雷达天线控制系统

雷达天线控制系统（精选8篇）

雷达天线控制系统 第1篇

(1) 探测航路前方扇形区域中的降雨区、冰雹区等气象区域;

(2) 探测夹带着雨粒的湍流区域;

(3) 观察飞机前下方的地形;

(4) 发现航路上的山峰等障碍物;

(5) 显示由其他系统输入的文字或图形信息;

(6) 用作雷达导航信标。

气象雷达天线是一种方向性很强的X波段微波天线。气象雷达发射机与接收机通过收发转换开关通过天线实现雷达信号的辐射与回波信号的接收。在发射脉冲持续期内, 气象雷达天线将发射机所产生的射频脉冲信号会聚成能量高度集中的雷达波束辐射到空中, 在脉冲间隙期内 (接收期内) , 目标所形成的反射回波由天线接收, 输送给雷达接收机。

为了探测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前下方的地形, 天线在辐射和接收雷达信号的同时, 进行着往返的方位扫掠运动。与此同时, 天线还必须根据飞机俯仰姿态和倾斜姿态的实时变化, 自动地进行相对于飞机机身平面的俯仰修正运动, 以保持天线扫掠平面的稳定。此外, 还可在一定范围内对天线进行俯仰调节。为了实现雷达系统对天线运动及姿态的控制, 天线组中除了用以辐射雷达信号的天线 (辐射器) 本身外, 还包括各种用以驱动天线运动的电机、放大器及控制器件, 因而使天线组变得甚为复杂。

气象雷达的天线组成可以分为天线 (辐射器) 与天线基座两大部分, 它们是由各种微波器件、低频部件、机电器件及支架等组成的。现代气象雷达天线通常都是视线稳定系统。这样的天线可以进行围绕方位轴的方位扫掠和围绕俯仰轴的俯仰稳定运动。设飞机的横轴为X轴、纵轴为Y轴、垂轴为Z轴, 则天线安装基准面是严格地平行于飞机的X-Z平面、垂直于飞机纵轴Y的。天线基座的端面与安装孔等是精密加工的, 因此, 只要按规定正确地安装天线就可以保证天线基座端面与飞机X-Z平面的相互平行。这样, 天线辐射器的扫掠与俯仰运动, 都可以看成是相对于飞机三轴坐标的运动。辐射器的方位扫掠是围绕方位轴 (垂轴) 的转动。在正常情况下, 方位电机驱动辐射器往复扫掠的。波束轴OM与纵轴Y之间的夹角, 就是天线的方位角j。当天线法线指向飞机正前方时, 波束轴与飞机纵轴相重合, 这就是方位0°方向。设飞机平飞时, 其机身平面与飞机所处的飞行高度层平面相重合。这样, 当雷达工作于气象方式时, 在天线方位扫掠过程中, 波束依次地照射X-Y平面内+80°~-80°扇区中各个方位的目标, 从而使雷达获得飞行高度层平面中前方扇区内气象目标的完整信息, 形成X-Y平面的位置分布图形。如果将天线下俯, 使波束轴指向地面, 则可获得飞机前下方大地表面的地形特征图像, 这就是雷达工作于地图方式的情况。

天线的方位扫掠速率指每分钟天线扫掠的次数。机载气象雷达的方位扫掠速率为每分钟14~18次。常用的方位扫掠速率为每分钟15次。如果扫掠范围为160°, 则天线的扫掠速度为每秒40°。这样, 天线从80°扫掠至-80°所需的时间为4秒钟。

现代气象雷达的天线方位扫掠速率是恒定的。但在选择扇区扫掠时, 天线的扫掠范围减少一半, 其扫掠速率随之增加一倍。一般情况下, 当飞机沿航路水平飞行时, 飞行员所关心的是前方航路上的气象状况。设此时飞机的俯仰角是0° (机身平面X-Y与水平面的夹角为0°) , 则在天线往复扫掠的过程中, 天线波束轴OM应始终保持在飞行高度层平面中, 以探测该平面中的目标信息。然而, 当飞机的俯仰角不等于0°时, 天线波束轴的扫掠平面也不再能保持与水平面平行。例如, 当飞机上仰时, 若天线的俯仰姿态不作修正, 则在方位0°时, 天线波束轴OM与水平面的夹角b等于飞机的俯仰角j。可见在这种情况下, 雷达所探测的并不是水平航路上的气象信息, 即雷达显示器上的图像已不再是飞行高度层扇形区域中的平面分布图形了, 有时, 飞行员需要了解前方雨区的纵高或俯仰面中的目标信息。调节雷达控制盒 (或显示器) 上的天线俯仰旋钮 (TILT) , 即可按需要使天线波束轴的扫掠平面与水平面成一定交角。此时, 雷达显示器上所显示的也不再是水平航路上的目标分布图形, 而是由俯仰旋钮所置定的俯仰面中的目标剖面图像。

飞机倾斜时天线俯仰修正的速率范围及误差与飞机俯仰时相同。在实际飞行中, 飞机的姿态往往既有俯仰又可能倾斜。在这种情况下, 天线所进行的是综合的俯仰修正运动, 以始终把天线波束轴的扫掠平面稳定在飞机高度层平面中。调节天线俯仰旋钮时, 在显示器上可以同步地显示出天线的人工俯仰角和方向。有的雷达用“1.00”表示上仰1° (下俯时为-) 。有的雷达用+, -表示上仰和下俯。

天线俯仰调节的范围为±15°。

天线控制系统在机载气象雷达天线控制系统的研制过程中有着重要的作用。对系统的反复分析, 建立控制系统的数学模型, 是制定系统控制策略的前提和依据, 更有利于我们更好地了解这个系统。

摘要：机载气象雷达天线控制系统是机载气象雷达的重要组成部分, 用来控制天线的运动, 是飞机进行气象目标和地形探测的前提。机载气象雷达天线控制系统是自动控制技术在雷达中具体应用的产物, 它涉及多方面的技术知识。

关键词：天线控制,步进电机,光电脉冲发生器

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京, 国防工业出版社, 1994.

[2]焦中生, 沈超玲, 等.气象雷达原理[M].北京:气象出版社, 2005.

[3]梅晓榕, 柏桂珍, 等.自动控制元件及线路[M].北京:科学出版社, 2007.

[4]李连升.现代雷达伺服控制[M].北京:国防工业出版社, 1983.

[5]翁瑞琪.现代实用电子手册[S].天津:天津科学技术出版社, 1997.

雷达阵列天线介绍 第2篇

“阵列天线分析与综合”是电子信息工程专业电磁场与微波通信方向的专业选修课程。课程的任务是使学生掌握阵列天线的基本理论、基本分析与综合方法，掌握单脉冲阵列、相控阵扫描天线的基本理论和概念、以及阵列天线的优化设计思想，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后从事天线理论研究、工程设计和开发工作打下良好的基础。

■课程要求

● 约有五次作业 ● 考核

平时成绩占20％。包括平时作业，出勤情况。期末考试成绩占80％(一页纸开卷)

雷达阵列天线简介

1、“AN/SPY—1”S波段相控阵雷达

是海军“宙斯盾”(Aegis)武器系统中的一部分，由RCA公司研制。它有四个相控阵孔径，提供前方半空间很大的覆盖范围。

接收时它使用带68个子阵的馈电系统，每个子阵包含64个波导辐射器，总共有68×64＝4352个单元。

发射时，子阵成对组合，形成32个子阵，每个子阵128个单元，总共32×128＝4096辐射单元。

移相器为5位二进制铁氧体移相器，直接向波导辐射器馈电。为了避免相位量化误差引起的高副瓣电平，后来移相器改为7位二进制移相器，合成的相控阵由强制馈电功分网络馈电，辐射单元也改为4350个，单脉冲的和、差波瓣及发射波束均按最佳化设计。

AN/SPY—1天线正在进行近场测试(RCA公司电子系统部提供)目前该系统安装在导弹巡洋舰上

导弹巡洋舰上的AN/SPY—1系统

2、爱国者(PATRIOT)多功能相控阵雷达

是Raytheon公司为陆军研制的一种多功能相控阵雷达系统。其天线系统使用光学馈电的透镜阵列形式。和差波瓣分别通过单脉冲馈源达到最佳。孔径呈圆形，包含大约5000个单元，采用4位二进制铁氧体移相器和波导型辐射器单元。它安装在车辆上，并可平叠以便于运输。

爱国者多功能相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)

