專利名稱：一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁學(xué)類的演示教學(xué)儀器，尤其是一種以發(fā)射超聲波作為探測目標(biāo)距離和方位的波源的模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的雷達(dá)的測量原理是根據(jù)從被測物對雷達(dá)的反射波與波源處的發(fā)射時(shí)間差來判斷被測目標(biāo)的距離的。為了捕捉到目標(biāo)位置，需要讓雷達(dá)的天線作全方位的旋轉(zhuǎn)掃描， 而通過機(jī)械方式讓雷達(dá)向各個(gè)方向掃描一周需要耗費(fèi)較長時(shí)間(通常需數(shù)秒到數(shù)十秒鐘)， 因此掃描的速度和效率都較低。相控陣?yán)走_(dá)又稱作相位陣列雷達(dá)，是一種通過改變雷達(dá)波相位來改變波束方向的雷達(dá)，因?yàn)槭且噪娮臃绞娇刂撇ㄊ莻鹘y(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動天線面方式控制波束，故又稱電子掃描雷達(dá)。機(jī)械掃描雷達(dá)因受限于機(jī)械轉(zhuǎn)動頻率因而資料更新周期為秒或十秒級，電子掃描雷達(dá)則為毫秒或微秒級。所以它更適于對付高機(jī)動目標(biāo)。以上的傳統(tǒng)雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)所使用的探測波源都是電磁波中的微波，電磁波的傳播速度是光速。若設(shè)被測物與雷達(dá)發(fā)射天線間的距離為I、探測信號波反射所需的時(shí)差為 - 則
Λ 21 M = -c
上式中c為光速，e = 3xl08OT/s。如果把微波用到在短距離范圍使用的演示實(shí)驗(yàn)中的話，因在一般的演示場合中，目標(biāo)距離I通常小于10m，故反射波的時(shí)差Δ 就會小于10_7 s，這么短的時(shí)差很難進(jìn)行測量。所以在用于教學(xué)的短距離測量場合是不宜用微波作為探測的波源的，須改用其它的非電磁波的、低傳播速度的機(jī)械波作為波源，以增加反射波的時(shí)差 ΔΙ，使之便于測量。此外，采用低速的機(jī)械波時(shí)，因受產(chǎn)生機(jī)械波器件的響應(yīng)頻率和發(fā)射信號主瓣的限制，欲通過真正意義上的相位調(diào)制來控制波束的方向，同時(shí)又要保證探測波束所覆蓋的角度范圍不至過窄，還須在該演示儀器的構(gòu)造上采取一些特殊的措施。

發(fā)明內(nèi)容
為使演示實(shí)驗(yàn)中可在短距離范圍內(nèi)用雷達(dá)的原理測量距離、同時(shí)又用相位調(diào)制來控制波束方向的測量成為可能，從而實(shí)現(xiàn)演示相控陣?yán)走_(dá)的教學(xué)目的。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，包括一臺控制主機(jī)和與控制主機(jī)所連接的超聲波發(fā)射板，所述的超聲波發(fā)射板安裝有超聲發(fā)射頭陣列，并以發(fā)射的超聲波作為探測波源來模擬真實(shí)的相控陣?yán)走_(dá)用微波來探測目標(biāo)距離和方位的功能。選用低傳播速度的超聲波作為演示實(shí)驗(yàn)的波源，是為了增加反射波的時(shí)差Δ 使之便于測量，由于超聲波的傳播速度約為340m/s，在 5 IOm左右的探測探測距離時(shí)，反射波的時(shí)差u約為30 60ms左右，這一時(shí)差很容易測量。此外，選用以點(diǎn)陣方式安裝有超聲發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板來發(fā)射超聲波，可通過調(diào)制各列超聲波信號發(fā)射頭電信號相位的方法來控制超聲波波束的方向。但用超聲波換能器來發(fā)射超聲信號時(shí)，不同于用偶極子天線來發(fā)射電磁波時(shí)發(fā)射的波陣面可為球面波，單一超聲波換能器的發(fā)射主瓣比較窄，通常不超過30度，這對調(diào)制波束的方向造成了很多困難，使波束方向的變化范圍受到單一超聲波換能器發(fā)射主瓣寬度的限制。本發(fā)明解決這一問題的方法是采用由幾塊發(fā)射板組合的方式，并使幾塊發(fā)射板分別朝向不同的方向。當(dāng)這幾塊發(fā)射板按不同時(shí)序依次發(fā)射探測信號時(shí)，實(shí)際探測波束所覆蓋的角度范圍就比單獨(dú)一塊發(fā)射板的角度范圍寬得多。從而解決了超聲波波束調(diào)制角度范圍窄的問題。上面所說的超聲波波束方向的變化，是指用相位調(diào)制的方法對驅(qū)動各個(gè)超聲發(fā)射頭的電信號進(jìn)行處理后，使各發(fā)射頭發(fā)出的超聲波在空間產(chǎn)生多波束干涉，最終產(chǎn)生的效果是整個(gè)發(fā)射板發(fā)出的超聲波的方向在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。