（电子科学与技术专业论文）基于labview的超宽带紧凑场测量系统软件开发.pdf

：垦瞳科掌拉莶厶堂班冠生瞳堂焦j 金奎a b s t r a c ta n t e n n am e a s u r i n gi sa ni m p o r t a n tm e t h o df o ra n a l y s i so ni t sp e r f o r m a n c e ，w h i l er a d a rc r o s ss e c t i o n ( r c s ) m e a s u r i n gh a ss p e c i a ls i g n i f i c a n c ei nr e a l mo fr e s e a r c ho nf e a t u r e so ft a r g e t 。m i c r o w a v ec h a m b e ri sa ne l e c t r o m a g n e t i cm e a s u r i n ge n v i r o n m e n tt h a tc a nm a s ko f fe x t e r n a li n t e r f e r e n c ea n dr e s t r a i ni n t e r n a lm u l t i p a t he c h o e s ，w h i l ec o m p a c tf i e l dc a ns i m u l a t ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to ff a rf i e l dw i t h i nc h a m b e rt h a ti sf a i r l ys m a l l m a j o rt a s ko ft h i sp a p e ri st od e v e l o ps o f t w a r ef o rm e a s u r e m e n to fa n t e n n aa n dr c so ft a r g e ti nu l t r a w i d eb a n d ( u w b ) c o m p a c tf i e l dc h a m b e r m a i nw o r kt h a th a sb e e nc o m p l e t e di sa sf o l l o w s ：a n a l y z e df a c t o r st h a tc a np u ti n f l u e n c eo np r e c i s i o no fm i c r o w a v ec h a m b e r ，a n ds e v e r a lc o n d i t i o n so ff e e ds o u r c ee x c u r s i o nf o rp a r a b o l o i dr e f l e c t o rw e r es t u d i e di ns p e c i a l ，f o r m u l a so fm a x i m a lp e r m i t t e de x c u r s i o nd i s t a n c ew e r ed e r i v e da sar e s u l t b a s i ci d e aa n dm e t h o do fp r o g r a m m i n gw i t hl a b v i e ww e r ee x p l a i n e d p r o c e d u r eo fc r e a t i n ga n di n v o k i n gd l lf i l e sw a ss u m m e du p p r o g r a mf o rt h ec o n t r o l l i n go fam i x e d s i g n a lo s c i l l o s c o p ew a sd e v e l o p e d m e a s u r i n gs y s t e mf o ra n t e n n ap a t t e r nw a sd e v e l o p e db a s e do na n a l y s i so fm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e g r a p ho fs y s t e ms t r u c t u r ea n dd i a g r a mo fm e a s u r i n gw e r ed r a w n m e t h o d sf o rc o n t r o l l i n go fs a m p l i n go s c i l l o s c o p ea n dt u r n t a b l es e p a r a t e l yw e r eb r o u g h tf o r w a r d ，p r o g r a m sf o rc o n t r o l l i n go fo s c i l l o s c o p et o g e t h e rw i t