3、机载预警和控制系统(AWACS)世界上第一个具有超低副瓣的作战雷达天线是由西屋电气公司为AWACS系统研制的。它取得成功后，便有很多产品紧随其后，而且常常得到比规定的副瓣电平还要低的副瓣。AWACS雷达天线是波导窄边缝隙阵列，有4000多个缝隙单元。该系统可用于空中监视的预警机，如下图所示。它在可一起转动的圆形天线罩内做机械旋转，在垂直面上用28个铁氧体精密移相器实现相控扫描。

AWACS预警机雷达天线波导窄边缝隙阵列(西屋公司提供)

4、电子捷变雷达

西屋电气公司以前为机载应用研制了这种X波段相控阵雷达。后来此系统演化为B1－B轰炸机上的AN/APQ—164雷达，如下图所示。该图显示正在装配的这种雷达天线，它有1526个圆波导口辐射单元，组成的阵列为椭圆形孔径，每个单元都带有可逆铁氧体移相器，可以实现空间二维扫描。该系统有形成波束变化的灵活性，其口径相位的变化可以实现尖锐的笔形波束、余割平方波束、垂直扇形波束。极化可从垂直极化改变为圆极化。这是通过每个单元的可开关的法拉第旋转器结合铁氧体/4薄片来实现。天馈系统还包括故障定位和隔离系统，还有检测、校验系统，这可通过合成信号的变化来确定合适的相位分布(校正馈电系统的误差)，检验激励幅度，并检查极化分集的功能。

正在装配的AN/APQ—164相控阵雷达天线(西屋公司提供)

5、多功能电扫描自适应雷达(MESAR)

这是一部具有挑战性的S波段固态相控阵雷达，它由英国海军部研究中心和Plessey雷达公司共同研制。阵面为1.8m×1.8m孔径，共有918个波导型辐射单元，如下图所示。采用4位二进制移相器，功率放大器为分立器件，有22％的带宽，2W输出功率。接收时信号在模块中被前置放大和移相，并在波束形成器中聚集成16个子阵，每一子阵都有各自的接收机，这些接收机的输出用8位A/D转换器数字化，提供强大的自适应置零能力。

MESAR固态相控阵雷达天线(Plessey公司提供)

6、AN/TPS-70多波束阵列雷达

这是一种不用移相器相控扫描的低副瓣阵列，在方位上为低副瓣波束并采用机械旋转扫描，在俯仰面上实现多个波束以覆盖空间较大的范围。天线使用36根水平波导管，每根波导管上有94个缝隙以形成主瓣宽度为1.6o的方位窄波束。在俯仰面上，发射时激励22根波导管，产生20o的俯仰波束，该波束为赋形波束，低仰角时的增益高，高仰角时的增益低；接收时来自全部36根波导的能量结合在一起产生6个同时波束以覆盖0～20o的仰角范围。6个波束的仰角宽度从最低波束的2.3o变化到6o。这6个波束均有自己的接收机，通过比较这些波束中的能量可提供仰角的单脉冲信息。

同时多波束的优点是，在强杂波环境中它能提供实现信号处理功能所需的时间。该雷达可运输。其作用距离240英里，有3MW的峰值功率和5KW的平均功率。该雷达及其改型已在全世界广泛使用。

AN/TPS-70多波束阵列雷达天线(西屋公司提供)

7、AN/TPQ-37武器定位雷达

又称火力搜索雷达，为美军陆军装备，由休斯(Hughes)飞机公司研制。用来探测炮弹弹道，并反向寻找其发射点。该雷达使用有限扫描相控阵，它能在方位上提供宽扫描角，在仰角上提供有限的扫描角，有限扫描范围将大大减少移相器数目。系统只使用360个二极管移相器，每个移相器控制阵列垂直线上的6个辐射单元。其峰值功率为4KW，平均功率为165W。

该雷达为单脉冲体制，其馈电网络可形成和波束、方位差波束和俯仰差波束，馈电网络由空气带状线和波导功分器组成。天线尺寸8×12×2(ft)3。在美国和其他国家和地区，以装备了数十套这种雷达。

AN/TPQ-37武器定位雷达(Hughes公司提供)

8、铺路爪(Pave Paes)雷达

该雷达由Raytheon公司研制。它用于提供弹道导弹的预警，也可实现对卫星的跟踪，它是超高频(UHF)固态相控阵雷达。一套系统包含孔径相互倾斜120o的两部雷达，可提供240o的总观察范围，它可检测到3000英里处的10m2的目标。

铺路爪超高频固态相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)

9、丹麦眼镜蛇(Cobra Dane)雷达

是Raytheon公司研制的一部庞大的L波段相控阵雷达，它是为收集国外洲际导弹试验情报而研制和部署的，其雷达天线如下图所示。它有一些与众不同的特性，它是一种稀疏阵列，直径为95ft，共有34768个单元，其中15360个单元是有源单元，其余是无源单元。有源单元分成96个子阵，每个子阵有160个辐射器。发射时由行波管馈电，加到天线上的总峰值功率为15.4MW，其频带宽度为200MHz，有2.5ft的距离分辨能力，以探测目标的尺寸和形状。

丹麦眼镜蛇L波段相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)

10、“朱迪”眼镜蛇雷达

是一种独特的大型相控阵雷达，由Raytheon公司为美国空军研制。用以收集国外弹道导弹实验的数据。他安装在美国舰船“膫望岛”的转台上，如下图所示。阵列直径为22.5ft，包含12288个单元，由16个行波管馈电

美国舰船“膫望岛”上的“朱迪”眼镜蛇大型可旋转相控阵雷达天线

(Raytheon公司提供)

11、空中预警机雷达

又叫机载搜索雷达。最初是为远程侦察机探测舰艇研制的，第二次世界大战后期美海军研制了几种机载预警雷达，用来探测舰艇雷达天线探测不到的低空飞行的飞机。在增大对空、对海面目标的最大探测距离方面，机载雷达的优势是显而易见的。因为海面上高度为100ft的天线，其雷达视线距离只有12英里，而高度为10000ft的飞机，雷达视线距离为123英里。

日本神风突击队的袭击造成美国多艘哨舰的损失，激发了机载预警雷达的设想，后来这种系统发展成为一种用于洲际防空的边界预警巡逻机。

下图为航空母舰的舰载E－2C预警机。

E－2C预警机 12、3D雷达概念

又叫三坐标雷达，这种雷达可同时测量目标的3个基本位置坐标(距离，方位和仰角)。3D雷达是一种警戒雷达，其天线在方位上机械旋转，以测量目标的距离和方位，在仰角上扫描一个或多个波束，或者通过邻接的固定仰角波束来获得目标的仰角。

按照怎样形成仰角波束和怎样在仰角上的扫描波束，3D雷达可分为堆积多波束雷达，频扫雷达、相扫雷达，机械扫描雷达和数字波束形成雷达。

13、S713Martello堆积多波束3D雷达

它是L波段可移动的包含8个波束的堆积多波束雷达，如下图所示。其平面阵列高10.6m，宽6.1m，共有60行，每行32个辐射单元，装有60个接收机用以把接收到的射频信号下变频为中频。方位波束宽度为2.8o，机械旋转，转速为3圈/秒。仰角上，发射时为余割平方方向图，覆盖范围30 o，接收时形成并处理8个堆积窄波束。发射峰值功率为3MW，平均功率8KW。这种雷达为警戒雷达。对100英里处的小型战斗机，其测高精度达1000ft(约300m)。

S713Martello堆积多波束3D雷达(Marconi公司提供)

14、AN/SPS－52C频扫3D雷达

频率扫描雷达是指天线辐射波束指向随频率改变而改变的雷达。应用于空中监视任务的3D雷达技术之一是频率扫描。频扫阵列是利用一段波导传输线的相位频率相关特性来扫描笔形波束。馈电波导在阵列的一侧折叠成蛇形状，对波导行波阵进行耦合馈电，如下图所示。改变发射或接收频率在口径上产生不同的相位变化剃度，从而使天线辐射波束指向发射偏转。实际应用的频扫阵列天线如下图所示的AN/SPS-52C雷达天线。

频扫雷达的测量精度比不上堆积多波束雷达和相扫单脉冲雷达。其原因之一是为了控制波束指向需要改变系统工作频率，从而导致目标回波幅度的波动，降低了多波束目标回波中可用的目标角度信息的质量。

具有蛇形波导馈电的波导窄变缝隙阵列及AN/SPS-52C舰载频扫3D雷达

(Hughes公司提供)

15、AN/FPS－117相扫3D雷达

方位上采用机械旋转扫描，仰角上采用相控扫描来进行目标的三坐标定位，是3D雷达测高技术中最为灵活的雷达。可以和相扫阵列一起使用的测高技术包括各种相参同时波束转换技术(单脉冲、和相位干涉等)，以及幅度比较顺序波束转换技术。相控阵雷达在当今武器市场中变得越来越普遍，这要归因于目标和环境的威胁不断地升级和变化。