用電子方式進(jìn)行這種相位調(diào)制時(shí)，可以迅速改變超聲波波束的方向，進(jìn)行水平方向的掃描。而對于超聲波波束在豎直方向的改變，在本發(fā)明中則采用使發(fā)射板彎曲的方法，發(fā)射板呈向外凸出的彎曲面形狀，該彎曲面可以是柱面的一部分，超聲波發(fā)射板上安裝的各個(gè)超聲發(fā)射頭的指向均沿安裝點(diǎn)處彎曲面的法線正方向。以使在豎直方向排列的不同超聲發(fā)射頭指向不同的方向，從而可同時(shí)捕捉不同高度方向的目標(biāo)。在接收目標(biāo)反射的超聲波信號時(shí)，在發(fā)射板的中部有一個(gè)由多個(gè)超聲接收換能器組成的呈蜂窩狀的半球形的超聲波接收器，其半球中心的指向沿該發(fā)射板的法線正方向。若某一個(gè)方向的超聲接收換能器接收到的超聲信號時(shí)間最早、信號最強(qiáng)，則這個(gè)接收器所指方向就是目標(biāo)的方向。而根據(jù)發(fā)射信號與接收信號的時(shí)差，就可測得目標(biāo)的距離。在以點(diǎn)陣方式安裝有超聲發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板上，為使超聲發(fā)射頭發(fā)出的探測波信號避免混亂和便于調(diào)制，發(fā)射板上以點(diǎn)陣方式分別沿水平和豎直方向安裝的超聲發(fā)射頭，它們在水平方向的間距都是相同的，在豎直方向的間距也都是相同的，并且都是上下左右對齊的，因此整塊板上的點(diǎn)陣呈矩形排列。本發(fā)明的有益效果是，把真實(shí)的相控陣?yán)走_(dá)的工作原理用相對比較簡單的超聲波的模擬演示儀器演示出來了。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖1是模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)其中一塊超聲波發(fā)射板的正面示意圖； 在圖1中1.超聲發(fā)射頭2.超聲波收器
圖2是模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)其中一塊超聲波發(fā)射板的俯視圖； 在圖2中小箭頭表示超聲波發(fā)射板上各超聲發(fā)射頭[1]的指向。圖3是模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)其中一塊超聲波發(fā)射板的左視在圖3中各個(gè)超聲發(fā)射頭[1]的指向均沿安裝點(diǎn)處彎曲面的法線正方向(小箭頭的方向)。發(fā)射板彎曲面的曲率半徑為R，曲率中心為0。圖4是模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)采用由三塊發(fā)射板組合時(shí)的排列示意圖(俯視圖)；
圖5是模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)的超聲波波束方向偏轉(zhuǎn)的原理圖。
在圖5中1.超聲發(fā)射頭(用小圓圈表示)，線段A-A為發(fā)射板平面，直線N為發(fā)射板平面的法線，各列超聲發(fā)射頭[1]間的水平距離相同，并設(shè)為a，圖上的虛線箭頭為超聲波波束擬偏轉(zhuǎn)的方向，虛線Ι、Π、ΙΙΙ、…分別為從各超聲發(fā)射頭1發(fā)出的超聲波，θ為欲使超聲波偏轉(zhuǎn)的方向與法線N的夾角。
具體實(shí)施例方式在圖1中，與控制主機(jī)所連接的超聲波發(fā)射板安裝有超聲發(fā)射頭1陣列，并以發(fā)射的超聲波作為探測波源來模擬真實(shí)的相控陣?yán)走_(dá)用微波來探測目標(biāo)距離和方位的功能。
所述超聲波的發(fā)射板上以點(diǎn)陣方式分別沿水平和豎直方向安裝的超聲發(fā)射頭1，它們在水平方向的間距都是相同的，在豎直方向的間距也都是相同的，并且都是上下左右對齊的，因此整塊板上的點(diǎn)陣呈矩形排列。如圖2發(fā)射板的俯視圖和圖3發(fā)射板的左視圖所示，所述超聲波發(fā)射板呈向外凸出的彎曲面形狀，該彎曲面可以是柱面的一部分。以使在豎直方向排列的不同超聲發(fā)射頭 1指向不同的方向，從而可同時(shí)捕捉不同高度方向的目標(biāo)。發(fā)射板上有一些小箭頭，這些箭頭的方向表示此處所安裝的超聲發(fā)射頭1的指向。所述超聲波發(fā)射板上安裝的各個(gè)超聲發(fā)射頭1的指向均沿安裝點(diǎn)處彎曲面的法線正方向。所述超聲波發(fā)射板可以采用由幾塊發(fā)射板組合的方式，并使幾塊發(fā)射板分別朝向不同的方向。圖4是以三塊超聲波發(fā)射板組合為例說明模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)可由幾塊發(fā)射板組合的示意圖(俯視圖)，圖中三塊發(fā)射板分別指向不同的方向。