雙塔結(jié)構(gòu)的伸縮式天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳曦

摘 要 為了使伸縮式自動(dòng)架設(shè)/撤收大陣面天線能夠具有更好的剛度，本文在伸縮式雷達(dá)天線背架的基礎(chǔ)上提出了雙塔式的伸縮天線背架并結(jié)合散斑圖像微位移測(cè)量技術(shù)和行人檢測(cè)技術(shù)構(gòu)成了一種具有人工智能的大陣面天線自動(dòng)展開/折疊系統(tǒng)，以期使高機(jī)動(dòng)雷達(dá)能夠更高探測(cè)精度、更大口徑和適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

關(guān)鍵詞 大陣面天線；伸縮式天線背架；智能監(jiān)測(cè)；散斑圖像微位移測(cè)量；行人檢測(cè)

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0287-03

雷達(dá)對(duì)一個(gè)戰(zhàn)區(qū)乃至國(guó)家的防御體系起著越來越重要的作用。在以信息戰(zhàn)為核心的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，一旦開戰(zhàn)，敵方的情報(bào)信息系統(tǒng)就是打擊的首要目標(biāo)。而雷達(dá)作為情報(bào)系統(tǒng)的傳感器是情報(bào)信息的源泉，由于體積龐大，部署時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)性差等因素，是敵方首選打擊的目標(biāo)。為了生存和更好地發(fā)揮作用，對(duì)雷達(dá)的高機(jī)動(dòng)部署和快速展開/撤收能力提出了越來越高的要求，地面大型雷達(dá)高機(jī)動(dòng)性能已經(jīng)成為重要研究課題。世界上地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線都采用天線折疊的架設(shè)/撤收方式導(dǎo)致天線口徑做不大。哈爾濱工業(yè)大學(xué)彭高亮教授的發(fā)明專利《一種伸縮式雷達(dá)天線背架》采用一種全新的方式收放天線，實(shí)現(xiàn)了大口徑天線（WXH=15m×12m）雷達(dá)的高機(jī)動(dòng)。本文在該專利的基礎(chǔ)上，提出了一種新型雙塔結(jié)構(gòu)的伸縮式雷達(dá)天線系統(tǒng)，用于提高天線面精度和天線口徑。

1 工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 伸縮式雷達(dá)天線背架系統(tǒng)的工作原理

在前文提到的所謂伸縮式雷達(dá)天線背架（以下稱為單塔結(jié)構(gòu)的伸縮式天線背架）的專利描述中，該伸縮式雷達(dá)天線背架是一種由七節(jié)伸縮機(jī)構(gòu)組成的云梯式結(jié)構(gòu)，其整體外形如圖1所示，工作狀態(tài)如圖2所示，運(yùn)輸收攏狀態(tài)如圖3所示。

此單塔結(jié)構(gòu)的伸縮式天線背架已經(jīng)完成了在某型號(hào)的大陣面雷達(dá)天線上的實(shí)驗(yàn)，取得了令人滿意的效果。在該專利的實(shí)驗(yàn)中，收縮時(shí)可將一個(gè)高12m的大陣面天線收縮到3米，并倒伏在運(yùn)輸車輛上，高度小于4m。而其展開動(dòng)作可以一步到位地完成天線陣面的展開和鎖定動(dòng)作。受該發(fā)明專利的啟發(fā)，本文提出一種針對(duì)更大規(guī)模天線陣面的雙塔伸縮式天線系統(tǒng)，核心思路是為了解決更大規(guī)模的天線陣面的骨架在重力的作用下不可避免地出現(xiàn)彎曲形變的現(xiàn)象，將原本發(fā)明專利中一套位于陣面中軸線上的伸縮式背架擴(kuò)展為兩個(gè)窄小的伸縮式背架機(jī)構(gòu)，使其按照天線陣面中軸線對(duì)稱分布并重新排列構(gòu)成一個(gè)全新的天線系統(tǒng)。如圖4、5所示，其優(yōu)點(diǎn)如下：雙塔跨度大，減少天線骨架懸臂長(zhǎng)度，提高天線骨架剛度；每個(gè)塔載荷減半，可以簡(jiǎn)化升降塔結(jié)構(gòu)為圖5所示的薄壁廂型梁形式（吊車臂的經(jīng)典結(jié)構(gòu)），提高可制造性和制造精度；每個(gè)塔的厚度降低，提高雷達(dá)越野通過性和穩(wěn)定性；天線骨架可以做得跟輕更薄，提高伸縮比，從而可以天線做得更大剛性更好；每個(gè)塔的升降簡(jiǎn)化為兩個(gè)油缸，這樣雙塔式天線背架與單塔式天線背架的升降油缸總數(shù)不變。

