【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁约束核聚变等离子体的微波诊断，尤其涉及一种用于测量w band微波信号波前形状的六维测试平台。
技术介绍
1、在磁约束核聚变等离子体诊断技术中，微波诊断因为其探测范围广以及非侵入式的特点而受到广泛的重视。其中一种重要的诊断设备就是微波成像反射计(microwaveimaging reflectometry)。
2、对于一般的微波反射计，其利用等离子体对电磁波的截止特性测量等离子体密度剖面分布以及等离子体密度涨落信息。沿着等离子体密度梯度发射一束频率为ω的电磁波作为探测波束，探测波在托卡马克等离子体环境下具有寻常模式(o-mode)和非寻常模(x-mode)两种独立传播方式，当等离子体环境下的电磁波折射率n为零或波数k趋于零时波将出现波的截止，一般来说波在截止点被反射。以o-mode传播的电磁波在等离子体中的色散关系是:
3、
4、以x-mode传播的色散关系是:
5、
6、由截止条件折射率n＝0，得到电磁波在等离子体中传播的o-mode截止频率和x-mode截止频率：
7、
8、
9、其中磁场强度为高斯单位制，ωr，ωl频率被为称电磁波的右旋截止频率和左旋截止频率，ωce＝eb/cme为电子回旋频率，ωuh2＝ωce2+ωpe2为高混杂振荡频率。通过公式3可以看到对于以o-mode传播的电磁波，等离子体截止频率就是等离子体振荡频率，因此截止频率只与电子密度存在一一对应关系，在满足电磁波截止条件的等离子体密度ne位置被截
10、微波反射计利用等离子体对电磁波产生截止并反射的这一特性，通过测量电磁波在等离子体中的飞行时间或电磁波在等离子体中的入射和反射的群相位延迟，计算出不同频率所对应等离子体截止层位置，给出等离子体密度分布的位置。由于等离子体中存在密度涨落，导致截止层的空间位置随着时间发生变化，使得电磁波在等离子体中的传播光程随时间发生改变最终影响反射信号的相位，因此通过分析相位涨落则可获得相应截止层上的密度涨落。
11、微波成像反射计(mir)是以反射计为基本原理，基于大镜头光学成像在指定径向位置捕获密度湍流的二维(在极向和环向)时间帧图像，主要针对二维密度涨落结构的截止层对探测波束的多方向散射，利用大口径光学器件收集截止面上足够多的散射波，将截止面的反射波复杂干涉图样成像在探测阵列平面，从而使得截止面的密度信息完整重构，此时能够用公式
12、
13、表示测的信号相位涨落功率谱和密度涨落功率谱的关系，进而反演得到截止面上密度涨落的信息，实现二维成像。
14、要实现上述的二维成像功能，就要使照明光路波前、接收光路“像面”、截止层形状三者空间耦合，此时信号强，无多普勒频移，截止层上密度涨落良好的投影到mir接收天线阵列。
15、对于mir光路中的微波波前形状，国际各大磁约束聚变装置上都是使用光学软件模拟得到，缺乏实测数据，考虑到光学软件模拟无法完整地将实验环境以及实验器材安装中的鲁棒性纳入考虑范围，其模拟结果缺乏说服力。上为了能够获得有说服力的mir光路微波波前形状，我们设计了一套用于测量微波信号波前形状的六维测试平台。
16、对于mir光路中的微波波前形状的测量，主要存在三个难点：
17、1、微波成像反射计的微波源工作在w频段(75-110ghz)，若要采集微波信号，采集卡的采样率至少需要达到微波频率的两倍，如此高频率的采集卡实际上是不存在的，即使信号可以采集，其数据量也是计算机无法承受的。
18、2、电磁波的相位不止随空间变化也会随时间变化，因此测量空间中特定点的绝对相位值是不可能的。
19、3、微波信号本质上为高斯光束，其等相位面(波前)具有一定的曲率，而微波接收天线的接收能力具有方向性，当接收天线垂直于微波波前时测量效果最好，当探测点位于波场边缘时，微波接收器不再垂直于此处的微波波前，会导致探测效果变差，这也严重影响了微波波前测量的准确性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：测量微波成像反射计(mir)光路中微波射频信号的波前形状，辅助实现mir的二维成像功能；同时解决待测微波射频信号频率过高难以测量、射频信号的相位既随空间变化又随时间变化以及微波场边缘探测效率低等问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、针对待测微波射频信号频率过高难以测量的问题，采用差频测量法，使用数字合成微波源生成高频本振信号，使用w波段微波混频器将射频信号与本振信号混频得到频率较低的中频信号，采集卡只需对中频信号进行采集处理，因此对采集卡采样率的要求大大降低，信号数据量也大大降低。