設(shè)相鄰兩塊發(fā)射板的夾角為30度，而每塊發(fā)射板的超聲波水平掃描范圍也為30度，則三塊發(fā)射板組合后的水平掃描范圍就可達(dá)90度。所述各個(gè)超聲波的發(fā)射板的中部均有一個(gè)由多個(gè)超聲接收換能器組成的呈蜂窩狀的半球形的超聲波接收器2，其半球中心的指向沿該發(fā)射板的法線正方向。圖5是通過改變各發(fā)射頭信號相位的方法來使發(fā)射板發(fā)出的超聲波波束方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理圖在圖5中，為說明用調(diào)節(jié)各列發(fā)射頭信號相位差來改變超聲波方向的原理，僅以兩列相距為a的超聲發(fā)射頭1發(fā)出的超聲波虛線I、II為例。設(shè)這兩路超聲波到達(dá)沒方向目標(biāo)時(shí)的波程差力u則由圖可知A=Uan^,若超聲波的波長力ι則根據(jù)物理
學(xué)中的波動理論，這相鄰兩路波的相位差為。若使圖5中相鄰列的超聲發(fā)
射頭1所發(fā)出的超聲波信號依次具有這同樣的相位差，就可使各超聲發(fā)射頭1發(fā)出的超聲波信號到達(dá)一萬向目標(biāo)時(shí)具有相同的相位。這些同方向同頻率同相位的波相互干涉后，就在歲方向形成了干涉最大，其效果相當(dāng)于使整體的超聲波波束方向發(fā)生S角度的偏轉(zhuǎn)。改變各超聲發(fā)射頭1間電信號的相位差 識就可改變超聲波波束偏轉(zhuǎn)的方向β。為保證多個(gè)超聲發(fā)射頭1發(fā)出的超聲波到達(dá)目標(biāo)時(shí)的相位的一致性，超聲波的發(fā)射板上以點(diǎn)陣方式安裝的超聲發(fā)射頭1，它們在水平方向的間距都應(yīng)是相同的。
權(quán)利要求
1.一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，包括控制主機(jī)和與控制主機(jī)所連接的超聲波發(fā)射板，其特征是所述的超聲波發(fā)射板安裝有超聲發(fā)射頭(1)陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，其特征是所述超聲波的發(fā)射板上以點(diǎn)陣方式分別沿水平和豎直方向安裝的超聲發(fā)射頭(1)，所述的超聲波發(fā)射頭 (1)在水平方向的間距相同，在豎直方向間距也相同，并且上下左右對齊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，其特征是所述超聲波發(fā)射板呈向外凸出的彎曲面形狀，該彎曲面是柱面的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，其特征是所述超聲波發(fā)射板上安裝的超聲發(fā)射頭(1)的指向均沿安裝點(diǎn)處彎曲面的法線正方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，其特征是所述超聲波發(fā)射板采用由發(fā)射板組合的方式，所述的發(fā)射板分別朝向不同的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，其特征是所述各個(gè)超聲波的發(fā)射板的中部均有一個(gè)由多個(gè)超聲接收換能器組成的呈蜂窩狀的半球形的超聲波接收器(2)，其半球中心的指向沿該發(fā)射板的法線正方向。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模擬相控陣?yán)走_(dá)演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制主機(jī)和與控制主機(jī)所連接的超聲波發(fā)射板。所述超聲波發(fā)射板上安裝有超聲發(fā)射頭陣列，并以發(fā)射的超聲波作為探測波源來模擬真實(shí)的相控陣?yán)走_(dá)用微波來探測目標(biāo)距離和方位的功能。超聲波的發(fā)射板上以點(diǎn)陣方式分別沿水平和豎直方向安裝的超聲發(fā)射頭，它們在水平方向的間距都是相同的，在豎直方向的間距也都是相同的，并且都是上下左右對齊的，因此整塊板上的點(diǎn)陣呈矩形排列。超聲波發(fā)射板可以采用由幾塊發(fā)射板組合的方式，并使幾塊發(fā)射板分別朝向不同的方向。各個(gè)發(fā)射板的中部都有一個(gè)由多個(gè)超聲接收換能器組成的呈蜂窩狀的半球形的超聲波接收器，其半球中心的指向沿該發(fā)射板的法線正方向。
文檔編號G09B23/18GK102289972SQ20111014557
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者周紅兵, 鄭瑞銘, 錢仰德 申請人:盧帥