AN/FPS－117固定站固态相扫3D雷达(通用电气公司提供)AN/FPS－117是典型的S波段相扫3D雷达，如上图所示。其天线为平面阵列，共有44行带状线馈电的水平振子，每行有30个单元。44行中的每一行包含它自己的固态收发组件。该收发组件由峰值功率为1KW的固态发射机、集成电源、低噪声接收机、移相器、收发开关和逻辑控制单元组成，且全部安装在天线上。平面阵列的馈源结构在接收时可产生双轴单脉冲波束集，即一个和波束与两个差波束。一个附加的列馈为最低角波束位置提供了特殊的低仰角测高能力。馈源产生一对和波束被小心地放置在某仰角上并作为单脉冲对其进行处理，采用此技术使多路径的影响为最小。

16、其他雷达天线

波导宽壁纵缝阵

低副瓣的波导窄壁斜缝阵(机载预警雷达天线)

机载雷达天线及馈电网络

机场监视雷达天线及馈电网络形式

圆环阵列天线

多普勒角度扫描缝隙阵列

圆柱形频率扫描阵列

俯视图

A方向侧视图

B方向侧视图

圆锥共形阵列(单元为直缝、斜缝和横缝)

俯视图

A方向侧视图

B方向侧视图

圆锥共形阵列(单元为“十”字缝)

弹头锥体上的“十”字缝隙阵，及单元形式

球形开关阵列

双极化C波段微带贴片天线

八木天线阵列

一种舰载雷达双天线同步跟踪控制 第3篇

关键词：双天线,同步,跟踪,PID控制

0 引言

舰载雷达在舰上由于受安装位置限制,雷达探测天线因遮挡存在较大范围的探测盲区,为了消除盲区影响,采用双接收天线体制,即在舰船左右舷对称位置各安装一个探测接收天线,从而可实现全方位范围探测功能,其作用相当于将两个探测天线当作全方位范围内的一个探测天线使用。在双天线体制下,始终有一个天线为主天线,另一个天线作为从天线与主天线保持同步,两个探测天线各负责180°探测范围。

1 工作原理

双天线同步控制在环扫、定位或目标跟踪状态时,左舷天线作为主天线,右舷天线作为从天线。双天线控制采用主从控制方式,如图1所示,在环扫、定位或目标搜索时,主天线按指定要求旋转,从天线方位始终实时与主天线方位保持同步;在目标跟踪时,目标侧天线进行跟踪,另一天线与其保持同步。当探测目标通过切换点时,当前的跟踪天线进入同步状态,而另一天线则由同步状态进入跟踪状态,这种双天线之间的状态切换必须是平稳的,否则双天线控制系统就会丢失目标甚至失控。为了实现双天线的同步和跟踪,主天线控制模块和从天线控制模块必须进行实时数据交换。在工作中,主天线控制模块和从天线控制模块分别完成主天线和从天线的方位和俯仰两轴稳定控制,即方位轴完成环扫、定位和跟踪功能,俯仰轴保持水平。

1.1 双天线同步目标搜索

主天线控制模块首先向从天线控制模块发出数据准备握手信号,通知从天线控制模块主天线的当前方位有效,从天线控制模块接收到有效的握手信号后,读出主天线的当前方位,驱动从天线平稳(经加速、匀速和减速)运动至主天线的方位,然后向主天线控制模块发出到达同步点的握手信号,主天线控制模块收到此信号后,按指定要求驱动天线运转。同时,从天线控制模块进入同步状态,实时读出主天线的方位,并将此信号作为本模块方位闭环控制给定值,驱动从天线方位与主天线方位实时保持同步。当从天线到达主天线位置后,表示双天线已经同步,此时两个天线同步顺时针旋转一周进行目标搜索,找到目标后,双天线同步进行目标跟踪。

1.2 双天线同步目标跟踪

如图2所示,当搜索到有效目标后,若目标落在0~180°区间(右舷)时,则从天线跟踪,主天线与其同步;同理,若目标落在180~360°区间(左舷)时,则主天线跟踪,从天线与其同步。为了避免在0°和180°两个切换点附近来回切换,故在切换点设2(±)的切换裕度,如图2中的区1、区2及区3、区4。在跟踪时,当目标由区1(主天线跟踪)向区2运动,经过0°时不进行跟踪切换,依然是主天线跟踪,直至目标位置超过,才切换至从天线跟踪;同理,当目标由区2(从天线跟踪)向区1运动,直至目标位置超过360°-时,才切换至主天线跟踪。目标在180°附近移动时,其跟踪切换与目标在0°附近时相同。

在搜索到有效目标后,若目标落在区1(主天线跟踪)和区4(从天线跟踪),则双天线同步从当前位置顺时针平稳运转(经加速、匀速和减速)至目标位置;当目标落在区2(从天线跟踪)和区3(主天线跟踪)时,则双天线同步从当前位置逆时针平稳运转至目标位置。当目标落在区5(主天线跟踪)和区6(从天线跟踪)时,则双天线同步从当前位置按最短路径运动至目标位置进行跟踪。

当双天线同步运动至目标位置后,主天线和从天线分别进入各自的控制子程序,此时若主天线跟踪,从天线必须与其保持同步,反之,若从天线跟踪,主天线也必须与其保持同步。当目标丢失时,双天线同步旋转重新进行目标搜索。

2 控制系统设计

主天线和从天线的两轴稳定系统皆采用坐标变换技术在雷达天线方位和俯仰轴上对舰船摇摆姿态角(纵摇角P、横摇角R和航向角H)进行角度实时补偿,从而确保雷达天线指向稳定,在舰船地理坐标系中其方位角A和俯仰角E计算公式如下[1]:

式中:Ac,天线甲板方位角;E,天线俯仰角;A,天线真方位;Ec,天线甲板俯仰角;H,舰船航向角;R,舰船横摇角;P,舰船纵摇角。

2.1 方位闭环控制

方位控制如图3所示,方位给定值和真方位之差作为PID控制的误差输入信号,PID校正量与给定值的速度前馈校正量之和经非线性补偿处理后作为方位控制量[2],此控制量经D/A转换后送至方位驱动器,驱动天线方位按指定要求运动。

2.2 俯仰闭环控制

俯仰控制如图4所示,将俯仰给定值和俯仰角之差作为PID控制的误差输入信号;由于俯仰给定值一般为零(保持与大地水平),故取甲板俯仰角的位置差分构成顺馈校正,PID校正量与顺馈校正量之和经非线性补偿处理后作为俯仰控制量,此控制量经D/A转换后送至俯仰驱动器,驱动天线俯仰实时与大地保持水平。

2.3 控制算法设计

为了降低控制系统的稳态误差,同时保持系统的稳定性,控制系统采用复合控制方法,复合控制由前馈或顺馈补偿、PID控制及非线性补偿三部分组成。其中,PID控制完成主要的调节功能,前馈或顺馈补偿用来降低系统的控制误差,非线性补偿则用来克服系统在低转速或速度换向时出现的爬行和振荡现象。

前馈或顺馈补偿算法的传递函数如下:

其中和Ka分别为速度和加速度增益。为了避免普通PID算法带来较大的超调和振荡,PID控制器采用抗积分饱和的PID控制算法:

其中:

当控制误差e(k)较小且积分累计量Ui小于设定的阈值U v时,采用PID控制;当系统受到干扰致使误差较大或U i大于Uv时,采用PD控制,若此时积分累积量Ui不为零,将积分累积量按系统可接受的速率Uz迅速递减至零,从而迅速消除积分的不利影响。本算法可确保系统不会发生积分饱和现象,对阶跃信号具有很好的快速响应能力,对突变干扰信号具有很强的抗干扰能力,具有良好的控制品质。

针对低转速下旋转运动系统所表现的非线性特性,对数字PID运算后的控制量进行如下非线性补偿处理[3]:

式中:

即当控制量较大时,采用PID控制,当控制量较小时对PID控制运算结果进行非线性补偿处理。应用表明,在旋转运动系统中,上述低速非线性补偿处理方法能够有效地消除低速爬行现象,克服低速运动时的抖动现象,使系统低速时可平稳运行。

3 结语

本文阐述了一种舰载雷达双天线同步控制设计,详细介绍了双天线同步搜索和同步跟踪的工作原理,以及方位和俯仰两轴控制系统的设计方法,该设计方法有效解决了双天线的同步控制难题,在实际应用中稳定可靠,对于受安装位置影响而采用双天线体制的控制系统设计具有一定的参考价值。

参考文献

[1]曹正才.舰载雷达常用稳定方式坐标变换[J].雷达与对抗,2010(1):47-52.

