光電光纖滑環(huán)在衛(wèi)星雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用

日期：2018-09-01 點(diǎn)擊：9039 屬于：滑環(huán)結(jié)構(gòu)原理

本文對(duì)電滑環(huán)和光電組合滑環(huán)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，介紹了多通道光電光纖組合滑環(huán)的實(shí)現(xiàn)原理，并針對(duì)某雷達(dá)系統(tǒng)光電混合信號(hào)的傳輸要求，探討了光電組合式滑環(huán)的設(shè)計(jì)方案。
滑環(huán)在雷達(dá)系統(tǒng)中承擔(dān)著旋轉(zhuǎn)天線端與固定基座間信號(hào)傳輸?shù)墓δ埽S著雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜化發(fā)展，傳統(tǒng)形式的電滑環(huán)由于數(shù)據(jù)傳輸量的限制，已不能滿足系統(tǒng)傳輸需求，而光纖傳輸技術(shù)具有傳輸容量大、傳輸性能好等優(yōu)點(diǎn)，光纖旋轉(zhuǎn)連接器 (又稱光纖滑環(huán)) 可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)端與固定端的光信號(hào)連接，它的應(yīng)用可以彌補(bǔ)電滑環(huán)的不足。但考慮到可靠性及可實(shí)施性，一些功率信號(hào)、中頻信號(hào)還需采用傳統(tǒng)電滑環(huán)來(lái)傳輸，所以光電組合滑環(huán)在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
1.電滑環(huán)與光纖滑環(huán)的對(duì)比分析
1．1 電滑環(huán)
電滑環(huán)通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)端與固定端的信號(hào)連接，其應(yīng)用范圍廣，技術(shù)成熟，但這種連接方式存在接觸點(diǎn)壓力控制困難的問(wèn)題，壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)磨損嚴(yán)重，使用壽命下降，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩過(guò)大；壓力不足會(huì)造成接觸不可靠，動(dòng)態(tài)電阻變化過(guò)大，信號(hào)傳輸質(zhì)量下降。另外電滑環(huán)的體積與數(shù)據(jù)傳輸量成正比，數(shù)據(jù)量越大，需要傳輸路數(shù)越多，體積就越龐大，很難滿足現(xiàn)代雷達(dá)的小型化設(shè)計(jì)要求。
1．2 光纖滑環(huán)
光纖滑環(huán)是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)端與固定端光信號(hào)連續(xù)傳輸?shù)臉屑~，是一種精密的光學(xué)傳輸器件，目前應(yīng)用的光纖滑環(huán)有單通道和多通道之分，單通道要求單路同軸對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，多通道光纖滑環(huán)則需要通過(guò)光路折轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的連續(xù)傳輸。目前大多數(shù)多通道光纖滑環(huán)的實(shí)現(xiàn)原理都基于道威棱鏡的光傳輸特性，如圖1所示，當(dāng)?shù)劳忡R自身轉(zhuǎn)速為輸入平行光束繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，經(jīng)過(guò)道威棱鏡輸出的光束位置不變，因此只要保證2：1的傳動(dòng)關(guān)系，就可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的旋轉(zhuǎn)傳輸。