4、针对射频信号的相位既随空间变化又随时间变化的问题，我们借鉴了干涉仪的原理，在“实验道”之外增加“参考道”。对于“实验道”，微波射频信号由微波源天线发出，在空间中传播一定距离后被微波接收器接收，然后与本振信号混频得到中频信号，中频信号被采集卡采集记录；对于“参考道”，微波源的射频信号不经过空间传播，直接通过同轴线缆接入微波混频器，在混频器中与本振信号混频之后得到中频信号，中频信号被采集卡采集记录。通过这种方式，“实验道”与“参考道”所记录数据唯一的区别就是射频信号是否经过空气传播，通过对两数据进行比相，就可得到由于空气传播造成的相位差，可见此方案可以排除时变相位的影响，使得测量空间坐标处的绝对相位成为可能。
5、针对高斯光束波长边缘曲率影响探测效率的问题，此波前测量平台被设计为具有六维自由度，除三维空间坐标之外，另有三维自由度对应微波接收器的三维旋转角度，六维自由度均由电机精准控制，在三维空间中的每一个探测点，平台控制程序均会控制电机自动扫描三维角度，通过对探测到的微波信号的实时分析，自动选取信号最强的角度，即自动实现了微波接收器对微波射频波场的波前法线方向的对准，使得测量大空间范围的微波波前形状成为可能。
6、作为上述技术方案的进一步描述：
7、所述六维测试平台的微波组件包括实验道微波处理单元、数字合成微波源、微波源、参考道微波处理单元、同轴线缆；微波源发出的射频信号共有两路，其中一路通过微波天线发射到三维空间中，传播一定距离后被实验道微波处理单元中的微波接收器接收；另一路通过同轴线缆直接传输到参考道微波处理单元中的混频器；对于实验道微波处理单元，其中的倍频本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，其微波处理组件包括实验道微波处理单元(10)、数字合成微波源(11)、微波源(12)、参考道微波处理单元(13)、同轴线缆(14)、采集卡(7)；微波源(12)发出的射频信号共有两路，其中一路通过微波天线发射到三维空间中，传播设定距离后被实验道微波处理单元(10)中的微波接收器接收；另一路通过同轴线缆(14)直接传输到参考道微波处理单元(13)中的混频器；对于实验道微波处理单元(10)，其中的倍频器接收来自数字合成微波源(12)的本振信号，倍频后得到与射频频率接近的本振信号，然后该本振信号在混频器中与微波接收器接收到的射频信号混频得到实验道中频信号，然后该中频信号经过同轴线缆(14)传输到采集卡(7)被采集记录；对于参考道微波信号处理单元(13)，其中的倍频器接收来自数字合成微波源(12)的本振信号，倍频后得到与射频频率接近的本振信号，然后该本振信号在混频器中与参考道射频信号混频得到参考道中频信号，然后该中频信号经过同轴线缆(14)传输到采集卡(7)被采集记录。
2.根据权利要求1所述的一种用于测
3.根据权利要求1所述的一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，对“实验道”和“参考道”实验信号的处理中利用干涉仪原理将两路信号的区别限制在射频信号是否经过空气传播，在后期数据处理中通过两者“比相”即可排除时变相位，解耦得到微波信号在空间中的绝对相位。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，微波接收器在空间中的三维坐标和三维探测角度由机械组件控制，机械组件包括三维驱动电机、三维旋转台、平面支撑结构，所述通过三维驱动电机和三维旋转台控制微波接收器在三维空间中的位置坐标和三维探测角度；
5.根据权利要求4所述的一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，所述三维驱动电机包括X轴驱动电机(4)、Y轴驱动电机(5)、Z轴驱动电机(6),所述三组驱动电机的导轨互相垂直，其中X轴驱动电机(4)的导轨固定在平台支架(8)上，Y轴驱动电机(5)的导轨固定在X轴驱动电机(4)导轨的滑块上，Z轴驱动电机(6)的导轨固定在Y轴驱动电机(5)导轨的滑块上，构成空间直角坐标系，通过控制三组电机可以实现Z轴驱动电机(6)的滑块在三维空间中的移动。