雷达天线控制系统 第4篇

气象雷达是探测降水系统的主要工具,是对暴雨、冰雹和龙卷等强对流天气进行监测和预警的强有力工具之一,通过分析雷达接收到的降水系统回波的特征,不仅能反演降水回波的位置、范围、强度和高度,确定降水的性质,以及其影响的程度和影响的地区,还能够随时对所发现的气象目标进行观测和跟踪[1,2,3]。其应用领域包括对强对流天气的探测和预警、大范围降水的监测和雨量的定量估计、风场特征的判断以及高分辨率数值天气预报模式初值场等方面。

在全球气候变暖背景下,灾害性天气发生频率日益增加。为增强应对灾害性天气的监测和预警能力,进一步完善气象应急服务体系和提高服务质量,必须针对与风害和冰雹相伴随的灾害性天气,实时获取降水和降水云体的风场结构,提供准确提供雷达观测资料。

灾害性天气对车载气象雷达的机动性提出了更高的要求。雷达机动性[4]是指在规定条件下,雷达由某区域工作状态经快速撤收、运输到另一区域并重新展开恢复到工作状态所耗费的人力和时间。对车载雷达采取高可靠、高自动化的天线升降系统既有利于提高机动性,又有利于提高天线中心物理高度,克服近距遮挡,扩大雷达的探测区域,为天气数据的观测创造有利条件。

本文针对车载1.5m口径平面雷达天线设计了升降系统,以完成雷达天线平稳、准确、快速地举升到中心离地3.5m高度,并达到应有的精度指标。

2 系统工作要求

设计指标为:总举升高度1.5~4m,举升时间小于1.5min,8级风下正常工作,无电时能完成应急撤收。本系统以传递动力为主,保证足够的动力是其基本要求。

系统兼顾稳定性、可靠性、可维护性、安全性及效率。其中系统的稳定性[5,6]是指系统工作时的运动平稳性及系统性能的稳定性(如环境温度对油液的影响等因素)。可靠性是指系统不因意外的原因而无法工作(如油管破裂、无电等情况)。可维护性是指系统尽可能简单、元件尽可能选标准件,结构上尽可能使维护方便。安全性是指不因液压系统的故障导致天线架的倒塌或其它事故(如下降时失控,天线由于重力加速下落)。效率是指液压系统的各种能量损失尽可能的小。上述要求中,除满足系统的动力要求外,最重要的是保证系统的安全性和可靠性。

3 系统设计

系统采用模块化设计,系统分为机械系统、液压系统、电控系统3个子系统。车载式X波段相控阵气象雷达天线的承载平台由中意SZY5040XGC2型依维柯车辆改装而成,该车为客货两用车,客仓和货仓各自独立。封闭的客仓内可放置雷达收发、信息处理单元和其它辅助设备;开放的货仓安装X波段雷达天线、升降轨道架、底座等。

为避免车辆在行驶过程中,由于道路颠簸造成雷达损坏,雷达未开机时天线应自动复位,即天线处于滑轨最低位置;正常工作时,雷达天线升高至滑轨最高处位置并自动锁定,保证天线运转正常。

3.1 机械系统设计

(1)雷达天线安装底座平台

根据天线外观整体结构尺寸以及承重要求,设计雷达天线安装的底座,如图1所示。雷达天线、俯仰电机、方位电机及轴承、变速齿轮箱体等部件均安装在直径为305mm的圆形底座上。整个安装底座采用金属材质为Q235的材料,外形几何尺寸为560mm×550mm×410mm,底座的平面部分内安装雷达天线,用3个M16螺丝固定,安装底座前后两侧转有Φ24的螺孔,与雷达天线平台升降架两侧挡板的Φ25钻孔相配合,中间用四个M24螺丝连接。

天线底座侧后方四个Φ16.5孔径,用于安装四个滚轮,实现整个平台在天线升降轨道内升降。

(2)雷达天线升降轨道架

雷达天线升降轨道架见图2,轨道架采用Q235金属材质,外形尺寸625mm×670mm,其下部用6个M12的螺丝与车厢底板连接。升降轨道的两侧焊接两块挡板,尺寸为220mm×400mm,挡板上部设计Φ25的螺孔,用M24的螺丝固定升降平台。

为保证滑轨足够的刚度和强度,在升降轨道的后两侧焊接两根宽80mm,高1860mm的槽钢,组成整个升降平台轨道架。通过安装在雷达天线升降轨道的平台上四个滚轮实现其在槽钢内的上下滑动,实现平台的升降。

轨道架上钻有三个Φ25孔径,雷达天线在行驶和工作过程中的起到限位的作用。在距轨道架上部1740mm处焊接两根长伸杆,并将其焊接到车厢顶部的行李架上,以保证轨道架上部的稳定。

(3)雷达天线三角平台

采用Φ25的钢管加工雷达天线三角平台的支架杆,如图3所示。

当雷达天线安装底座平台上升至轨道架最高处,即进入正常工作状态时,平台下端用M24螺丝固定在轨道架上,上端向外拉至平台的Φ25螺孔处,用M24螺丝固定构成雷达天线的三角平台。该机械结构确保雷达天线进行俯仰、旋转运动时,整个天线具备良好的抗风能力。

(4)雷达天线链轮

雷达天线链轮将液动能量转换为机械能,是连接机械系统与液压系统的关键部件。液压系统的油缸固定在升降轨道架的中间,升缩杆的头部安装有链轮,链条的一端固定在车厢底版上,另一端通过链轮固定在雷达天线底座安装平台上。当油缸加压时,油缸伸缩杆向上延伸,链轮转动,带动链条提升雷达天线底座安装平台至工作位置;当油缸减压时伸缩杆缓慢收缩,链轮带动链条使雷达天线底座安装平台下降至行驶状态位置,从而完成天线的升降,油缸上链轮的安装见图4。

3.2 液压系统设计

液压系统应控制操作精确、简便、性能安全可靠及稳定、维修方便[7]。本文的液压系统采用两级行程提升(最大提升行程800mm,最大提升重量1000kg,直径Φ105mm)的油缸为动力源。为保证良好的同步控制精度,雷达天线底座平台的升降将比例伺服换向阀与同步位移传感器相结合。在执行部件上均设测压点,以便观察各执行元件的工作状况。阀组部分尽量采用叠加阀,以便于油路模块的设计及液压系统的调试和维修。液压系统举升过程流程图如图5所示。

考虑到液压系统的安全设计,在每个油缸回油侧都有顺序阀来建立背压,以防止运动时油缸的突然冲击。每个油缸的油口都安装可逆式单向阀以保证管路破损时油缸能够自锁,且系统同时自动卸荷。系统增加了可靠设计,对液压电机驱动力矩、油泵电机功率、顶升油缸顶升力分别进行了计算,保证系统具有足够的冗余度。

3.3 电控系统设计

采用SIEMENS-PLC S7-200作为电控系统的控制核心。PLC电源和外围控制电路电源都进行电磁干扰设计,所有的编码器以及伺服阀等都采用了屏蔽线,有效地提高了系统的抗干扰能力。其中雷达天线安装底座与主顶升油缸的同步控制最为关键[8]。在本系统中采用链轮式编码器进行主顶升油缸进行实时位置检测,然后通过比例伺服阀对顶升油缸的位置进行实时控制,同步控制精度为±5mm。

电控系统中油泵电机启动采用Y-△软启动方式,减小了启动电流冲击效应,减少对车载其他设备的干扰。同时系统具有相序保护功能,启动时一旦相序错误,系统给出警示信息。电控系统基本原理如图6所示。

顶升油缸的同步控制是整个电控系统的核心,为此引入以下控制方案:

(1)以顶升油缸的工作位置为参考值,给出一恒定电压(速度),对顶升油缸的位置进行实时调节。油缸的控制采用比例伺服电磁阀,通过PID控制器改变顶升油缸运动速度和位置;

(2)采用高精度直线位移传感器对从油缸的运动位置进行实时监测,根据传感器的测量值,计算出顶升油缸的位置;

(3)当误差在容许的范围内时,为提高系统的稳定性,避免底座振荡,控制系统无控制输出。当误差超过设定范围时,调节从油缸使顶升油缸所在位置的误差减小。

4 结论

面对灾害性天气的需求,为增强应对灾害性天气的监测和预警能力,车载气象雷达的机动性已成为一项重要指标。

为此本文以新疆气象局X波段的气象雷达为研究对象,设计一个能缩短架撤时间、减少操作人员数量和劳动强度的雷达天线升降伺服自动控制系统。系统整装实物图见图7。

经外场颠簸试验和观测试验,车载式X波段相控阵气象雷达天线升降系统架设时间在1.5min内完成,举升过程中,天线姿态保持不变,架设、撤收过程平稳无惯性加速。系统抗风能力可达8级风,完全达到设计要求,解决了车载气象雷达天线升降问题。对其它非直升-直降雷达天线架设的液压系统问题也有一定的参考价值。

摘要：车载式X波段气象雷达是新疆气象局重要的应急服务装备之一。本文根据依维柯车箱箱体提供的安装条件、X波段雷达天线的结构、升降的高度以及天线工作要求,结合模块化的设计思想,研制出X波段气象雷达天线专用的升降系统。系统由雷达天线底座平台,升降轨道架,滚轮,链轮,油缸等部件组成。在进行气象应急预案时,该系统通过同步控制策略保证系统运行稳定性,并能迅速架设天线。

关键词：气象雷达,天线,升降系统,模块化设计,同步控制

参考文献

[1]许国仁,叶安健.711测雨雷达原理与维修[M].北京:气象出版社,1983.

