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光電光纖滑環在衛星雷達系統中的應用

日期：2018-09-01 點擊：9060 屬于：滑環結構原理

本文對電滑環和光電組合滑環進行了簡單的對比分析，介紹了多通道光電光纖組合滑環的實現原理，并針對某雷達系統光電混合信號的傳輸要求，探討了光電組合式滑環的設計方案。
滑環在雷達系統中承擔著旋轉天線端與固定基座間信號傳輸的功能，隨著雷達系統的復雜化發展，傳統形式的電滑環由于數據傳輸量的限制，已不能滿足系統傳輸需求，而光纖傳輸技術具有傳輸容量大、傳輸性能好等優點，光纖旋轉連接器 (又稱光纖滑環) 可實現旋轉端與固定端的光信號連接，它的應用可以彌補電滑環的不足。但考慮到可靠性及可實施性，一些功率信號、中頻信號還需采用傳統電滑環來傳輸，所以光電組合滑環在現代雷達系統中得到了應用。
1.電滑環與光纖滑環的對比分析
1．1 電滑環
電滑環通過機械觸點來實現旋轉端與固定端的信號連接，其應用范圍廣，技術成熟，但這種連接方式存在接觸點壓力控制困難的問題，壓力過大會導致觸點磨損嚴重，使用壽命下降，轉動力矩過大；壓力不足會造成接觸不可靠，動態電阻變化過大，信號傳輸質量下降。另外電滑環的體積與數據傳輸量成正比，數據量越大，需要傳輸路數越多，體積就越龐大，很難滿足現代雷達的小型化設計要求。
1．2 光纖滑環
光纖滑環是實現旋轉端與固定端光信號連續傳輸的樞紐，是一種精密的光學傳輸器件，目前應用的光纖滑環有單通道和多通道之分，單通道要求單路同軸對準，實現原理簡單，多通道光纖滑環則需要通過光路折轉來實現光信號的連續傳輸。目前大多數多通道光纖滑環的實現原理都基于道威棱鏡的光傳輸特性，如圖1所示，當道威棱鏡自身轉速為輸入平行光束繞其轉軸旋轉轉速的一半時，經過道威棱鏡輸出的光束位置不變，因此只要保證2：1的傳動關系，就可實現多路光信號的旋轉傳輸。

圖1：道威棱鏡光速傳播原理圖光纖滑環旋轉端與固定端的信號傳輸屬于非接觸式，不存在磨損問題，具有使用壽命長、免維護等優點。另外通過信號處理，一路光纖滑環通道可以同時混合傳輸模擬信號和數字信號，相比電滑環其傳輸數據量大，通道利用率高。但由于光纖滑環傳動精度要求較高，裝調復雜困難，國內只有少數廠家研制出四通道多模光纖滑環的樣機，遠未達到商業應用水平，目前國內所使用的多通道光纖滑環主要依賴進口。
2.某雷達系統中的光纖光電組合滑環
2．1 雷達數據傳輸對滑環的需求
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，4 0 A 。
2．2 光纖滑環信號傳輸方案
光纖滑環典型的數據傳輸方式是結合光波分復用技，把不同種類的信號轉變為不同波長的光信號，經過光波復用技術合波到一根光纖，經光纖滑環傳輸后再經過分波技術還原信號。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。光波分復用技術降低了系統對滑環路數的要求，但卻需要復雜的光收發模塊及復用解復用模塊，所以可以根據情況，采用多通道光纖滑環傳輸來
代替波分復用技術。

圖2單通道雙向傳輸原理圖
本雷達系統中沒有采用波分復用技術，而是使用四通道光纖滑環分多路傳輸，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，剩下一路則作為備份，以備故障應急，這樣即降低了系統對光模塊的要求，又保證了整個系統的可靠性。

圖3某雷達光纖光電組合滑環傳輸方案
2．3 組合滑環的結構方案
本方案中的四通道光纖滑環，經試驗驗證，可以滿足軍品使用要求，其主要技術指標見表 1，外形尺寸為∅88mm ×156mm，體積很小。

電滑環只需實現3路中頻信號 (≤120 M H z) 和300 kW 的功率傳輸，所需環數少，用傳統柱式滑環的設計方法很容易實現。但由于電源的功率比較大，單環需傳輸電流455A ，若采用單觸點單根電纜出線的設計方案，則要求觸點大、電纜外徑大。本方案采用了多觸點及四線分流的傳輸方式，在滑環圓周方向均勻分布多個觸點且分四個方向出線，有效減小了電滑環的外形尺寸。
在光電滑環的組合設計上，考慮減小整體的軸向尺寸，本方案充分利用了中心孔，將光纖滑環套裝在其內部，結構簡圖如圖4所示。如果系統不采用光纖滑環，直接應用傳統電滑環的傳輸形式，則需在原傳輸通道上另外增加180路小信號環，按此要求設計的電滑環結構簡圖如圖5所示，與光電組合式匯流環相比除軸向尺寸、轉動力矩大幅度增加外，信號的抗干擾能力及傳輸速率的下降大大降低了系統性能。

3 結束語光電組合式滑環是現代雷達技術向數字化方向發展的必然需求。相比傳統的傳輸方式，其結構緊湊、體積小、重量輕的特點滿足了現代雷達系統向小型化發展的技術要求；更重要的是它解決了現代數字陣雷達系統龐大數據量旋轉傳輸的問題，光纖傳輸提高了雷達系統的信號傳輸性能，其優勢是不可代替的，光電組合式滑環必將在雷達系統中得到越來越廣泛的應用。
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