hr e a d i n gd a t af r o mi ta n ds a v i n gw i t hf o r m a ts p e c i f i e db yu s e rw e r ew r i t t e n p r o g r a mo fd a t ap r o c e s s i n ga n dr e s u l td i s p l a y i n gw a sp r e s e n t e d s u b p r o g r a m sw e r ec o m b i n e di n t oi n t e g r a t e dm e a s u r i n gs y s t e mf o ra n t e n n ap a t t e r ni nt h ee n d m e a s u r i n gp r o g r a m sf o rr c sa n da n t e n n ag a i nw e r ew r i t t e ns e p a r a t e l y ，i n t e r f a c e sa n dp a r t so fs o u r c ec o d e so ft h ed e v e l o p e ds o f t w a r ew e r ep r e s e n t e d p r o g r a m sd e v e l o p e dh e r ec a nb eu s e di nu w bc o m p a c tf i e l dc h a m b e r ，w h i c hc a nc o m p l e t ef u n c t i o n so fc o r r e s p o n d i n gm e a s u r i n ga n dd r a w i n go fc u r v e s k e yw o r d s ：c o m p a c tf i e l d ，a n t e n n am e a s u r i n g ，a n t e n n ap a t t e r n ，r c s ，l a b v l e w js a m p l i n go s c i l l o s c o p e a n t e n n ag a i n第1 1页幽陵型堂拄丕友望班冠生隧堂焦论窑图目录图1 1 几种微波暗室实景2图1 2l a b v i e w 的c o n t r o l s 。t o o l s 和f u n c t i o n s 面板，3图2 1 微波暗室的主要结构形式6图2 2 矩形暗室的尺寸选择6图2 3 锥形暗室的尺寸选择6图2 4 馈源的纵向偏焦( a ) 8图2 5 馈源的纵向偏焦( b ) 8图2 6 馈源的横向偏焦9图2 7 馈源的任意方向偏焦9图2 8 超宽带时域紧凑场结构与原理示意图1 1图2 9 测量的某天线方向图( 频率为2 g h z ) 1 1图2 1 0 系统绘图主界面1 1图3 ，1 温度计程序的前面板2 l圈3 2 温度计程序的源代码2 1图3 3 扩展后的温度计程序面板2 2图3 4 扩展后的温度计程序代码2 2图3 5 信号产生和处理程序前面板2 2图3 6 信号产生和处理程序源代码2 3图3 7l a b v i e w 中的c l f 节点2 5图3 8c c + + 选项的设置2 5图3 9a g i l e n t5 4 6 4 2 d 示波器2 6图3 1 05 4 6 4 2 d 示波器控制程序面板2 6图3 1 05 4 6 4 2 d 示波器控制源程序( 部分) 2 6图4 1 天线方向图测量系统连接示意图2 8图4 2 天线方向图测量流程图2 9图4 3 数字取样示波器t d s8 0 0 0 b 3 0图4 4 示波器的采样过程3 0图4 5t e k 公司提供的几个子函数3 2图4 6 示波器设置程序前面板3 2图4 7 示波器设置程序框图3 3图4 8 通过c l f 节点调用t k t d s 8 k 一3 2 ，d l l 的例子3 3第i i i页国随科堂拄苤太堂虹嚣生i 显堂僮：i 佥塞第i v页国陵型堂拄丕太堂硒宜生医堂焦论室表3 1l a b v i e w 中的线型表3 ，2c l f 节点的部分参数及其配置表4 ，1电取样模块8 0 e 0 1 的主要参数表4 2 向串口发送的数据( 一) 表4 3 向串口发送的数据( 二) 表4 4 向串口发送的数据( 三) 表目录1 82 43 04 04 l4 1第v页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说畈并表示谢意。学位论文题目：基王丝丛l 鲤塑塑宽鲎鉴盗垣型置丞统熬盐五塞学位论文作者签名：a 强：卅铲l | 冠j | b学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阕：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：基王! ! ! 型鲍蕉宽堂竖盗垣型量丕统筮鲑孟发学位论文作者签名作者指导教师签名日期：御手年f 月f 日日期：j 帅铲年，月侣日国随抖堂遮苤盍堂班窥生瞳堂僮途窒第一章绪论1 1 电磁特性测量与微波暗室随着以信息技术为代表的高新技术的迅猛发展和广泛应用，无论是军事还是民用领域都出现了对电磁测试的巨大需求。