1.2 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

1）原本發(fā)明專利中的單塔結(jié)構(gòu)的伸縮式天線背架的七個(gè)伸縮節(jié)由雙油缸機(jī)械同步驅(qū)動(dòng)，沒有同步問題，且即使有一個(gè)油缸出現(xiàn)故障也只會(huì)鎖死伸縮機(jī)構(gòu)，并不會(huì)造成安全事故；然而使用雙塔式伸縮背架必然解決兩個(gè)塔伸縮同步的問題，一旦兩個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)的誤差超過閾值就會(huì)使得其所帶動(dòng)的天線陣面扭曲形變導(dǎo)致破壞性的后果。因此必須設(shè)計(jì)一套機(jī)電液一體化的、控制和監(jiān)視完善的天線系統(tǒng)確保天線系統(tǒng)安全性。

2）在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下，雷達(dá)天線進(jìn)行燈光管制條件下的工作是常見的，這時(shí)往往伸手不見五指，而在這種無法用人眼來觀察的環(huán)境下，系統(tǒng)可操作性和安全性尤為重要。針對(duì)這一問題，在天線系統(tǒng)的監(jiān)控單元上嵌入一套基于散斑圖像的微位移測(cè)量系統(tǒng)，解決各種惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中系統(tǒng)工作情況的量化評(píng)估確保操作的正確性和系統(tǒng)安全性，并實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的智能化。

3）天線陣面在展開、收起以及雷達(dá)開機(jī)工作階段都有不允許有人員進(jìn)入的規(guī)定范圍的，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有人員出現(xiàn)在了危險(xiǎn)區(qū)域。在這里我們使用一種實(shí)時(shí)行人檢測(cè)算法來進(jìn)行人員安全監(jiān)測(cè)。

1.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作框圖

在1.1中所提到的3個(gè)問題實(shí)際上是兩套相互影響又并行工作的系統(tǒng)共同解決的，下面給出系統(tǒng)的原理框（圖6）。

這一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括兩大部分，一是與雙塔結(jié)構(gòu)的伸縮式天線背架聯(lián)動(dòng)的伺服控制系統(tǒng)，以機(jī)械調(diào)節(jié)的方式盡量使雙塔同步；二是智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括一組安裝于雙塔最下層分別向兩個(gè)獨(dú)立的液壓伸縮機(jī)構(gòu)發(fā)射激光并采集散斑圖像的位移測(cè)量設(shè)備，以及兩個(gè)能夠觀察到運(yùn)輸車輛兩側(cè)的兩個(gè)攝像機(jī)用于進(jìn)行行人檢測(cè)。

上述3個(gè)模塊中，以機(jī)械伺服系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)動(dòng)作的自動(dòng)調(diào)節(jié)已經(jīng)有多種成熟的應(yīng)用，其原理和工作方式再次不做多余的描述，下面將重點(diǎn)介紹在實(shí)戰(zhàn)條件下使用的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)雙塔伸縮式天線背架的安全保障措施。

1）雙塔不同步情況的測(cè)量。本文提到的雙塔伸縮式天線背架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)的液壓油缸系統(tǒng)，采用經(jīng)典的液壓同步技術(shù)后，必須防止各種戰(zhàn)場(chǎng)因素導(dǎo)致的過大同步誤差產(chǎn)生。當(dāng)雙塔不同步的誤差e與當(dāng)前伸（縮）行程l的比值η超過一定的閾值時(shí)，就必須停止動(dòng)作并將故障情況由串口通信反饋至操作人員。

