地海雜波測(cè)試控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

孟瑋，杜平

（1.軍械工程學(xué)院河北石家莊050000；2.握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司北京100020）

地海雜波是地表平面，海平面反射的雷達(dá)回波，由于受到風(fēng)力，環(huán)境濕度等多種自然因素的影響，地海雜波信號(hào)變化復(fù)雜，信號(hào)強(qiáng)。它的存在嚴(yán)重干擾了雷達(dá)對(duì)地面，海面目標(biāo)的檢測(cè)性能。為了提高雷達(dá)的檢測(cè)性能，要采用地海雜波測(cè)試控制平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地海雜波的檢測(cè)。這樣可以有效檢測(cè)地海雜波信號(hào)，從而掌握各種條件下地海雜波的分部，以便消除或者減小雜波的影響。該測(cè)試平臺(tái)由天線，天線座以及伺服控制系統(tǒng)3部分組成。

1 橢圓波束偏置拋物面天線設(shè)計(jì)

1.1 天線參數(shù)設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中的天線部分使用偏置拋物面天線。偏置拋物面天線是指利用常規(guī)拋物面天線在其焦軸上（或下）半空間的一部分為天線主反射面的天線[1]，如圖1所示。圖1中：V是拋物面的頂點(diǎn)，F(xiàn)是拋物面的焦點(diǎn)，V到F是拋物面的焦距，用f表示，h是靜距，θh是靜距角，θo=θh+θα是偏置角，θα是饋源對(duì)偏置拋物面的半照射角，XOZ平面是偏置拋物面的對(duì)稱平面，YOZ平面是其非對(duì)稱平面。

圖1 偏置拋物面示意圖Fig.1 Offset paraboloid diagram-presentation

饋源波束軸與偏置拋物面的交點(diǎn)B點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖2所α2=1；偏置拋物面最大深度W=185.34 mm。

圖2 口面橢圓長(zhǎng)軸2αFig.2 Long axis of aperture ellipse

根據(jù)實(shí)際地海雜波信號(hào)情況，天線使用頻率帶寬為14.93%，饋源對(duì)偏置拋物面的照射角為79.6°，可以采用的饋源有波紋喇叭和多模喇叭，由于L波段頻率低，波長(zhǎng)224 mm，若采用波紋喇叭則尺寸和重量過(guò)大，因此采用多模喇叭。多模喇叭的雙極化饋電長(zhǎng)度為200mm，多模傳輸段長(zhǎng)1199.3mm，總長(zhǎng)1 400 mm。天線方位半功率角為6.3°；俯仰半功率角為7.8°；增益G=27.4 dB。

1.2 天線干擾因素

天線在工作過(guò)程中，存在有干擾。收、發(fā)天線并排緊靠一起，輻射耦合不僅存在于兩天線之間，在設(shè)備的機(jī)殼，機(jī)殼的孔洞，傳輸線及元件之間都可能存在，綜合起來(lái)主要有3種不同的干擾途徑：1）收、發(fā)天線之間的輻射干擾；2）元件或機(jī)殼間的輻射干擾；3）傳輸線之間的輻射干擾。除此之外，周邊反射體的干擾也會(huì)影響天線的性能。但是天線之間的輻射干擾是主要干擾途徑。

天線之間的近場(chǎng)耦合計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的電磁場(chǎng)問(wèn)題，因此本文只做定性的分析。假設(shè)兩天線彼此位于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，即天線間距率波長(zhǎng)為0.224 m，通過(guò)計(jì)算得到天線間距為58 m，在實(shí)際工程中，兩個(gè)天線之間的距離是不可能達(dá)到58 m的，由于天線的旋轉(zhuǎn)半徑為3 m，兩天線中心距離6 m，即兩天線處于近場(chǎng)區(qū)，天線的饋源對(duì)另一天線的干擾將起到明顯作用，隔離這項(xiàng)干擾最有效的辦法是在天線周邊加上導(dǎo)電圍邊，當(dāng)圍邊的高度為波長(zhǎng)的5.3倍時(shí)，天線遠(yuǎn)旁瓣可降低13 dB，兩天線的隔離可達(dá)到80 dB左右，圍邊的實(shí)際高度為1.2 m。

