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光电光纤滑环在卫星雷达系统中的应用

日期：2018-09-01  点击：8112  属于：滑环结构原理
      本文对电滑环和光电组合滑环进行了简单的对比分析 ，介绍了多通道光电光纤组合滑环的实现原理 ，并针对某雷达系统光电混合信号的传输要求，探讨了光电组合式滑环的设计方案。 
      滑环在雷达系统中承担着旋转天线端与固定基座间信号传输的功能，随着雷达系统的复杂化发展，传统形式的电滑环由于数据传输量的限制，已不能满足系统传输需求，而光纤传输技术具有传输容量大、传输性能好等优点，光纤旋转连接器 (又称光纤滑环) 可实现旋转端与固定端的光信号连接，它的应用可以弥补电滑环的不足。但考虑到可靠性及可实施性，一些功率信号、中频信号还需采用传统电滑环来传输 ，所以光电组合滑环在现代雷达系统中得到了应用。
1.电滑环与光纤滑环的对比分析
1．1 电滑环
电滑环通过机械触点来实现旋转端与固定端的信号连接 ，其应用 范围广，技术成熟，但这种连接方式存在接触点压力控制 困难的问题，压力过大会导致触点磨损严重，使用寿命下降，转动力矩过大；压力不足会造成接触不可靠，动态电阻变化过大，信号传输质量下降。 另外 电滑环的体积与数据传输量成正比，数据量越大，需要传输路数越多，体积就越庞大，很难满足现代雷达的小型化设计要求。
1．2 光纤滑环
光纤滑环是实现旋转端与固定端光信号连续传输的枢纽，是一种精密的光学传输器件，目前应用的光纤滑环有单通道和多通道之分 ，单通道要求单路同轴对准，实现原理简单，多通道光纤滑环则需要通过光路折转来实现光信号的连续传输 。 目前大多数多通道光纤滑环的实现原理都基于道威棱镜 的光传输特性，如图1所示，当道威棱镜自身转速为输入平行光束绕其转轴旋转转速的一半时，经过道威棱镜输出的光束位置不变，因此只要保证2：1的传动关系，就可实现多路光信号的旋转传输。

      图1：道威棱镜光速传播原理图 光纤滑环旋转端与固定端的信号传输属于非接触式，不存在磨损问题，具有使用寿命长、免维护等优点。 另外通过信号处理，一路光纤滑环通道可以同时混合传输模拟信号和数字信号，相比电滑环其传输数据量大，通道利用率高。 但由于光纤滑环传动精度要求较高，装调复杂困难，国内只有少数厂家研制出四通道多模光纤滑环的样机，远未达到商业应用水平，目前国内所使用的多通道光纤滑环主要依赖进口。
2.某雷达系统中的光纤光电组合滑环
2．1 雷达数据传输对滑环的需求
a) 光纤通道：3 路单模光纤 ；
b ) 中频通道：3 路 (≤120 M H z)，约 2O m W ；
c) 电源通道：三相 四线，功率 300 kW，地线一环，4 0 A 。
2．2 光纤滑环信号传输方案
光纤滑环典型的数据传输方式是结合光波分复用技 ，把不同种类的信号转变为不同波长的光信号 ，经过光波复用技术合波到一根光纤，经光纤滑环传输后再经过分波技术还原信号。传输方式可以采用双通道单向传输 ，也可以采用单通道双向传输，图2为单通道双向传输原理图 。 光 波分复用技术降低了系统对滑环路数的要求 ，但却需要复杂的光收发模块及复用解复用模块，所以可以根据情况，采用多通道光纤滑环传输来
代替波分复用技术 。

    图2单通道双向传输原理图
本雷达系统中没有采用波分复用技术，而是使用四通道光纤滑环分多路传输，传输方案如图3所示，三路光通道分别传输上行控制指令 、下行回波及BIT 信息和下行视频信号，剩下一路 则作为备份，以备故障应急，这样即降低了系统对光模块的要求，又保证了整个系统的可靠性。

        图3某雷达光纤光电组合滑环传输方案
2．3 组合滑环的结构方案
本方案中的四通道光纤滑环，经试验验证，可以满足军品使用要求，其主要技术指标见表 1，外形尺寸为∅88mm ×156mm，体积很小 。
电滑环只需实现3路中频信号 (≤120 M H z) 和300 kW 的功率传输 ，所需环数少，用传统柱式滑环的设计方法很容易实现。 但由于电源的功率比较大，单环需传输电流455A ，若采用单触点单根 电缆出线的设计方案，则要求触点大、电缆外径大。本方案采用了多触点及四线分流的传输方式 ，在滑环圆周方向均匀分布多个触点且分四个方 向出线 ，有效减小了电滑环的外形尺寸。
在光电滑环的组合设计上，考虑减小整体的轴向尺寸 ，本方案充分利用了中心孔，将光纤滑环套装在其内部，结构简图如图4所示。 如果系统不采用光纤滑环，直接应用传统电滑环的传输形式，则需在原传输通道上另外增加180路小信号环，按此要求设计的电滑环结构简图如图5所示，与光电组合式汇流环相比除轴向尺寸、转动力矩大幅度增加外，信号的抗干扰能力及传输速率的下降大大降低了系统性能。

  3 结束语 光电组合式滑环是现代雷达技术向数字化方向发展的必然需求。 相比传统的传输方式 ，其结构紧凑、体积小、重量轻的特点满足了现代雷达系统向小型化发展的技术要求；更重要的是它解决了现代数字阵雷达系统庞大数据量旋转传输的问题 ，光纤传输提高了雷达系统的信号传输性能，其优势是不可代替的，光电组合式滑环必将在雷达系统中得到越来越广泛的应用。
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