雷达、通信设备的天线研制和导弹及各种飞行目标电磁散射特性的研究等，除了理论分析计算之外，更多地要依赖于实测数据进行验证和完善。通过天线测量可以取得定量的天线参数，测量的参数越多、测量越准确，就越能深入掌握其性能与特点。在通信、雷达等用途中，天线都一般都工作在远区。因此，要正确测试天线的辐射特性，必须具备一个能提供均匀平面电磁波照射待测天线的理想测试场。这要求场地一方面要满足最小测试距离的要求，另一方面应尽量避免周围地形地物的影响，以便较真实地模拟自由空间。目标的r c s ( r a d a rc r o s ss e c t i o n ，雷达散射截面) 是目标最为重要的一个电磁特性，是雷达探测、目标识别、隐身技术和电子战技术中的一项重要指标，目标r c s 的测量对深入研究目标散射机理、获取目标特性数据以检验系统性能、建立各种目标的数据库以及有效地进行r c s 缩减等均具有重要意义。实测的目标r c s 是目标处于测试雷达的远场条件下获得的【2 】。借助于高大建筑物和开阔场地，可以在室外构建近似满足远区条件的测试场，取得较好的测量结果。但随着目标电磁特性研究的深入，大量采集数据成了一项经常的任务，外场测试因受到天气、场地周边环境、空间杂波等诸因素的影响，其局限性越来越突出。微波暗室是一个能够屏蔽外界电磁干扰、抑制内部电磁多路径反射干扰、对杂散波几乎能够全部吸收的电磁测量环境，是进行天线参数测试及电磁波辐射、散射特性测试的理想场所。它具有工作频带宽、信号电平稳定、易于保密、可全天候工作、不受外界电磁环境干扰等一系列优点。而紧凑场是在相对较小的微波暗室里模拟远场的平面波电磁环境，利用常规的远场测试设备和方法，进行多项测量和研究，如天线方向图测量、增益比较、目标r c s 测量、微波成像等，同时可进行微波电路、元器件的网络参数测量等。第1页国随型堂拉丕叁堂盟窒生陵堂僮论童图1 1 几种微波暗室实景微波暗室是电磁产品研制开发和检测验收的必备测试环境。国内外从事电磁产品开发和技术研究的多家公司及科研院所都建立了自己的暗室。有的是紧凑场暗室，有的是普通的电波暗室。美国s a ( s c ie n t i f i ea t l a n t i e ，科学亚特兰大)公司2 0 9 0 系列r c s 测试系统可以提供室内和室外两种情况的快速r c s 测量，其中室内是一套紧凑场测试装置。俄亥俄州立大学电子实验室安装的r c s 测量系统使用的也是s e i e n t i f ica t l a n t ic 的紧凑场反射器，使用计算机控制测量过程和记录数据，通过i e e e4 8 8 总线与发射、接收机及目标定位系统相连 2 1 。国内方面，北京海石花实业开发公司、深圳先声科技发展有限公司等可以承接各种型号的电波暗室建设项目，工作频段覆盖1 5 m h z 到4 0 g h z 。空军工程大学导弹学院于2 0 0 1 年底建成了一座大型微波暗室，他们将暗室建设作为一项科研任务，采取横向联合的方式，既建成了暗室，也锻炼了自己的科技人员，其中，暗室的控制系统和测量软件是与西安电子科技大学联合研制开发的 3 1 。西安海天天线科技股份有限公司、南京电子技术研究所、西安恒达微波技术开发公司、中国航空无线电电子研究所、航空工业规划设计研究院等公司及科研院所都建有自己的暗室。北京航空航天大学电子工程系、中科院大连化学物理研究所等单位有专门研究大型电波暗室理论的课题组。上述电波暗室的控制系统及数据处理软件大都是由承建单位自主开发的，使用的编程语言也各不相同。1 2l a b v i e w 简介l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一第2页国随型堂接盔盍堂班究生瞳生僮途塞种标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t iv e x 等软件标准的库函数。这是一种功能强大且灵活的编程语言，又称为“g ”语言，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器 4 1 。l a b v i e w 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。操作面板主要包括三组：c o n t r 0 1 s ，t 0 0 1 s 和f u n c t i o i i s ，如图1 2 所示。工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试v i 程序的工具；用控件模板可以给前面板添加输入控制和输出显示；功能模板是创建框图程序的工具，该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。图1 2l a b v i e w 的c o n t r 0 1 s ，t o o l s 和f u n c t i o n s 面板使用这种语言编程时，尽可能地利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，l a b v l e w 是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计与测试，可以大大提高工作效率。