地海雜波測(cè)試控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)
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,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。
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°??梢圆捎玫酿佋从胁y喇叭和多模喇叭,由于L波段頻率低,波長(zhǎng)224mm,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200 mm,多模傳輸段長(zhǎng)1 1993 mm,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,兩個(gè)天線的最大口徑為2.5 m,中心頻率波長(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)
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、轉(zhuǎn)盤軸承等組成,轉(zhuǎn)盤式具有較好的剛性和穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)盤軸承直接帶有蝸輪,保證了方位驅(qū)動(dòng)剛性。底座、轉(zhuǎn)盤均為鋼板焊接件,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
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。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)。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,PC 104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。
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。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。AD2S8OA及其外圍電路如圖6所示。
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。
由表1可知總指向誤差(均方根值):
按方位、俯仰等誤差計(jì)算,得波束指向精度。
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。
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。