[2]陈建平.大阵面天线自动展开/折叠技术[A].第八届全国雷达学术年会论文集[C].合肥:中国科学技术大学出版社,2002.

[3]戚仁欣.现代军用地面雷达装载设计的若干问题[J].专用汽车,2002(1):12-16.

[4]严宏.风载荷对阵列天线外形设计的影响[J].电讯技术,2001(5):47-51.

[5]曾余庚.雷达天线的风荷[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1973.

[6]叶尚辉,李在贵.天线结构设计[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1986.

[7]程登元,赵德昌.地面高机动雷达液压系统研究[J].电子机械工程,2007(4):37-40.

[8]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

雷达天线控制系统 第5篇

关键词：PowerPC,FPGA,远程操控系统

1 应用背景

某雷达将需要的雷达信号通过网络送至远程显控台, 并在远程显控台对雷达进行远程操控, 如图1所示。

在雷达实际使用过程中, 雷达操作员经常会在雷达“手控”模式下, 使用手轮操控雷达天线来回反复扫描某个目标, 观察目标回波的波形, 对目标属性进行判断, 如果手轮转动与雷达天线转动有较大延迟, 会造成操作员手眼不协调, 影响目标属性的判断。

2 延迟的产生

在远程操控系统中, 雷达操控台位定时输出在该时间段内手轮转动的脉冲数, 雷达接口设备接收到脉冲数后还原为手轮脉冲信号控制雷达天线。

从手轮转动到天线转动的延迟主要由以下几方面产生, 如图2所示。

DELAY1为远程显控台从摇动手轮到输出网络报文的延迟, 在实际的工作中DELAY1约为50ms;

DELAY2为网络传输延迟, 一般要求DELAY2小于2ms;

DELAY3为雷达接口设备从接收网络报文到输出手轮信号的延迟;

DELAY4为雷达设计时从收到手轮信号到天线转动固定的机械延迟 (DELAY4约100~200ms, 操作员已经适应了该延迟) ;

本文主要针对DELAY3, 设计雷达接口设备, 在收到遥控终端送来的网络数据后, 以很小的DELAY4延迟生成天线所需的信号。

3 方案设计

雷达天线的操控信号为AB相信号, 如图3所示。A相位超前为正转, B相位超前为反转。雷达接口设备需要将网络数据转换为AB相信号, 以实现雷达天线系统的远程操作控制。

为实现较小的延迟, 选择具有较强通信能力的Power PC作处理器, 系统采用嵌入式Linux操作系统, 结合FPGA进行设计。Power PC模块主要接收网络送来的脉冲数, 解析后通过Local Bus写入到FPGA的寄存器中, FPGA接收到脉冲数后进行处理输出AB相信号, 如图4所示。

4 Power PC系统设计

4.1 硬件设计

Power PC处理器选用Freescale公司的MPC8377E[1], 该处理器集成e300c4处理器核, 片内具有32Kbytes的指令cache和32Kbytes的数据cache, 工作主频可达800Mhz。MPC8377E可以支持2GB DDR2内存。MPC8377E的本地Local Bus总线扩展一片NOR FLASH作为系统的存储空间。其作用是用来存储bootloader、操作系统内核、文件系统。通过88E1111网络芯片接入千兆光以太网 (见图5) 。

4.2 软件设计

Power PC处理器运行远程操控控制程序和Local Bus总线驱动程序, 远程操控控制程序通过网路接收雷达天线远程操控命令, 对命令进行解析翻译, 根据命令类型将操控命令通过Local Bus总线驱动程序向FPGA的相应寄存器写入控制命令。

Local Bus总线驱动程序实现主从设备号申请、设备注册、FPGA地址功能映射、设备硬件控制等功能[2]。Linux内核通过一个file_operations结构体组织对设备操作的具体实现函数, 该驱动在设备注册时实现FPGA地址功能映射, 通过file_operations结构体中fpga_write函数实现用户层内核层数据交互和FPGA数据写入[3]。

Local Bus配置为通用片选机制 (GPCM) , 向FPGA写入手轮值, Local Bus写时序如图6所示。其中参数t WC, t AWCS, t CSWP, t AWE, t WEN可以由软件进行灵活配置, 时序简单, 易于FPGA设计实现。

5 FPGA设计

FPGA采用Altera公司Straix系列的EP1S25[4], Power PC将脉冲数写入到FPGA后, FPGA按照Local Bus写时序解析出手轮脉冲个数值, 开始生成AB相信号。流程如图7所示。

(1) FPGA解析出新的手轮脉冲值后, 判断手轮是正转或反转;

(2) 将脉冲值与N相加 (N为还需要产生的脉冲个数) ;

(3) 生成一个固定脉冲宽度、固定相位差的AB信号, 每产生一次脉冲信号, N-1, 直至N=0;

(4) AB输出0电平。

输入输出波形如图8所示。

6 实践与应用

经过实际测试, 在输出AB相脉冲宽度4ms时, 雷达接口设备从接收到网络信号到输出的延迟小于5ms, 其中Power PC从网络接收到Local Bus输出延迟小于3ms, FPGA从收到Power PC写入数据到输出波形延迟最大约2ms。充分体现了嵌入式系统和FPGA的实时性优势。

本设计已经进行了实践及应用, 经过长时间、大范围的使用, 功能稳定, 运行良好, 在以后的工程应用中具备推广前景。

参考文献

[1]Freescale Semiconductor.MPC8377EPowerQUICCTMII Pro ProcessorHardware Specifications[EB/OL].www.freescale.com.

[2]Jonathan Corbet, Alessandro Rubini&Greg Kroah-Hartman.LINUX设备驱动程序[M].魏永明, 耿岳, 钟书毅, 译.3版.北京:中国电力出版社, 2009.

[3]DanielP.Bovet&MarcoCesati著.深入理解LINUX内核[M].陈莉君, 张琼声, 张宏伟, 译.3版.北京:中国电力出版社, 2009.

雷达天线控制系统 第6篇

所谓校正,就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置,使系统整个特性发生变化,从而满足给定的各项性能指标。

前馈校正又称顺馈校正,是在系统主反馈回路之外采用的校正方式。前馈校正装置接在系统给定值(或指令、参考输入信号)之后及主反馈作用点之前的前向通道上,这种校正方式的作用相当于对给定值信号进行整形或滤波后,再送入反馈系统;另一种前馈校正装置接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间,对扰动信号进行直接或间接测量,并经变换后接入系统,形成一条附加的对扰动影响进行补偿的通道,前馈校正可以单独作用于开环控制系统,也可以作为反馈控制系统的附加校正组成负荷控制系统[1]。针对随动系统中快速跟踪性能的要求,本文采用了前馈校正的控制方法,使得系统的快速跟踪性能得到提升,超调也相应减少,本文还采用了提高增益及加入超前滞后环节的控制方法,减少了非线性对系统的影响。

1 伺服系统的组成与建模

本伺服系统采用捷联稳定天线结构,由雷达天线、伺服结构、力矩电机及传感器组成。其中雷达天线为伺服系统的负载,伺服系统按照要求驱动伺服镜进行二维运动。力矩电机为伺服系统运动的驱动器,传感器提供天线运动的角位置及角速度信息。伺服系统应具有这三个功能:视线预置功能:在规定的时间内,在信息处理机的控制下将视线调转到规定的方向上,并达到规定的精度要求;视线跟踪:与信息处理机闭合,驱动天线完成对目标的精确跟踪;视线解耦:消除外界扰动,尽量减小外界扰动对视线角速率测量带来的误差。

