A)来表示,假设系统线性部分的频率特性为W(jω),则整个系统便可用这两部分组成,其方框图如图5所示。
传动间隙特性的描述函数为:
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式中A为该非线性环节输入角的振幅;2α为传动回差。
系统的闭环频率响应为:
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闭环的特征方程为:
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采用图解法解此方程,将系统线性部分的频率特性W( jω) 和间隙非线性部分的特性-1/N(A)同时画在奈魁斯特平面上,如图6所示。
整个-1/N(A) 分布在第Ⅲ象限。当线性部分只含一个积分环节(即系统为Ⅰ型)时,如系统稳定储量较大,线性部分频率特性如图中的W1(jω),他不与-1/N(A)相交,间隙特性不会使系统产生自振荡,系统能稳定工作。如果系统稳定储量小,线性部分的频率特性如图中的W2(jω),他与-1/N(A)有两个交点b1,b2,表示间隙将使系统产生自振荡。b1点处振荡幅度A增加一个微小值后,向量-1/N(A) 被线性部分的开环频率特性W2(jω)所包住,所以系统不稳定。在b2点振荡幅度A增加一个微量后,向量-1/N(A)不被开环频率特性W2(jω)包住,系统稳定。若系统含有两个积分环节,即Ⅱ型系统,线性部分频率特性为图中的W3(jω),他必然与-1/N(A)相交,即传动误差对Ⅱ型系统必然产生稳定的自振荡。
3.1.2 闭环外数据传动齿轮装置空回的影响
闭环外的数据减速器其回差造成的误差系统不能校正,因此会影响系统精度,但不会对平稳性产生影响。
3.1.3 闭环内数据传动齿轮装置空回的影响
闭环内反馈通道中的传动装置回差的存在使输出轴产生误差,因而反馈到误差检测元件的信号并没反映输出轴真实值,因此会影响系统精度。对系统稳定性的分析则同闭环内的动力齿轮装置一样,其框图见图7。
系统的特征方程:
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同式(17)一样,因此空回分析也与闭环内动力齿轮传动一样。
3.2 齿隙的测量
齿隙引起的传动误差测量方法可分为两类:一类是静态测量法;另一类是动态测量法。
传动误差的静态测量法,指传动装置的输入轴和输出轴的转角在静止状态下测量的方法,他的测量过程是间断的。采用的方法有光学度盘法、经纬仪法、多面体法、数字测角仪法、分度头法以及自整角机和旋转变压器法。动态测量法则是在接近于工作状态的运转情况下测量传动装置的输入轴和输出轴的转角,然后加以比较而得传动误差动态测量的过程是连续的或者说是接近于连续的。传动误差的测量算法代表着测量技术的水平,目前采用的动态测量算法有比相法、时间脉冲法和直接位移测量法。下面介绍时间脉冲法。
设传动链输入端和输出端的光栅脉冲信号分别为P′和P″,当采样脉冲Pm′到来时,若Pn-1″到Pn″的运动是匀速的,则可以用一频率稳定度很高的时间脉冲P在tn-1～tn时间内进行均匀填充。时间脉冲测量算法Pn″对应输出端的第n条栅线,Pm′对应输入端第m条栅线,从ti～tn填充的时间脉冲P的个数为n1,从tn-1～tn填充的时间脉冲P的个数为n2,则传动误差Ei为:
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其中d1,d2分别为输入端和输出端光栅常数;I为传动比;X0为初始位移常数。时间脉冲法可以通过提高时间脉冲P的频率和计算精度实现极高的测量分辨力。该测量算法具有一定的先进性和实用价值。
4 结 语
本文主要讨论了转动惯量、摩擦、齿轮间隙等结构因素对伺服系统的性能的影响,并提出了其测量方法和手段。结构因素对伺服系统的性能有着至关重要的影响,要得到优越的伺服性能,就必须想方设法减小上述因素对伺服性能产生的不利影响。
摘要：伺服机械结构是伺服系统的控制对象,也是伺服系统的重要组成部分,其结构因素如转动惯量、摩擦、齿隙无疑将会对系统的性能产生各种影响。主要就转动惯量、摩擦、齿隙等机械参数对伺服系统性能影响进行了讨论及并对其测试方法进行了研究。
关键词：伺服系统,转动惯量,摩擦,齿隙
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