2 天線座設(shè)計(jì)

2.1 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 渦輪驅(qū)動(dòng)天線座Fig.3 Turbine driver antenna pedestal

天線座設(shè)計(jì)采用方位，俯仰型轉(zhuǎn)臺(tái)式結(jié)構(gòu)。由方位座、俯仰箱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軸角裝置、限位保護(hù)裝置、調(diào)平裝置、配重等部分組成，如圖3所示。方位部分由底座、轉(zhuǎn)盤(pán)、轉(zhuǎn)盤(pán)軸承等組成，轉(zhuǎn)盤(pán)式具有較好的剛性和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)盤(pán)軸承直接帶有蝸輪，保證了方位驅(qū)動(dòng)剛性。底座、轉(zhuǎn)盤(pán)均為鋼板焊接件，為保證-13.5°仰角工作，方位上增加一個(gè)支座以提高俯仰軸高度。俯仰由俯仰箱左右軸承、俯仰軸和左右支臂組成，俯仰箱為鑄件，左右支臂與俯仰軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其上端與天線聯(lián)接，后端放置配重，用于平衡天線重量，在左右支臂上端增加過(guò)渡件，即可與其他天線聯(lián)接。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前在工程中廣泛采用絲桿驅(qū)動(dòng)方式，但本系統(tǒng)的天線座設(shè)計(jì)并未考慮采用，主要原因有2個(gè)：1）由于工作環(huán)境比較惡劣，對(duì)于天線的速度均勻性要求比較高，而絲桿驅(qū)動(dòng)在工作范圍內(nèi)速度是不均勻的，測(cè)試平臺(tái)要求天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為6（°）/s，該速度用絲桿方式實(shí)現(xiàn)比較困難；2）絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)效率低，在要求較大風(fēng)速條件下工作，電機(jī)功率比較大。針對(duì)實(shí)際情況，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇采用蝸輪付加行星減速器[2]方式，為了減少體積和重量蝸輪采用包絡(luò)面型式，這種型式具有較大的負(fù)載能力，行星減速器具有體積少、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。采用渦輪驅(qū)動(dòng)的方式，電機(jī)功率約550 W。

軸角傳感器采用旋變、俯仰旋變1：1與俯仰軸聯(lián)接，方位通過(guò)齒輪聯(lián)接，為消除齒隙傳動(dòng)齒輪采用雙片消隙。天線座中安裝有限位開(kāi)關(guān)和機(jī)械限位塊，以保證設(shè)備安全，限位開(kāi)關(guān)采用無(wú)接觸接近開(kāi)關(guān)，以適應(yīng)惡劣海邊環(huán)境，系統(tǒng)采用蝸輪驅(qū)動(dòng)具有自鎖性，所以朝天鎖定可利用其本身自鎖性能。

3 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 伺服控制原理

圖4 伺服控制原理框圖Fig.4 Functional block diagram of servo control

地海雜波測(cè)試控制平臺(tái)由兩副天線，天線座，伺服控制系統(tǒng)組成。兩幅天線采用獨(dú)立天線座，左右并排放置，兩幅天線的轉(zhuǎn)動(dòng)可以獨(dú)立控制[3]。伺服控制原理框圖，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)鏈采用一級(jí)渦輪渦桿傳動(dòng)，使其具有自鎖功能，以阻止由于風(fēng)負(fù)載使天線轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（配套驅(qū)動(dòng)器）的驅(qū)動(dòng)方式，旋轉(zhuǎn)變壓器軸角傳感器；12位RDC模塊的軸角編碼；軸角及狀態(tài)參數(shù)顯示采用液晶顯示，專用控制計(jì)算機(jī)PC-104及配套卡。計(jì)算機(jī)采集到軸角數(shù)據(jù)并送給顯示屏，通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方位，俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。伺服控制系統(tǒng)接收中心計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制信息以及向中心計(jì)算機(jī)傳送相關(guān)的參數(shù)信息，并接收限位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的限位保護(hù)。限位保護(hù)采用電限位方式，在俯仰上安裝上、下限位開(kāi)關(guān)，在方位上安裝左、右開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的限位保護(hù)。