伺服系统组成框图如图1所示。

伺服系统主要由结构、电路和系统控制校正三部分组成,分为方位控制和俯仰控制两部分。其中,每个控制回路又由以下部分组成:传感器信号处理电路、校正网络电路、接口电路、功放电路、控制电机、测速装置、测角装置等组成[2]。

为提高系统控制性能,系统控制由电流环,速度环,位置环及稳定回路组成。各环路的作用如下:

电流环:改善电机特性即消除电机死区,减少电机时常数,减小电流波动对系统的影响。

速度环:改善系统的低速性能,提高系统抗力矩及速度扰动的能力,改善稳定回路及位置环路的动态性能。

位置环:提高系统刚度,确保系统精度。

稳定回路:隔离弹体扰动,同时确保导引头角跟踪回路的各项性能达到规定的技术要求。

1.1 力矩电机

力矩电机是伺服控制的主要组成部分,直流力矩电机原理图如图2所示。

其动态特性方程为:

式中:Ia为电枢电流(单位:A);La为电枢绕组的电感(单位:mH);Ra为电枢绕组的电阻(单位:Ω);J为电机轴上的总转动惯量(单位:kg·cm·s2);Ce为反电势常数(单位:kg·cm/A);Cm为力矩常数(单位:kg·cm/A);Uc为加在电枢两端的端电压(单位:V);Ua为电枢反电势(单位:V);ω为电机转子的角速度(单位:rad/s);Tem为电机转矩(单位:kg·cm);Tc为干扰力矩(单位:kg·cm)。

Tc为电机轴上的总阻转矩,又称干扰力矩:

式中:Kc称为粘滞阻尼系数;Tf为恒值阻转矩[3]。

本文采用了电流源性质的功率放大器。这种功放的输入信号是电压,输出信号是电流,输出电流与输入电压成比例,即:

这时电机电枢电流Ia由功放的输入电压Ui决定,而电枢电压Ua取决于电动机的工作状态。

根据拉式变换最后可得电机的传递函数框图如图3所示。

如果以Uc(s)为输入量,Ia(s)为输出量,若不计阻尼,则电动机的传递函数为:

式中:TM为机械时间常数;;Ta为电气时间常数,

由于TM≫Ta,则:

1.2 电流环

电流环结构框图如图4所示,KN为电流调节器系数,KP为功率放大器系数,Kβ1为电流反馈系数,为了防止电流回路产生高频干扰,通常在反馈支路上加入RC滤波器,Kβ2为电压衰减系数。

1.3 速度环

速度环的主要作用是抑制干扰,提高系统抗负载扰动的能力。速度环的设计主要考虑两个方面:速度环的开环增益和响应快速性。从提高快速性来说,速度环开环增益越大越好,但是速度环开环增益也不能太大,否则容易造成机械谐振、噪声和大的超调量[4]。速度环回路控制模型如图5所示。

图中Gi(s)为电流环等效传递函数,通过速度反馈环节形成闭环控制系统,以达到控制要求。

1.4 稳定回路

外部扰动会使导引头的天线指向发生变化,小则影响雷达测量视线角速度的精度,大则使目标落在天线波束之外而丢失目标。为了在外部扰动下保持雷达天线在空间指向不变,需用惯性器件来稳定天线。本文采用速率陀螺构成稳定回路稳定雷达天线。稳定回路是用来消除外部扰动对雷达天线耦合的影响[5]。稳定回路的组成如图6所示。

速率陀螺稳定方案是在雷达天线背面正交地安装两个完全相同的速率陀螺,直接测量天线在方位方向和俯仰方向的惯性角速度,当外部扰动耦合到天线运动后,陀螺产生反馈信号,驱动天线向与扰动相反的方向旋转,从而使天线在空间保持不变,实现隔离外部扰动的目的[6]。

2 系统仿真的实验结果及简要分析

随动系统俯仰回路位置环仿真如图7所示。

通过仿真可知,此系统的快速性并不理想,与给定的跟踪信号有一定延迟,于是提出前馈校正这个改进方法,前馈校正为PD控制器,PD控制器中的微分控制规律能反应输入信号的变化趋势,产生有效的早期修正信号,以增加系统的阻尼程度,从而改善系统的快速性和稳定性,使系统的跟踪性能得到提升,改进后具有前馈校正的位置环仿真如图8所示。

位置环的设计,主要完成天线角度引导功能,为了提高位置引导的速度,回路设计为带有速度前馈的复合控制系统,经过仿真,可知前馈校正对于系统的跟踪性能有较大提升。在输入为低频信号(3 Hz或5 Hz)时,改进后的系统响应更迅速,超调更小,跟踪更加准确;而当输入为高频信号(10 Hz或20 Hz)时,改进后的系统快速性比改进前系统大大提升,虽然超调量变大,但是在实际工作过程中,在高频扰动信号作用下,跟踪性能优先考虑的是系统的快速性。用同步数据进行对比,具有前馈校正的系统和原系统的仿真结果对比如图9所示。

图9中实线为输入信号,虚线为原系统的输出信号,点化线为具有前馈校正的系统的输出信号。

在调试过程中发现,电机模型的非线性因素对系统性能影响较大,尤其是电机的死区特性和饱和特性,因为对于输入的电流在外部进行了严格控制,所以饱和特性并不影响系统性能,所以非线性影响主要来自于死区。

死区又叫不灵敏区,主要有测量元件的死区、放大器的死区、执行机构的死区。死区非线性特性的数学表达式为:

式中:x1是输入量;x2是输出量;Δ是死区范围;死区外的直线斜率[7]为K=tanβ;

处在系统前向通路最前边的测量元件,其死区所造成的影响最大,而放大元件和执行元件死区的不良影响可以通过提高该元件前级的传递函数来减小。

死区非线性会引起系统振荡,产生稳态误差,死区范围Δ与稳态误差的绝对值|ess|近似成线性关系,死区范围Δ越大,稳态误差的绝对值|ess|越大[8]。

电机模型仿真如图10所示。

通过对电机增益进行调试,并添加比例-积分环节、滞后校正环节,仿真结果如图11所示。由图11可知,提高电机增益环节可以放大输入信号,使其避开电机死区。将系统串联入滞后校正环节,并将滞后校正环节的转折频率设置在远离截止频率的地方[9],由于校正环节的相位滞后主要发生在低频段,故对中频段的相频特性曲线几乎无影响。因为校正的作用,利用了网络的高频衰减特性,减小系统的截止频率,从而使稳定裕度增大,保证了稳定性和振荡性的改善,因此可以认为,滞后校正是以牺牲快速性来换取稳定性和改善振荡现象的。同时由于校正后系统高频段衰减了|2 0lg 0.2|dB,因而校正后的系统具有较好的抑制高频干扰的能力[10]。

3 结语

本文提出的前馈校正的方法,不仅能提高系统的快速性和跟踪性能,还能减小超调量,实现对目标的准确跟踪,通过调试发现非线性造成的问题,继而提出提高增益环节并加入滞后校正环节的方法,来减少死区非线性对于系统的影响,有效地减小了系统因为非线性产生的振荡,提高了系统的稳定性和抑制高频干扰的能力。通过仿真,证实这些方法均能应用于实际系统,能提高系统的跟踪性能和稳定性,具有一定的实际应用价值。

摘要：为了满足高精度随动系统的精度要求,以一种高精度伺服系统作为研究对象,建立力矩电机驱动的伺服系统的数学模型,采用超前滞后校正和提高增益、引入滞后环节的控制方法,对系统进行建模和仿真,实验结果表明,超前滞后校正的控制方法可以提高系统响应的快速性,满足高精度要求,提高增益、引入滞后环节的控制方法可以显著改善伺服系统死区非线性对于系统的影响。

关键词：随动系统,超前滞后校正,滞后环节,死区,非线性

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理[M].2版.北京:科学出版社,2007.

[2]程鹏.自动控制原理[M].2版.北京:高等教育出版社,2010.

[3]刘胜.现代伺服系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2001.

[4]陈家良.高精度随动系统的智能积分PDF级联控制研究[J].华东船舶工业学院学报,2000,14(6):49-50.

[5]杨守国.基于Simulink的某雷达天线随动系统性能分析[J].空军工程大学学报,2000,1(5):40-42.

[6]杨艳娟.双通道电动ARM导引头随动系统的设计与分析[J].哈尔滨工程大学学报,2000,21(2):86-87.

[7]李发海.电机与拖动基础[M].3版.北京:清华大学出版社,2005.

[8]周瑞青.捷联导引头稳定与跟踪技术[M].北京:国防工业出版社,2010.

[9]DORF Richard C.现代控制系统[M].北京:电子工业出版社,2011.