l a b v l e w 可产生独立运行的可执行文件( e x e 文件) ，它是一个真正的3 2 位编译器。像许多重要的软件一样，l a b v i e w 提供了w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、m a c i n t o s h等多种版本。1 3 课题内容的应用背景本文的内容属于“超宽带紧凑场测量系统a m c c c 维护与改造”项目的测量控制与数据处理部分。第3页垦堕型耋堇垄查堂堑蜜生堕耋篁笙奎a m c c c ( a u t o m a t icm e a s u r e m e n ta n dc a t c u f a t i o nc o l l i m a t o fc o m p l e x ，自动测量与计算准直仪系统) 是我院从俄罗斯引进的一套先进的时域超宽带紧凑场测量系统。该系统利用一定条件下的窄脉冲经切割抛物面反射器反射在近区形成平面波这一特性，进行天线电气特性和目标r c s 的测量。a m c c c 的引进，提高了学院的仪器装备水平，为深入进行超宽带电磁理论与武器装备研究提供了强有力的手段，几年来已在教学与科研任务中发挥了重要作用。该系统的技术属于国内外先进水平，但在使用过程中也发现了一些不足之处，有必要加以完善和改进。具体到软件方面，现有测量系统的源程序编写于1 9 9 7 年( 或更早) ，使用的语言是b o r l a n dc + + 4 5 ，基于w i n d o w s9 5 操作环境，可执行文件均为1 6 位应用程序。测量过程中发现其兼容性有所欠缺，有时会出现不可预料的错误导致程序被迫关闭甚至死机。另外，1 6 位程序本身运算速度较慢；程序在数据保存方面做得不够好，例如f f t 变换后的数据不能保存，每次都要重新运行一遍，测量数据存储的格式也不便于后续处理( 比如使用第三方软件进行数据分析) 。根据此次暗室维护与完善的计划，将使用t e k t r o n i x 公司的高性能数字取样示波器t d s8 0 0 0 b 代替原系统采样部件，预期将进一步提高对窄脉冲信号采样的稳定性与可重复性。基于上述考虑，我们决定重新编写测量系统的控制与数据处理程序，希望不但可以解决原软件存在的问题，而且可以完善和扩充各项功能，并利用近几年飞速发展的计算机技术和信号处理技术，进一步提高测量的速度和精度。1 4 论文结构安排第一章是引言部分，给出了电磁特性测量的概念及国内外暗室的现状、主要编程语言l a b v i e w 的概貌，以及课题的应用背景和本文的结构安排。第二章介绍了微波暗室的结构及主要参数，给出了a m c c c 系统的组成及测量流程图。研究了抛物面天线馈源偏焦的几种情况，推导了最大允许偏焦距离公式。分析了紧凑场暗室中天线方向图、目标的雷达散射截面和天线增益的测量原理，对于取样技术原理也进行了介绍。本章是第四章和第五章编程的理论基础。第三章介绍l a b v i e w 程序设计原理，包括l a b v l e w 编程的基本思想和方法，以及虚拟仪器技术与l a b v i e w 的结合。本章后半部分是学习并具体应用l a b v i e w第4页国陵整堂蕴苤太堂班基生院堂焦途塞的例子，其中包括对一款混合信号示波器进行控制的编程实现。在第二章分析天线方向图测量原理的基础上，第四章介绍天线方向图测量系统的程序编写过程。描绘了系统结构框图及测量流程图，给出了关键设备的主要参数。然后分别介绍程序开发中的两项关键任务：计算机控制取样示波器及计算机通过单片机控制精密转台。编写了示波器控制程序及读取示波器波形数据并按指定格式保存的程序。分析了两种实现转台转动方案的优劣及相应的技术难度，编写了转台归零及转动控制程序。接下来编写了数据处理及结果显示程序。最后，在综合考虑了时间同步、数据传递、先后次序协调、终止条件判断等因素之后，将各子程序融合成了完整的天线方向图铡量系统。同样是在前文原理介绍的基础上，第五章分别编写目标r c s 及天线增益的测量控制及数据处理程序。分析并给出系统各组件连接示意图及测量流程图，提供了编写的测量程序面板及部分源程序。结束语归纳了全文的工作，介绍了课题研究期间的部分收获与体会，提出了后续工作的努力方向。为使脉络清晰，便于阅读，后续各章最后都进行了小结a一国随抖堂燕苤太堂班窥生睦堂僮论塞第二章紧凑场结构与测量原理2 1 紧凑场暗室的相关问题2 1 1 微波暗室的结构形式及主要参数微波暗室的几种主要结构形式如图2 1 所示i ”。图中( a ) 为全封闭矩形暗室，( b ) 为全封闭锥形暗室，( c ) 为半开口矩形暗室，( d ) 为半开口锥形暗室，( e ) 为抬高的半开口矩形暗室，( f ) 为垂直方向开口的矩形暗室。 o ，)图2 1 微波暗室的主要结构形式矩形暗室的尺寸选择如图2 2 所示，其长度由式( 2 1 ) 确定1 】【5 】：= 2 d 么+ + r 。( 2 1 )其中，d 为静区直径，a 是最短工作波长，为暗室宽度，r ，为发射天线到墙的距离，通常有1 ( m ) r ， w 2 ( m ) 。