3.2 伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

中心控制芯片采用單片機(jī)C8051F020，該單片機(jī)具有集成度高，功能多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于控制電路。圖5所示為單片機(jī)與PC104的串行接口原理圖，PC104的串行口與電平轉(zhuǎn)換器接口連接，信號(hào)輸入輸出通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器片與單片機(jī)串口連接。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，PC104與單片機(jī)之間使用了高速光耦元件6N137，將CPU與通信接口隔離，防止串入式干擾[5-6]。

圖5 單片機(jī)與PC104的串行接口原理圖Fig.5 Serial interface of microcontroller and PC104

本系統(tǒng)中的RDC模塊采用AD2S80，可以實(shí)現(xiàn)10、12、14、16位4種不同的分辨率，通過(guò)SC1和SC2引腳進(jìn)行選擇[7]。綜合考慮轉(zhuǎn)換精度和跟蹤速率，本系統(tǒng)中選擇了12位的分辨率。在工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的正弦和余弦信號(hào)分別接入對(duì)應(yīng)的正弦輸入和余弦輸入引腳，轉(zhuǎn)換得到的12位的數(shù)字信息直接傳送給中心控制芯片。AD2S80A及其外圍電路如圖6所示。

圖6 AD2S80及其外圍電路Fig.6 AD2S80 and its peripheral circuit

4 性能指標(biāo)及工作原理

4.1 性能指標(biāo)

天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為俯仰：-13°～90°，方位：±170°；天線轉(zhuǎn)動(dòng)方式為自動(dòng)電控；波束指向精度為俯仰：±0.1°，方位：±0.1°；限位保護(hù)具有限位保護(hù)功能。接口為伺服控制計(jì)算機(jī)傳送相關(guān)參數(shù)信息，該接口采用RS232串口。

4.2 工作原理

根據(jù)測(cè)定范圍的要求，確定天線指向的變化，伺服控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是確保天線指向的穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)改變天線的俯角和仰角實(shí)時(shí)的檢測(cè)雜波信號(hào)。由于雜波信號(hào)的不確定性，準(zhǔn)確穩(wěn)定的確定天線的指向至關(guān)重要，因此控制系統(tǒng)中有兩個(gè)閉環(huán)回路：俯仰控制環(huán)路和方位控制環(huán)路。

在俯仰控制環(huán)路中，引入了水平基準(zhǔn)。水平基準(zhǔn)對(duì)俯仰方向的傾斜角非常敏感，從而確保與俯仰軸成垂直關(guān)系，進(jìn)一步提高了俯仰控制的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)俯仰指令角的定向控制。

在方位控制環(huán)路中，引入方位基準(zhǔn)。方位基準(zhǔn)對(duì)天線平臺(tái)的方位非常敏感，從而實(shí)現(xiàn)方位指令角的定向控制。

根據(jù)本系統(tǒng)的要求，伺服控制設(shè)備要具有自動(dòng)定位目標(biāo)范圍的功能，該任務(wù)由計(jì)算機(jī)控制完成。將俯仰角和方位角輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入?yún)?shù)從而確定天線的指向。

5 指向精度分析

在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于制作工藝，伺服系統(tǒng)的固有誤差造成指向精度發(fā)生偏差，主要誤差源及數(shù)值通過(guò)測(cè)試得出，如表1所示。

表1 誤差分析數(shù)值Tab.1 Numerical value of error analysis

通過(guò)對(duì)總指向誤差，波束指向精度等相關(guān)參數(shù)的測(cè)試與計(jì)算，誤差值在可控誤差的范圍內(nèi)，系統(tǒng)符合使用要求。

按方位、俯仰等誤差計(jì)算，得波束指向精度

6 結(jié)論

文中采用偏置拋物面天線，伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了地海雜波測(cè)試控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜情況下，地海雜波的檢測(cè)，對(duì)消除或者減小雜波的影響，提高雷達(dá)的抗干擾能力提供了依據(jù)。該平臺(tái)提高了工作的時(shí)效性,它的推廣應(yīng)用具有較為重要的意義。

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