[10]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[11]陈涛,张文翰,马澍田.基于加速度回路的天线随动系统控制器设计[J].现代电子技术,2011,34(5):172-176.

某机动式雷达天线的结构设计 第7篇

波导裂缝阵天线作为天线的一种已经在多种雷达系统中广泛使用[1]。波导裂缝阵天线的阵面口径电场幅度和相位分布能精确地控制, 且波导传输功率容量大, 损耗小, 因而容易实现高增益、低副瓣、窄波束的要求, 同时这种天线体积小, 仅为相应反射面天线的1/5~1/10, 故能便于作为机载雷达天线阵面弹载雷达天线阵面和各种机动式雷达的天线阵面。

2 天线的布局组成

对于天线的主要组成部分波导裂缝阵面来说, 其天线阵面的平面度影响着天线的增益、副瓣、指向精度等电气指标, 是天线结构设计的主要指标, 而波导裂缝阵本身没有足够的刚性, 所以天线阵面平面度主要依靠其载体天线框架的刚性来保证。因此波导裂缝阵列天线的结构设计主要在于天线框架的结构设计。我们首先首先根据总体要求排列波导裂缝阵列, 从而确定天线骨架的外形尺寸。初步选取天线骨架材料, 再根据载荷要求及支撑条件进行详细的力学计算, 从而最终确定天线骨架的结构形式[2]。

如图1所示, 我们设计的天线阵面以天线骨架为主体。裂缝波导, 馈电波导, 负载等以天线骨架为依托, 有效集成于一体, 刚强度良好, 天线电口径能有效保证, 同时将雷达前端包括信号处理模块, 波束控制模块, T/R组件, 电源等集成到天线骨架背板上, 有利于雷达整体防护, 也有利于环控措施处理。T/R就近布置于天线电接口处, 减少了电讯损耗。

天线阵面背部内安装有大量的电子设备, 天线阵面结构设计既要考虑这些电子设备的布局, 安装, 走线, 维修等要求, 同时也要使天线结构具有足够的刚强度, 满足雷达电性能指标以及使用环境的需求, 如图2所示为天线骨架背部设计图。

3天线风载荷分析

天线所受的载荷很多, 大致有以下几种类型:风力、裹冰及积雪载荷、天线运动时的惯性载荷、自重、温度载荷及其他载荷等。对于我们设计的机动式雷达来说由于其独有的特性, 考虑到天气因素和工作环境, 因此在进行天线的载荷分析时, 只考虑风力载荷对天线的影响[3]。如图3所示, 当设备在生存风速下时校核雷达的稳定性, 此时设备的总迎风面积包括天线和车辆单元之和[4], 最大风阻力系数取Cx=1.4, 风速v=25m/s。

天线所受风力为:

风力所产生的倾覆力矩为:

重力相对于三角架的重力矩为:

M=G×0.74=364.78N·m

因需要重力矩大于风力矩, 即

M>M风

所以可以计算出配重为:

4 结束语

机动式雷达天线由于体积小, 设备高度集成、因此该天线的设计采用集成的设计理念和方法。在设计中CAD、Pro E等设计软件综合使用、反复优化, 及时对设计进行力学仿真和热分析, 同时在设计过程中优化考虑可制造性, 大大降低后期制造难度。通过对该天线结构设计时所进行的稳定性分析计算表明, 该天线结构设计安全性满足了设计要求, 并且通过了工厂鉴定有关试验的验证, 可以满足多种机动式雷达的应用需求。

摘要：随着雷达技术的飞速发展, 雷达系统对作为发射和接收电磁波主体的天线系统提出了更高的要求。某新型机动式雷达天线具有阵面尺寸小、设备高度集成、抗风载荷能力要求高以及机动时间要求比较短等特点, 文章通过对于该天线系统结构的优化设计, 缩短了研制周期, 达到了指标要求。

关键词：波导裂缝阵,天线,骨架

参考文献

[1]张雪芹.雷达信号的光汇流环传输技术[J].火控雷达技术, 2001, 3:57-60.

[2]R.S.Elliott.The Design of Waveguide-Fed Slot Ar-rays[M].Antenna Handbook, New York Van Nos-trand Reinhold, 1988.

[3]段宝岩.天线结构分析优化与测量[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1998.

雷达天线控制系统 第8篇

某型雷达天线包括扫描器和电子控制放大器 (AEC) , AEC是扫描器和雷达数据处理器之间的接口, 首先雷达的数据处理器接收到来自雷达操作显控台的指令信号, 并将指令信号送到AEC, 然后, AEC提供伺服信号控制扫描器运动。机载雷达天线测控平台基于ARM嵌入式处理器、专用检测板卡、通用操作系统、专用检测软件模式的便携式天线测控思路, 既能完成该雷达天线测制, 又能满足部队转场作战需求。

如图1所示, 机载雷达天线测控平台和AEC自检监视板的信号联系有3路。自检地址 (BITE ADDRESS) 、自检时钟 (BITE CLOCK) 和自检回答 (BITE RELAY) 信号, 采用查询和应答的工作方式。由机载雷达天线测控平台提供的AEC 8位串行字的自检地址和8个自检时钟脉冲自检时钟;AEC通过自检应答信号, 报告AEC和扫描器的工作情况。

1 机载雷达天线测控平台

机载预警雷达天线测控平台采用便携式箱体结构, 采用+28V和~3φ115 V 400 Hz电源组件供电, 采用嵌入式处理器S3C6410、专用检测板卡、Windows CE操作系统、专用检测软件的组成结构。这种结构保证了天线系统与测试平台的高实时性、可靠性、便携性等功能特点。天线系统测试与控制平台的功能主要包括扫描器的静态测试、AEC+扫描器的动态测试、平台校准。

1.1 天线测控平台硬件

机载雷达天线测控平台的硬件主要包括ARM嵌入式处理器S3C6410、检测板卡、电源组件、测试台操作面板、测试电缆等 (图2) 。

ARM 11系列中的S3C6410处理器采用了64/32位内部总线架构, 还包括许多强大的硬件加速器, ARM Core电压在1.2 V的情况下可以运行到667 MHz, 能使整个检测过程处理迅速、准确。该检测平台支持USB2.0 OTG高速 (480 MBPS) , 提高了测控平台以USB作为通信总线的数据传输效率。

天线系统测控平台需要模拟、处理、测试同步器信号、方位转速信号、自检信号、开关量信号等大量信号。专用检测板卡主要有同步机板、高速AD板、高速IO板、继电器板、脉冲检测板、开关隔离量输入板、信号调理板。检测板是天线系统测试与控制平台中至关重要的一部分, 提供被测设备扫描器和电子控制放大器需要的各种信号, 完成被测设备激励环境的建立, 并采集相应扫描器和电子控制放大器设备的工作状态, 完成不同的测试与控制。数据采集检测板由FPGA, CPLD或单片机完成底层信号处理工作, 操作实时性强。检测板卡的通信和控制均由主控制器处理器通过USB总线完成, 板卡之间的通信也是通过USB总线实现的。这种通信方式避免了ISA, PC I总线复杂的主机底板和众多的总线接口的复杂性, 同时减小了整个系统的体积, 提高了其便携性。

1.2 天线测控平台软件

机载雷达天线测控平台的软件基于能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域的Windows CE操作环境;采用用户应用层、测试管理层、物理层等层次结构, 如图3所示。

检测软件工作过程为用户应用层显示检测界面, 接收到用户发送的控制命令后, 测试管理层向板卡提供指令和信号生成的有关数据。然后物理驱动层主要完成各种检测板卡的打开、关闭、初始化、设定数据、读取数据等的具体操作与控制, 同时检测板卡将检测结果回送到测试管理层, 最终显示到用户应用层的有关检测界面上。

用户应用层软件包括系统的主界面、系统自检、初始化、测试选择界面、检测及结果显示界面等模块, 显控测试程序采用Lab Windows/CVI开发, 采用菜单、按钮等提示形式, 具有良好的人-机接口界面。

测试管理层包括测试流程高层指令模块和底层命令模块。它起着中间通信的作用。该层软件采用Embedded Visual C++编写, 实现嵌入式系统和各板卡的单片机、FPGA之间的信息交联。测试管理软件向板卡提供指令和信号生成的有关数据;同时板卡将检测结果回送到测试管理层, 最终显示到用户应用层的有关检测界面上。

物理驱动层主要包括USB HUB驱动、USB驱动动态连接库、各板卡物理驱动程序和调理/切换板驱动程序等。它集成了板卡和计算机USB通信的应用层协议, 是一个接口应用层程序集, 主要完成各种板卡的打开、关闭、初始化、设定数据、读取数据等的具体操作与控制。