图2 2 矩形暗室的尺寸选择图2 3 锥形暗室的尺寸选择图2 2 中，当入射角q = 7 0 。时，宽度应满足w r 2 7 5 。暗室的高度应该等于其宽度，以保证暗室的对称性，从而降低交叉极化电平。矩形暗室结构简单、易于建设、通用性好，可进行双向多源或移动源测量。其缺点是低频性能较差，建设成本高。第6页99 吐甲犁豇国随抖堂越丕盔堂监嚣生医生焦监窒锥形暗室的尺寸选择如图2 3 所示，其低频特性比矩形暗室的要好( 1 g h z 以下频段更为突出) 。例如，反射电平为一4 0 d b 时，矩形暗室的最低工作频率为1 g h z ，而锥形暗室的工作频率可以低到3 0 m h z 5 1 。锥形暗室的顶角一般为2 6 。左右。但锥形暗室不适合双站r c s 测量；由于空间传输损耗与自由空间的损耗不同，在高频端只能用比较法测量天线的增益；它的极化特性也较差。静区是指暗室内受各种杂波( 含反射、散射和绕射波等) 干扰最小且满足远区条件的测试区域。静区的大小和形状与暗室的类型、工作频率、吸波材料特性、要求的反射电平等因素有关。幅度的均匀性是指源天线照射置于静区内的待测天线时，孔径上场强振幅的不均匀程度。通常要求静区横向幅值变化不超过t o 2 5 d b ，纵向幅值变化不超过2 d b 。此外，频率范围、反射率电平、交叉极化和多径损耗的均匀性等参数都是暗室设计中要着重加以考虑的。由于暗室几何尺寸不严格对称、吸波材料对各种极化波吸收性能的不一致性，电磁波在暗室中传播时会产生极化不纯现象，用交叉极化度来衡量。而路径损耗不均匀将使电磁波的极化面旋转，如果以来波方向为轴旋转极化匹配的待测天线，接收信号起伏不超过o 2 5 d b ，则可忽略多路径损耗的影响。微波暗室性能的优劣除与设计是否合理有关外，还与吸波材料的选择与铺设密切相关。吸波材料应具有表面反射小、内部损耗大的特点，尽可能大地衰减投射到其表面的电磁波。挂吸波材料挂板的缝隙应控制在2 3 m m 以内，以免造成反射和漏波。在暗室后墙、侧墙、地板和天棚的前2 0 个菲涅耳区应铺设性能较好的材料，暗室拐角处可采用小角度渐变过渡的方法减小反射【6 】。微波暗室的测量精度除了暗室固有的参数决定的精度之外，还取决于具体测量过程。比如天线旋转时相位中心没有与转台中心重合，紧凑场测试时本应放置在反射面或透镜焦点处的馈源天线偏离了焦点等。当进行目标c s 测量时，偏离焦点的问题更为突出，下面单独讨论一下这种情况。2 1 2 抛物面天线馈源偏焦的研究7从抛物线焦点发出的射线，经反射到达直线c e ( 见图2 4 ) 时，光程相同，所以直线c e 是等相位线，置于焦点的馈源所辐射的球面波经过抛物面反射后变成第7页国随科堂攮杰杰堂盟基生睡生僮迨塞了平面波。紧凑场暗室就是应用了这一原理，在有限的空间内创造了较大的平面波场区( 静区) ，从而扩展了系统的工作频带。测量过程中，馈源的相位中心通常不会精确地位于焦点上，即会出现偏焦现象。本节推导了各种情况下允许的馈源最大偏焦距离，得出了简洁的表达式，并对所得结果的物理意义进行了简要分析。我们将偏焦分为三种情况进行讨论。纵向( 轴向) 偏焦纵向偏焦，即馈源的相位中心在抛物面的对称轴方向上前后偏离焦点，如图2 4 、2 5 所示。其中，抛物面方程为y 2 = 4 扛，焦距为，点f 为理论焦点，f 为实际相位中心所在点，直线z 为抛物线的准线，光程误差在抛物面顶点为最大而在边缘最小。e0“j毒c、图2 4 馈源的纵向偏焦( a )图2 5 馈源的纵向偏焦( b )对图2 4 所示的情况，有f 。a + a c f a + a x c o s 妒+ a c 2 b a + a c + a x c o s q o = ，+ + a x c o s | ( p( 2 2 )f 。o + o e 2 f o + a x + o e = d o + 0 e + a x = ，+ + a x( 2 3 )式( 2 2 ) ( 2 3 ) 得：d = a x a x c o s o = a x ( 1 一c o s q 口)从而，口径上最大光程之差a d 一= a x ( 1 一c o s 弼o ) ，其中为当点a 位于抛物面口面边缘时的_ o f a 。对图2 5 的情况，推导结果表明最大光程之差也是血( 1 一c o s q ，o ) 7 1 。一般规定最大相位误差不超过詈，因此，允许的馈源最大纵向偏焦距离为一去( 2 4 )实际使用中，抛物面的口径张角大都在 三，三2 范围内，由式( 2 4 ) 可知，第8页国陵型堂挂盔盍堂班宜生随堂焦迨塞越小，允许的最大偏焦距离越大。横向偏焦横向偏焦，即馈源相位中心在抛物面的焦平面内偏移，如图2 6 所示。设馈源偏离焦点的距离为y ，作p f 上a f ，射线从f 。到口径面的光程长度d ，为：d ，= l + a y s i n _ 一生盟= l ( ，+ + a y s i n ) ( 2 5 )c o s a lc o s a ic o s a lc o s 口1同理，f 1 到点i 的光程长度d ，为：d ：+ 兰q = 壁2(26)2p 2 - a y s i n q c o s a 2c o s a 2通常有s i n 口。a y c o s 塑，a y 埘：，再将p 。