由于大陣面天線的展開/收回約8min，是一個(gè)緩慢的過程，伸縮臂每秒的行程很短，且由于實(shí)戰(zhàn)環(huán)境的要求復(fù)雜嚴(yán)格，因此我們希望使用一種非接觸式的，高精密度且抗干擾能力較強(qiáng)的全天候檢測(cè)系統(tǒng)來對(duì)雙塔同步情況做出監(jiān)控，因此選用較為成熟的激光散斑圖像測(cè)量算法。

2）雙塔伸縮結(jié)構(gòu)工作區(qū)域出現(xiàn)行人的情況。為了快速、有效地檢測(cè)出整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作區(qū)域的人員，避免因視線死角產(chǎn)生的安全問題，本文采用文獻(xiàn)《Pedestrian detection at 100 frames per second， Rodrigo Benenson， Markus Matias， CVPR2012》中所提到的利用stixels提取先驗(yàn)信息，之后結(jié)合改進(jìn)的FPDW算法進(jìn)行識(shí)別的方法。

深度信息可以很好地提高行人檢測(cè)算法的正確率，但提取深度信息所需的時(shí)間漫長(zhǎng)，讓人望而卻步。在文獻(xiàn)中作者選擇利用stixel來代替深度信息。所謂stixel（sticks above the ground in the image）即通過快速對(duì)地面上的柱狀物體如行人、燈柱、樹木、廣告牌等進(jìn)行檢測(cè)，提供一種先驗(yàn)信息以供分類器進(jìn)行學(xué)習(xí)分類，如圖7所示。

圖中綠色線條為stixel信息的底部，藍(lán)色為stixel信息的頂部，紅色的框則是獲取的檢測(cè)目標(biāo)。

所獲得的stixel信息區(qū)域介于底部即地面和頂部即行地表柱狀物體即本系統(tǒng)中拍攝區(qū)域中的行人或撐腿上邊沿可能出現(xiàn)的大概位置之間。由此可以估算出圖像中柱狀物體的高度和相互之間的相對(duì)位置關(guān)系。使用stereo image可以直接且快速地計(jì)算出stixel，從而不用計(jì)算整張圖像中的所有深度信息，加快了算法的速度。在文獻(xiàn)中作者對(duì)圖像中的地面和stixel進(jìn)行估計(jì)，并設(shè)置stixel的高度為1.75m，在CPU上可以達(dá)到135fps的速度。

該算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用其實(shí)更加簡(jiǎn)單，由于系統(tǒng)中要求監(jiān)測(cè)的區(qū)域固定且范圍不大，只是在天線展開與折疊這兩個(gè)不同的階段監(jiān)測(cè)區(qū)域略有不同，可以通過在不同階段開始之前將攝像頭轉(zhuǎn)到不同方向再開始運(yùn)行算法即可。

2 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，其一為動(dòng)作控制部分，用于以可選擇的本控或遙控兩種方式對(duì)伸縮背架的展開和回收進(jìn)行控制；其二為監(jiān)測(cè)部分，負(fù)責(zé)測(cè)量?jī)蓚€(gè)伸縮機(jī)構(gòu)是否同步和監(jiān)測(cè)工作區(qū)域是否有人員進(jìn)入，監(jiān)測(cè)部分在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)應(yīng)能及時(shí)停止伸縮背架的動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警。圖8為程序框圖。

3 結(jié)論

經(jīng)過設(shè)計(jì)與實(shí)踐，單塔結(jié)構(gòu)的伸縮式雷達(dá)天線背架已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的成果，成功實(shí)現(xiàn)了大陣面天線的站立、展開、收回和倒伏動(dòng)作。本文在此結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出了一種針對(duì)更高天線面精度的雙塔結(jié)構(gòu)的伸縮式雷達(dá)天線背架系統(tǒng)，并以兩種成熟的智能監(jiān)測(cè)算法對(duì)新的系統(tǒng)進(jìn)行保障，包括使用激光散斑圖像微位移測(cè)量法對(duì)雙塔同步情況的監(jiān)控和以行人檢測(cè)算法保障系統(tǒng)工作時(shí)周圍人員的安全。這兩種智能算法皆在工業(yè)機(jī)械位移測(cè)量和道路行人檢測(cè)方面實(shí)現(xiàn)成功的應(yīng)用，將它們與雙塔系統(tǒng)相結(jié)合相信能夠取得更好地效果。

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