2 脉冲检测板硬件设计

机载雷达天线测控平台中脉冲检测板提供自检地址 (BITE ADDRESS) 、自检时钟 (BITE CLOCK) 脉冲;同时对自检回答 (BITE RELAY) 脉冲解码, 板卡如图4所示。

脉冲检测板采用Silicon Labs公司的C8051F206型号单片机作为板卡的主控制器。脉冲检测板采用FT245R USB通信芯片, FT245R是FTDI (Future Technology Devices Intl Ltd) 公司推出的一种快速USB专用通信接口芯片, 可以实现USB和FIFO并行接口之间的数据双向转换FT245R是FTDI公司生产的一款可进行USB和并行I/O口协议转换的芯片, 此芯片适合将的并口转化为USB串口, 从而实现与测试平台中心的数据通信 (图5) 。自检信号电路的设计 (图6) 。

自检时钟、地址电路中的CLK, ADD端分别和单片机C8051F206的输出端P1.4, P1.5引脚相连, 自检应答信号REPLAY接P0.3端作为外部INTI中断的控制信号。在后软件设计时会介绍到由软件控制单片机P1.4, P1.5引脚高低电平的输出频率, 进而形成自检时钟、自检地址脉冲。自检时钟、地址电路中的74LV14是一个反相器, 当CLK电平为低电平0时, 经过取反电路即TLP701光耦的D-输入端为高电平, 此时光耦TLP107不导通, 输出为低电平。当CLK电平为高电平1时, 光耦导通, 输出为-15 V, 自检地址信号ADD的电路和自检时钟CLK电路的原理相似。自检应答电路中的REPLY_IN信号是从电子控制放大器自检监视版反馈回来的自检应答信号, 经过分压电路形成单片机引脚端口I/O容许5 V的输入信号电压, 当有自检脉冲反馈时, REPLY信号作为P0.3端的输入为高电平, 否则为低电平。

3 脉冲检测板软件设计

脉冲检测板的软件设计基于Silicon Laboratories ID E+Keil u V i2s ion3开发环境。脉冲检测板软件的主函数流程如图7所示。

由C语言的特性可知, 脉冲检测板软件的整个运行流程由主函数main函数来控制, 整个软件的设计是基于模块化, 针对要实现的不同的功能编写相应的函数模块。系统软件的设计思想是采用C语言模块化编程, 结合硬件结构, 按功能进行模块化。各模块相对独立, 便于调试、调用, 同时, 充分利用所选芯片的特点, 进行程序的编写, 从而满足系统低功耗的要求[6]。

3.1 系统初始化

系统的初始化由设备初始化函数Device_Init () 来实现, 在软件的设计过程时便于函数管理, 将Device_Init () 初始化函数作为初始化模块。Device_Init () 函数包括振荡器初始化Oscillator_Init () 、端口初始化Port_IO_Init () 、定时器初始化Timer_Init () 、中断初始化Interrupts_Init () 、变量初始化Val_Init () 函数。Oscillator_Init () 函数用于选择系统时钟, 在前面硬件电路设计时提到为了保证脉冲检测板系统时钟的准确性、精度性, 采取外部24 M晶振时钟作为系统时钟。需要注意的是由C8051F206单片机中文手册中知道当外部晶体振荡器运行并稳定后, 晶体振荡器有效标志 (寄存器OSCXCN中的XTLVLD) 被硬件置‘1’。XTLVLD检测电路需要在使能振荡器和检测XTLVLD位之间至少有1 ms的建立时间。所以Oscillator_Init () 函数函数实现的功能是等待1ms切换到外部振荡器, 在外部振荡器稳定之前就切换到外部振荡器可能导致不可预见的后果。

3.2 中断模块

根据脉冲检测板要生成的自检信号、速度信号、俯仰信号的特点, 其软件中断模块主要包括定时器0、定时器1、定时器2及外部中断INT1。这些中断主要用来实现自检信号、速度信号的模拟。定时器0、定时器1、外部中断INT1用来自检时钟、自检地址、自检应答的时序控制。定时器2用于速度脉冲信号频率的控制。在这里就重点介绍下自检信号的实现原理, 这也是软件设计过程中的难点。

脉冲检测板所模拟的自检时钟脉冲的频率为0.2 ms, 8个脉冲为1组, 自检地址是8个串行字, 每1字对应1个周期的自检时钟, 前4个串行字是0101固定不变, 后4个根据自检的内容而变, 12组自检地址分别是01010000依次到01011100。当雷达天线系统接收雷达天线系统测试平台发送的自检时钟、自检地址信号时, 会对进行相应的自检, 混合信号系统并将接收的自检结果反馈给上位机, 正常则有脉冲, 不正常则无脉冲, 逻辑0自检除外。

由自检信号的特点, 采取用定时器0、定时器1、外部中断来实现自检时钟、自检地址信号的生成并接收相应的自检应答信号。自检时钟的脉冲周期为0.2 ms, 一个脉冲包括一高一低电平即高低电平持续时间为0.1 ms, 那么T0的工作时间要为0.1ms, 定时器T0为16位计数器模式, 若计数值超过0XFFFF则会溢出, 则会进入定时器T0中断。根据T0定时器的时钟频率为24 M, 可设定定时器T0的初值为0XF69F, 来实现自检时钟、自检地址信号的生成。

由前面单片机控制电路中可以看到P0.3端口INT1接来自反馈回来的自检应答信号, 外部中断1是由自检应答信号触发的, 即有反馈的自检应答脉冲高电平时跳转执行。定时器1的工作时间为24 ms, 它主要是对反馈自检应答信号的超时处理, 如果过了24 ms还未有接收到自检应答脉冲, 则就默认无自检应答脉冲即自检未通过。定时器0的部分程序代码如下, 从中可以看到自检时钟、自检地址实现的原理, 当j=17时, 此时将自检应答标志reply_flag置1表示自检地址、自检时钟已经发送, 开启定时器1和外部中断是对接收自检应答信号进行响应。

3.3 数据通信模块

脉冲检测板软件的数据通信模块包括读USB数据Read_USB () 、写USB数据Write_USB () 函数。读USB数据Read_USB () 是通过FT245R USB接口芯片将缓冲区中的指令数据传输到单片机C8051F206, 写USB数据Write_USB () 是将单片机端口反馈的命令数据写到FT245R USB的缓冲区中。由前面FT245R USB接口芯片电路可知FT245R芯片的接收缓冲区非空标志RXF、发送缓冲区空标志TXF端、读写控制RD#、WR与单片机C8051F206的P3.4, P3.5, P3.6, P3.7端相连, 作为读写USB数据的控制信号。读写操作函数原理主要是根据FT245R的读写时序[7]。

3.4 命令处理模块

混合信号系统软件中的数据处理模块是根据USB读取的数据判断该指令是什么指令, 根据相应的指令进入相应的处理模块。这一功能主要由命令处理函数Data_Dispose () 来完成, 在前面主函数的流程图中, 看到其中调用主要是命令处理函数Data_Dispose () , 其在根据读取的USB数据来判断是什么指令就进入相应的指令响应模块。

4 结束语

便携式机载雷达天线测控平台的脉冲检测板, 通过提供自检时钟、自检地址, 对自检应答脉冲解码, 能快速地检测天线系统的故障, 并能将故障隔离到组件或插件上, 具有可靠、准确、快速、便捷等优点。解决了原来进口的测试台不能满足部队作战转场的难题, 该测试与控制平台适合应用于对体积和功能都有较高要求的某型雷达天线系统的检测诊断。

摘要：针对某机载雷达天线的BITE检测问题, 提出一种便携式天线测控平台设计方案, 基于以嵌入式处理器S3C6410为主控制器, 采用专用检测板卡、通用操作系统、专用检测软件的虚拟仪器模式。实际应用表明, 此平台通过脉冲检测板能够准确快速地检测出雷达天线的故障。

关键词：机载雷达天线,测控平台,脉冲检测板

参考文献

[1]田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005:142-155.

[2]胡立夫.某型飞机发动机产品检测系统的设计与实现[D].东北大学, 2008.

[3]张海宁, 朱欣颖.一种便携式故障检测系统的设计[J].电子设计工程, 2011, 19 (20) :86-87.

[4]高飞, 初晓军.嵌入式机载交联设备检测系统[J].船舰电子工程, 2008, 28 (3) :52-53.

[5]马二涛, 李建海, 刘保华, 等.某型机载近距导航设备检测仪的设计与实现[J].电讯术, 2010, 50 (3) :69-72.

[6]初晓军编著.XX雷达设备[M].青岛:海军航空工程学院青岛分院出版, 2005:67-137.