，+ 工4 五：薏面代入式( 9 ) ，于是1 f( 2 8 )( 2 9 )第9页国瞳型堂基苤太堂班窒生睦堂焦诠塞；= 等【掣( 1 + c o s o o ) + 蛳n 刚( 2 1 0 )垆一等缈s i n 妒2 等卸( 妒一鲁+ 卜堡a ( 垒f ay 一等) ，3 )j !or 因此，馈源横向偏焦时口径相位偏移大约为直线律相移和立方律相移之差。由于掣是f 到顶点0 的入射角，故直线项表示次级波束按反射线方向偏转同一角j度。但由于有立方律相位偏移进行相减，所以减缓了波束的偏转，并出现了不对称副瓣。令厶。1 8 ，则得到允许的馈源最大横向偏差为a y = 2 f辱磊丽i i ( c o s o o ) 2 ( 1 + ( c o s 妒o ) 2 )( 2 1 1 )任意方向偏焦任意方向偏焦，即馈源相位中心在横向和纵向都偏离焦点，如图2 7 所示。经过与前文类似的分析可得：厢。一z ，盥1 焉2 羔竽- 2c z 偏焦虽会带来测量上的误差，但偏焦本身又有一些特殊的性能，对其加以合理利用，可以满足特定的实际需求【5 l 【8 1 【9 1 。2 1 3a m c c c 系统的构成及工作原理a m c c c 系统的结构如图2 4 所示 2 j 。该系统的反射器是一个切割抛物面，频带范围是5 0 m h z 3 7 5 g h z ，静区尺寸为2 5 2 5 m 2 。p c 接口采用g p i b 协议标准。发射与接收辐射器分为五个频段。发射机的主要部件是窄脉冲发生器，它可以产生频谱很宽的p s ( 1 1 0 1 2 秒) 级超短脉冲。超宽带采样接收机的作用是接收被测目标返回的信号并进行高速采样，把回波信息数字化以供p c 处理，其采样过程与普通高速采样示波器工作过程基本一致。p c 及配套软件控制整个系统的同步以及目标和天线平台的转动，同时完成数据处理和显示任务。第1 0页国瞳越堂攮盔盔堂硒宣生暄堂僮途塞图2 8 超宽带时域紧凑场结构与原理示意图从图2 8 中也可以基分析出超宽带时域紧凑场测量原理。系统工作流程为：通过计算机程序设置转动参数，接收机产生同步脉冲送给发射机，后者产生极窄脉冲经发射馈源到抛物面反射器；同时，稳相接收天线接收探测信号送入取样头的第二端口。反射器把球面波转换为平面波，照射到目标。目标反射回波信号到反射器，经接收天线接收，再经超宽带放大器放大后进入取样头的第一端口，接收机产生一个触发脉冲触发采样门管，采样头对信号采样后送给接收机，经a d变换后存储在计算机中。计算机控制转台转动，接收机形成下一个选通触发脉冲再次触发发射机，且每隔t + d t ( t 为脉冲重复周期，出为取样间隔) 形成下一个检波采样触发脉冲，把采样以后的信号不断存入计算机，计算机再设置目标的方位角并控制转台，直到测量结束，然后对数据进行处理。图2 9 测量的某天线方向图( 频率为2 g h z )图2 1 0 系统绘图主界面第1 l页国随科堂拉苤态堂鲤巍生医堂僮论塞图2 9 和2 1 0 是系统测量时的两个界面。在以上分析中，接收机传给p c 的是一个窄脉冲信号，要获得人们习惯使用的频域电气参量，需先对信号进行快速傅立叶变换( f f t ) ，因此这是一套时域测量系统1 1 0 1 。频域测量只能给出天线系统关于频率的综合特性，而无法直接判断或分离出其他因素对测量系数的影响，如方向图测量中环境的反射、阻抗测量中的不连续性等。这对天线分析极为不利，而时域测量可弥补这方面的不足 1 2 1 。2 2 天线方向图测量原理2 2 1 天线方向图测量过程天线的方向图是表征天线辐射特性( 场强振幅、相位、极化特性等) 与空间角度关系的图形。各种天线在不同的测试场地进行测量时，有各自不同的特点 1 1 。此处仅讨论微波暗室中的测量方法。超高频或微波波段的真实天线或其他波段的缩比模型天线，在微波暗室中可以方便地测得方向图。测量时，辅助天线固定不动，待测天线绕自身的通过相位中心的轴旋转。通常，辅助天线发射，待测天线接收，待测天线放置在带有角标或角度传感器的转台上。测试水平方向图时，可让待测天线在水平面内旋转，记录不同方位角时相应的场强响应，以适当的方式绘出方向图曲线。测量垂直面方向图时，可将待测天线绕水平轴转动9 0 0 后，仍按测水平面方向图的办法得到；也可以直接在垂直面内旋转待测天线，测出不同仰角时的场强响应。我们的超宽带测量系统中，天线方向图的测量是采用远场条件下的时域方法进行的。窄脉冲发射机发射一串脉宽 3 0 p s 的窄脉冲信号，被测天线在方位转台上，每转动一个规定角度，均进行一次测试取样，接收到的也是窄脉冲信号，形式为【”】：s 。= s ；o ，锻)( 2 1 3 )其中，t 为当前时刻，仍为第i 个方位角。要想获得天线的复方向图，只需对最进行傅立叶变换即可：墨( j ，仍) 一f f t 【墨o ，仍) ( 2 1 4 )幅度方向图的计算为复方向图的取模，即实部和虚部平方和的平方根。相位方向图为复方向图虚部对实部的反正切。第1 2页国随型堂撞丕盍堂壁嚣生瞳堂位选塞如果最大方向处信号在某频率 = q 2 j r 上的f o u r i e r 变换模值为s ( j 魄，伊。) i ，则在该频率处的归- - l t y 向图为“1 ：幅度方向图翮= 黹黜功率方向图b 慨枘= ( 虑靛) 2( 2 1 6 )对数形式曩拈)(魄，垆)；2。