圖1：道威棱鏡光速傳播原理圖光纖滑環(huán)旋轉(zhuǎn)端與固定端的信號(hào)傳輸屬于非接觸式，不存在磨損問(wèn)題，具有使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。另外通過(guò)信號(hào)處理，一路光纖滑環(huán)通道可以同時(shí)混合傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，相比電滑環(huán)其傳輸數(shù)據(jù)量大，通道利用率高。但由于光纖滑環(huán)傳動(dòng)精度要求較高，裝調(diào)復(fù)雜困難，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)廠家研制出四通道多模光纖滑環(huán)的樣機(jī)，遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平，目前國(guó)內(nèi)所使用的多通道光纖滑環(huán)主要依賴進(jìn)口。
2.某雷達(dá)系統(tǒng)中的光纖光電組合滑環(huán)
2．1 雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)滑環(huán)的需求
a) 光纖通道：3 路單模光纖；
b ) 中頻通道：3 路 (≤120 M H z)，約 2O m W ；
c) 電源通道：三相四線，功率 300 kW，地線一環(huán)，4 0 A 。
2．2 光纖滑環(huán)信號(hào)傳輸方案
光纖滑環(huán)典型的數(shù)據(jù)傳輸方式是結(jié)合光波分復(fù)用技，把不同種類的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào) ，經(jīng)過(guò)光波復(fù)用技術(shù)合波到一根光纖，經(jīng)光纖滑環(huán)傳輸后再經(jīng)過(guò)分波技術(shù)還原信號(hào)。傳輸方式可以采用雙通道單向傳輸，也可以采用單通道雙向傳輸，圖2為單通道雙向傳輸原理圖。光波分復(fù)用技術(shù)降低了系統(tǒng)對(duì)滑環(huán)路數(shù)的要求，但卻需要復(fù)雜的光收發(fā)模塊及復(fù)用解復(fù)用模塊，所以可以根據(jù)情況，采用多通道光纖滑環(huán)傳輸來(lái)
代替波分復(fù)用技術(shù) 。

圖2單通道雙向傳輸原理圖
本雷達(dá)系統(tǒng)中沒(méi)有采用波分復(fù)用技術(shù)，而是使用四通道光纖滑環(huán)分多路傳輸，傳輸方案如圖3所示，三路光通道分別傳輸上行控制指令、下行回波及BIT 信息和下行視頻信號(hào)，剩下一路則作為備份，以備故障應(yīng)急，這樣即降低了系統(tǒng)對(duì)光模塊的要求，又保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

圖3某雷達(dá)光纖光電組合滑環(huán)傳輸方案
2．3 組合滑環(huán)的結(jié)構(gòu)方案
本方案中的四通道光纖滑環(huán)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以滿足軍品使用要求，其主要技術(shù)指標(biāo)見表 1，外形尺寸為∅88mm ×156mm，體積很小。

電滑環(huán)只需實(shí)現(xiàn)3路中頻信號(hào) (≤120 M H z) 和300 kW 的功率傳輸，所需環(huán)數(shù)少，用傳統(tǒng)柱式滑環(huán)的設(shè)計(jì)方法很容易實(shí)現(xiàn)。但由于電源的功率比較大，單環(huán)需傳輸電流455A ，若采用單觸點(diǎn)單根電纜出線的設(shè)計(jì)方案，則要求觸點(diǎn)大、電纜外徑大。本方案采用了多觸點(diǎn)及四線分流的傳輸方式，在滑環(huán)圓周方向均勻分布多個(gè)觸點(diǎn)且分四個(gè)方向出線，有效減小了電滑環(huán)的外形尺寸。
在光電滑環(huán)的組合設(shè)計(jì)上，考慮減小整體的軸向尺寸，本方案充分利用了中心孔，將光纖滑環(huán)套裝在其內(nèi)部，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。如果系統(tǒng)不采用光纖滑環(huán)，直接應(yīng)用傳統(tǒng)電滑環(huán)的傳輸形式，則需在原傳輸通道上另外增加180路小信號(hào)環(huán)，按此要求設(shè)計(jì)的電滑環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示，與光電組合式匯流環(huán)相比除軸向尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大幅度增加外，信號(hào)的抗干擾能力及傳輸速率的下降大大降低了系統(tǒng)性能。

3 結(jié)束語(yǔ) 光電組合式滑環(huán)是現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)向數(shù)字化方向發(fā)展的必然需求。相比傳統(tǒng)的傳輸方式，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕的特點(diǎn)滿足了現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)向小型化發(fā)展的技術(shù)要求；更重要的是它解決了現(xiàn)代數(shù)字陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)龐大數(shù)據(jù)量旋轉(zhuǎn)傳輸?shù)膯?wèn)題，光纖傳輸提高了雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸性能，其優(yōu)勢(shì)是不可代替的，光電組合式滑環(huán)必將在雷達(dá)系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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