一种相控阵技术原理演示仪

技术领域

本发明属于教学实验演示仪器领域，涉及一种相控阵技术原理演示仪。

背景技术

相控阵雷达是指通过控制阵列各个单元的馈电相位来改变波束指向的雷达，可实现高功率放大和高灵敏度接收。相控阵雷达通过控制天线阵面上每个独立发射-接收单元之间的相位差，使得所发出的波在空间中传播并发生干涉，其结果是波在某些方向因干涉相长而加强，在其他方向上因干涉相消而减弱，从而形成波束，并实现扫描的雷达技术。相控阵雷达扫描快速，可实现多目标同时跟踪，在军事领域应用广泛,具有强大的生命力和灵活性，具有极高抗干扰能力。近20几年，超声相控阵也逐渐发展起来，其基本思想来源于相控阵雷达。目前超声相控阵主要用于工业无损探测，多应用于核工业、航电工业检测，在信噪比、分辨力、缺陷检出率上极具优势。在教学中，因雷达电磁波干涉现象肉眼无法观察，相控阵原理的讲解，不便于采用实物进行课堂演示，因此课堂多采用动画演示和MATLAB模拟演示相控阵技术。钱仰德等人采用超声波发明了一种相控阵雷达演示系统，但因超声波也无法用眼睛直接观察，课堂教学演示具有局限性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种相控阵技术原理演示仪，其特征在于：包括：机械释放装置、观测测量装置和控制单元；

所述机械释放装置包括多个通过固定间隔隔开、位于在同一高度用于放置几何体的储物管；

在所述储物管的下方设置可移动挡板；

及驱动所述挡板移动，使所述几何体下落产生自由落体运动、位于所述挡板后方的的电机；

所述控制单元控制所述电机驱动挡板移动，控制所述挡板在以相同的时间间隔依次开启，依次顺序释放各储物管内的几何体产生自由落体运动所述几何体跌落到所述观测记录装置内产生多个圆波，实现相邻波源的相位差相同，多个圆波发生干涉现象，形成线波；

所述观测记录装置对线波进行观测记录。

进一步地：所述观测记录装置包括：

设置在所述机械释放装置下方的储存水的透明储液槽；

设置在所述储液槽正上方的照明灯；

设置在所述储液槽正下方、间隔一定距离I或直接贴在储液槽底部，用于形成线波投影的坐标纸；

设置在所述储液槽正前方，记录线波形成过程的摄像模块。

进一步地：所述几何体的数量大于2。

进一步地：所述控制单元采用的芯片型号是STC90C516RD+。

进一步地：所述几何体采用球体或正方体或其他多面体，最优采用球体。

本发明提供的一种相控阵技术原理演示仪，是基于水面波的线性阵列相控阵原理演示仪，可直观清晰的展示出干涉现象，实验效果明显，采用水面波演示相控阵技术，可以解决课堂上雷达电磁波和超声波无法直接观察的弊端，利于教师讲解说明，便于学生理解相控阵原理，同时可实现波束偏向角等相关物理量的测量；通过控制小球下落间隔时间，改变线波的偏转角，且容易观测，达到教学演示的目的；可直观演示相控阵技术的工作原理，也可用于干涉现象的教学演示，同时可以测量波长、波速，线波偏转角；本发明造价低廉，适合推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的模块图；

图2是为本发明的相控阵技术原理演示仪实物图；

图3是本发明的相控阵技术原理演示仪机械释放装置设计图；

图4是为本发明的相控阵技术原理演示仪电路设计图。

附图标记：1、机械释放装置，2、控制单元，3、观测测量装置，10、储物管，11、电机轴，12、挡板，13、电机，14、电机支架，30、储液槽，31、照明灯，32、坐标纸，33、摄像模块，34、支架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是本申请的模块图；图2是为本发明的相控阵技术原理演示仪实物图；图3是本发明的相控阵技术原理演示仪机械释放装置设计图；

一种相控阵技术原理演示仪，包括，机械释放装置1、观测测量装置2和控制单元3；

所述机械释放装置1包括多个通过固定间隔隔开、位于在同一高度用于放置几何体的储物管10；

在所述储物管10的下方设置可移动挡板12；

及驱动所述挡板12移动，使所述几何体下落的电机13；所述挡板12通过电机轴11与所述电机13相连接；所述电机位于所述挡板后方；

所述控制单元3控制所述电机13驱动挡板12移动，控制所述挡板12在以相同的时间间隔依次开启，依次顺序释放各储物管10内的几何体产生自由落体运动，所述几何体跌落到所述观测记录装置2内产生多个圆波，实现相邻波源的相位差相同，多个圆波发生干涉现象，形成线波；

所述观测记录装置3对线波进行观测记录。

所述几何体的数量大于2；

所述几何体采用球体或正方体或其他多面体，最好采用球体；本实施方式采用小球进行；

所述挡板12距离所述储液槽30的液面高度需大于所形成水波的波长；

所述储物管11内放置的几何体落下来，落到观测测量装置内部的液体槽30内；

所述机械释放装置1还包括用于放置电机12的电机支架14；

所述观测记录装置3包括储液槽30、照明灯31、坐标纸32和摄像模块33：

所述储液槽30是透明的，用于储存水，所述储液槽30设置在所述机械释放装置1下方；

所述照明灯31设置在所述储液槽30的正上方；所述照明灯31采用LED灯，LED灯照射透明储液槽30，将线波投影至坐标纸32，并由摄像机记录后计算出线波偏转角，再根据理论公式，带入间隔时间计算得到理论偏转角后对比。

所述坐标纸32设置在所述储液槽30的正下方、与所述储液槽30间隔一定距离I，所述距离I≥0，即坐标纸可以紧贴在储液槽背面底部，也可以不紧贴在储液槽底部，两种设置方式；在所述坐标纸32形成线波投影；投影上两个暗条纹或者两个亮条纹的距离就是波长；

所述摄像模块33记录线波形成过程，设置在所述储液槽30正前方；所述摄像模块33可以选择手机或摄像机34等；

所述观测记录装置3还包括放置储液槽30的支架34；

所述控制单元3根据可以根据操作人员设置，所述控制单元3控制机械装置1每个相邻挡板开启的时间间隔，制造相同的相位差，机械释放装置1依次顺序释放各储物管内的几何体产生自由落体运动，跌落到所述观测记录装置2内，使几何体自由落体依次在水面上激发形成水面圆波，波动在相遇点处若位相相同，则干涉相长，若位相相反，则干涉相消，而形成线波，进而形成在坐标纸32上形成线波投影；所述观测记录装置2对线波进行观测记录，所述时间间隔可以由控制单元设置,每次实验可取不同值，所述时间间隔可为0.01s、0.02s、0.03s、0.04s、0.05s……等以0.01s为最小增量的时间间隔下落，将下落间隔时间用于计算波程差，从而得到相位差；

图4是为本发明的相控阵技术原理演示仪电路设计图。

所述控制单元3采用的芯片型号是STC90C516RD+；

所述控制单元3包括按键模块，所述按键模块包括两个独立按键K1和K2,K1：时间间隔调节按键K2：启动按键，操作人员按压K1调节各机械单元启动间隔时间，初始值为0秒，按压K2依设定间隔时间启动各机械单元，依次释放小球，落入储液槽30产生水面波；

由摄像机记录后,由线波的斜率公式(1)，得到线波的斜率:

k＝y/x (1)

其中：X:横坐标值，Y：纵坐标值；

再由计算出线波偏转角公式(2)，得到线波偏转角θ：

再根据线波偏转角理论公式(3)，

其中：

由

可将实验值和理论值进行对比，检验实验数据的准确性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。