lg而is瓤(ja，k,qoi( 2 1 7 )从复频谱的数据文件中可以得到天线的相位方向图：妒( m ，妒j ) = a r g s ( j o j ，妒f ) 】= a r c t g b ( c o ，妒f ) a ( c o ，妒i ) 】( 2 1 8 )其中，s ( j o j ，讫) = 口( ，仍) + j b ( w ，c p i ) 。可见，时域系统只要进行一次窄脉冲测量，即可计算出被测天线在所有频率上的幅度方向图和相位方向图。通常，脉宽 3 0 p s 的脉冲包含的信噪比较高的频率信息可达3 0 g h z ，且脉冲越窄，包含的频率信息越丰富。故此系统工作效率很高，而设备相对简单，只要一台窄脉冲发射机作为信号源，即可实现超宽频带的天线测量，不像传统天线测试时，需要各频段的信号源，有时每测一个频点均要进行系统状态调试，速度慢，效率低。本系统的设计工作频带为5 0 m h z 3 7 5 g h z 。2 2 2 取样技术原理与应用根据前面对时域测量系统的分析可见，要透彻地理解系统工作原理，进丽提出系统的优化方案并减小测量误差，必须深刻理解取样技术及其相关概念。取样技术是在信息论与脉冲技术的基础上发展起来的一门新技术，在包括电子测量、微波、无线电通信等在内的许多领域都获得了广泛的应用。取样示波器的带宽取决于取样门的带宽和取样脉冲的有效底宽，这在扩展带宽方面有着天然的优势，取样后的信号也很容易进行放大和显示等处理。取样方法分为实时取样和变换取样两大类；变换取样也称为等效时间取样，它包括时序变换取样和随机变换取样；而时序变换取样又可分为步迸、步退和差频取样【“l 。交换取样适用于高速高重复频率的信号，不适用于非重复性的单次信号。变第1 3页垦堕型耋垫垄奎堂堑蜜皇堕堂垡篁垒换取样只在局部装置上要求频带宽度，而在样品处理部分则是低频信号，对整个系统的频率特性要求较低。取样示波器是完成变换取样的仪器。随着取样的相关理论及半导体技术的不断发展，取样示波器的性能也不断得以提升。取样示波器的基本原理是利用取样技术把高频的、快速的重复信号变换为低频的、慢速的信号，然后再利用类似于通用示波器的方法，把取样变换后的信号显示在屏幕上。被测重复信号在取样脉冲出现的时刻被取样，为使取得的样值能表征被测信号瞬时幅度的变化，取样脉冲出现的时刻应每取样一次，就较被测信号延迟一段时间a f ，以使取样脉冲扫遍被测信号的波形。这种非实时取样相当于取样间隔为f 的实时取样，所不同的只是全部取样点不是取自同一个波形，相邻的两个取样点可能相隔几个、几十个，甚至成千上万个周期。根据取样定理，信号取样的不失真条件是取样频率大于或等于信号最高频率的两倍，即a t 上( 2 1 9 )2 l假设取样示波器对波形的一个信号周期取n 点，则n = t a t( 2 2 0 )由( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 两式可得n 2 厶r( 2 2 i )其中，厶为被测信号频谱中的最高频率分量，t 为被测信号的周期。式( 2 2 1 ) 即为根据取样定理得到的不失真重现信号波形的条件。各种取样方式及取样示波器的详细工作原理请见参考文献m 】【1 ”。2 3目标的r c s 测量原理目标的r c s ( r a d a rc r o s ss e c t o r ，雷达散射截面) 是衡量目标二次辐射特性的一个参数。平面波照射情况下，等效散射截面积为啪吣觚舻l r 蜘掀2 粼i , u i( 2 2 2 )_ u t，竹j其中，r 为目标与接收天线间的距离；( 口，r p ) 为方位角；第1 4页一国随抖堂挂盔太堂班宜生院堂焦诠塞s ，( 伉，疵) 为目标在( 纹，识) 方向散射至接收天线处的功率密度：s 。( 只，破) 为由( 0 。，谚) 方向投射到目标上的功率密度。雷达散射截面的大小不仅与目标的形状、大小、材料及取向有关，而且与工作波长和极化有关。简单目标的最大散射截面积可以经计算得出【”。比如，半径为a 的金属球的最大r c s 为翮2 。半径和高分别为a ，b 的圆柱体，其最大r c s 为丝。目标r c s 的测量主要分为绝对测量和相对测量两类。其中相对测量是一种不但简单而且精度较高的方法，我们这里也使用相对测量法。相对测量中需要使用标准目标，常用的有金属球、金属板和角反射器等几种。脉冲与散射特性的测量是在与导体球的特性比较之后进行的。球的散射特性可以推导出精确的理论值，用球可以补偿接收与发射信道所引起的信号变形，这个过程就是校准。通过校准，可以确定测量系统的频率特性k m ( j o j ) d 4 1 。x 。一丽s c ( j 而o j )( 2 2 3 )这里，s 。( j 。) 是测量系统输出端半径为r 的球得到的信号频谱：k 。( j 甜) 是半径为r 。的理想导体球的理论频率响应。校准完成后，任意目标在一定的方位角妒下( 目标在一个平面内旋转时) 的频率特性就可以按式( 2 2 4 ) 求出：珊加) 2 篙端( 2z a )其中，s ，( 仍j m ) 是与妒相关的待测目标的信号频谱。巧( 妒，j ) 必须通过一个带宽为 ，f ，厶 的滤波器，因为在通带 ，厶 外的信噪比很低，将在频域引入不能容忍的误差，在时域更是如此。这样，k f ( 驴，j ) 2k ，( 奶 k ，( 妒，c c j )( 2 2 5 )其中，k ，( ) 是滤波器的频域特性。