6.根据权利要求4所述的一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，所述三维旋转台包括偏航轴电动旋转台(1)、俯仰轴电动旋转台(2)、横滚轴电动旋转台(3)，所述偏航轴电动旋转台(1)的导轨固定在Z轴驱动电机(6)的滑块上，所述俯仰轴电动旋转台(2)的导轨固定在偏航轴电动旋转台(1)的旋转块上，所述横滚轴电动旋转台(3)的导轨固定在俯仰轴电动旋转台(2)的旋转块上，微波接收器固定在横滚轴电动旋转台(3)的旋转块上，通过控制三组旋转台的电机可以控制微波接收器在空间中的探测角度。
7.根据权利要求4所述的一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，所述平面支撑结构包括平台支架(8)和福马脚轮(9)，所述平台支架(8)是由铝型材或其他支撑材料构成，用于安装和固定六维测试平台主体部分，所述福马脚轮(9)安装在平台支架(8)下方四个拐角处上，福马脚轮(9)中的支撑柱落下固定六维测试平台的位置。
8.根据权利要求1或4所述的一种用于测量W band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，三维驱动电机、三维旋转台、采集卡(7)的电控部件均由“W band波阵面自动测量平台控制软件”进行远程控制，控制微波接收器对射频信号波前法线方向的自动对准以及波前形状的自动扫描测量，或者手动对微波接收器的六维自由度进行微调。
...【技术特征摘要】
1.一种用于测量w band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，其微波处理组件包括实验道微波处理单元(10)、数字合成微波源(11)、微波源(12)、参考道微波处理单元(13)、同轴线缆(14)、采集卡(7)；微波源(12)发出的射频信号共有两路，其中一路通过微波天线发射到三维空间中，传播设定距离后被实验道微波处理单元(10)中的微波接收器接收；另一路通过同轴线缆(14)直接传输到参考道微波处理单元(13)中的混频器；对于实验道微波处理单元(10)，其中的倍频器接收来自数字合成微波源(12)的本振信号，倍频后得到与射频频率接近的本振信号，然后该本振信号在混频器中与微波接收器接收到的射频信号混频得到实验道中频信号，然后该中频信号经过同轴线缆(14)传输到采集卡(7)被采集记录；对于参考道微波信号处理单元(13)，其中的倍频器接收来自数字合成微波源(12)的本振信号，倍频后得到与射频频率接近的本振信号，然后该本振信号在混频器中与参考道射频信号混频得到参考道中频信号，然后该中频信号经过同轴线缆(14)传输到采集卡(7)被采集记录。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量w band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，对高频射频信号的处理中采用了差频测量法，通过微波处理单元中的混频器对射频信号和本振信号进行混频，使超高频的w波段射频信号降频为较低频的中频信号，降低信号采集和处理的难度，其中中频信号的频率通过调整参与混频的本振信号频率来进行调节。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量w band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，对“实验道”和“参考道”实验信号的处理中利用干涉仪原理将两路信号的区别限制在射频信号是否经过空气传播，在后期数据处理中通过两者“比相”即可排除时变相位，解耦得到微波信号在空间中的绝对相位。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量w band微波信号波前形状的六维测试平台，其特征在于，微波接收器在空间中的三维坐标和三维探测角度由机械组件控制，机械组件包括三维驱动电机、三维旋转台、平...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉箫，张立夫，徐红强，谢锦林，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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