处理过程中选择的是巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 滤波器，因为它具有最平坦的频率特性，其频域特性为k r ( 埘) = k 舟( 甜) + k 月( 御) =j 篇豢i1 万、1 + ( m 曲) 2 n ，。) 2 m( 2 2 6 )其中，q ，为滤波器的3 d b 带宽的下限与上限，i t 和n 。为滤波器的阶数，第1 5页国随型堂拉本盍堂班宣生医掌僮途塞它们决定了带通滤波器的衰减斜率。边界斜率的值可咀通过多次测量s ，( j ) 与s 。( j , o ) 以及对其进行统计处理来确定。在上述分析的基础上，可以很容易地计算出目标的幅度一频率特性和相位一频率特性，即k f ( 伊，j m ) 艇j n l k t f ( 叩，j ( 1 ) ) l 和幅角a r g k t f ( 平，j ( 1 ) ) 。目标的r c s q ( 妒，) 由式( 2 2 7 ) 确定：盯。( 妒，) = i k ，( 妒，j 珊) 1 2( 2 2 7 )而目标的冲激响应h ，( 妒，) 就是k t t ( 妒，j ) 的傅立叶反变换：( 妒，c o ) = e 巧( 仍j , o ) e 曲d c o( 2 2 8 )2 4 天线增益测量原理天线增益是衡量天线辐射能量的集中程度的一个重要参数。天线在某方向，妒。) 的增益定义为：天线在该方向上的辐射功率密度p ( o o ，) 与馈有相同输入功率的无损耗、无方向性的理想天线在该方向辐射的功率密度之比。若无特别说明，实用中增益一般是指最大辐射方向上的增益。天线增益的测量通常使用标准增益天线法。待测天线以最大方位对准发射天线，发射机辐射窄脉冲，在接收部分接收信号s ( f ) 并计算其频谱s ，( j ) 。然后在不改变辐射功率、接收机灵敏度和匹配参数的情况下，用已知增益( g ，( j o ) ) ) 的标准天线代替被测天线，同样接收信号并计算其频谱s ( 皿口。则待测天线的最大增益可由式f 2 2 9 ) 求得【“】：g “m 咆( m 黼( 22 9 )如果需要任意方向的增益，可结合天线方向图求得：g ，( ，妒) = g 。o ( j , o ，妒o ) f 2 ( ，妒)( 2 3 0 )在测量带宽的高端和低端( 即信号频谱s ，( ，) ，最( 叻的边界) 处，信噪比很低，以致这些频点处由上面的公式得到的结果与噪声很相近。在观察指定频率第1 6页罾随型堂茧丕杰堂班宜生睦堂焦丝塞处天线增益的频率特性时，这种值会压制有用的测量值。为避免这种影响，可使用具有最平坦频率特性的巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 带通滤波器进行滤波。k ，( 珊) ；( 2 3 1 )其中，q 和为滤波器频率的上、下限，n 。和月。为下降指数。进而可由式f 2 3 2 ) 求得天线增益：g f ( ，) = g ，( j o j ) k t ( )( 2 3 2 )本章小结本章首先介绍了微波暗室的结构及主要参数，随后给出了a m c c c 系统的组成及测量框图并简要介绍了测量流程。其中，特别研究了抛物面天线馈源偏焦的几种情况，并推导了最大允许偏焦距离公式。接下来，分别分析了紧凑场暗室中天线方向图、目标的雷达散射截面和天线增益的测量原理，对于其中的关键技术之取样技术原理也进行了介绍，为第四章和第五章的编程实现夯实理论基础。第1 7页紊国随叠堂挂苤太堂班宜生院堂焦迨寡第三章l a b v ie w 程序设计原理及应用实例3 1l a b v i e w 程序设计基本思想与方法3 1 1l a b v l e w 编程的基础知识程序= 数据结构+ 算法十程序设计方法+ 程序语言。因此，要设计高质量的程序，除了要设计好的算法，遵循良好的程序设计方法( 如采用结构化程序设计方法) 外，还必须选择适当的数据结构。由于l a b v i e w 采用图形化的编程方式，在数据存储与数据结构方面就有其自身的特点 1 5 1 。l a b v l e w 为程序开发人员提供了许多预先定义好的数据类型和数据结构，基本数据类型包括逻辑型( b 0 0 1 e a n ) 、整型( i n t e g e r ) 和浮点型( f 1 0 a t i n g ) 。基本数据结构包括数组( a r r a y ) 、簇( c 1 u s t e r ) 和字符串( s t r i n g ) 。其中，簇类似于c 语言中的结构( s t r u c t u r e ) 或p a s c a l 语言中的记录( r e c o r d ) 。高级数据结构主要有：堆栈( s t a c k ) 、队列( q u e u e ) 、链表( i ，i n k e d1 is t ) 、树( t r e e ) 和图( g r a p h ) 。这些数据结构包括数据定义及其相关的操作，是可以分解的。程序框图上的每一个对象都带有自己的连线端子，连线将构成对象之间的数据通道。这不是几何意义上的连线，它类似于普通程序中的变量，数据从源端口向一个或多个目的端口单向流动，不同的线型代表不同的数据类型。表3 1 给出了一些常用数据类型所对