地海雜波測試控制平臺的設計 - 全文

　　地海雜波是地表平面，海平面反射的雷達回波，由于受到風力，環境濕度等多種自然因素的影響，地海雜波信號變化復雜，信號強。它的存在嚴重干擾了雷達對地面，海面目標的檢測性能。為了提高雷達的檢測性能，要采用地海雜波測試控制平臺來實現對地海雜波的檢測。這樣可以有效檢測地海雜波信號，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。該測試平臺由天線，天線座以及伺服控制系統3部分組成。

　　1 橢圓波束偏置拋物面天線設計

　　1.1 天線參數設計

　　在該系統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，F是拋物面的焦點，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是饋源對偏置拋物面的半照射角，XOZ平面是偏置拋物面的對稱平面，YOZ平面是其非對稱平面。

　　根據實際地海雜波信號情況，天線使用頻率帶寬為14.93%，饋源對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224mm，若采用波紋喇叭則尺寸和重量過大，因此采用多模喇叭。多模喇叭的雙極化饋電長度為200 mm，多模傳輸段長1 1993 mm，總長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

　　天線在工作過程中，存在有干擾。收、發天線并排緊靠一起，輻射耦合不僅存在于兩天線之間，在設備的機殼，機殼的孔洞，傳輸線及元件之間都可能存在，綜合起來主要有3種不同的干擾途徑：1)收、發天線之間的輻射干擾;2)元件或機殼間的輻射干擾;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。天線之間的近場耦合計算是一個比較復雜的電磁場問題，因此本文只做定性的分析。假設兩天線彼此位于遠場區，即天線間距

，兩個天線的最大口徑為2.5 m，中心頻率波長為0.224 m;通過計算得到天線間距為58 m，在實際工程中，兩個天線之間的距離是不可能達到58 m的，由于天線的旋轉半徑為3 m，兩天線中心距離6 m，即兩天線處于近場區，天線的饋源對另一天線的干擾將起到明顯作用，隔離這項干擾最有效的辦法是在天線周邊加上導電圍邊，當圍邊的高度為波長的5.3倍時，天線遠旁瓣可降低13 dB，兩天線的隔離可達到80 dB左右，圍邊的實際高度為1.2 m。

　　2 天線座設計

　　2.1 天線座結構設計

　　天線座設計采用方位，俯仰型轉臺式結構。由方位座、俯仰箱驅動系統、軸角裝置、限位保護裝置、調平裝置、配重等部分組成，如圖3所示。方位部分由底座、轉盤、轉盤軸承等組成，轉盤式具有較好的剛性和穩定性，轉盤軸承直接帶有蝸輪，保證了方位驅動剛性。底座、轉盤均為鋼板焊接件，為保證-13.5°仰角工作，方位上增加一個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動，其上端與天線聯接，后端放置配重，用于平衡天線重量，在左右支臂上端增加過渡件，即可與其他天線聯接。對于驅動系統目前在工程中廣泛采用絲桿驅動方式，但本系統的天線座設計并未考慮采用，主要原因有2個：1)由于工作環境比較惡劣，對于天線的速度均勻性要求比較高，而絲桿驅動在工作范圍內速度是不均勻的，測試平臺要求天線轉動速度約為6(°)/s，該速度用絲桿方式實現比較困難;2)絲桿轉動效率低，在要求較大風速條件下工作，電機功率比較大。針對實際情況，該驅動系統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面型式，這種型式具有較大的負載能力，行星減速器具有體積少、重量輕、效率高等優點。采用渦輪驅動的方式，電機功率約550 W。

　　軸角傳感器采用旋變、俯仰旋變1：1與俯仰軸聯接，方位通過齒輪聯接，為消除齒隙傳動齒輪采用雙片消隙。天線座中安裝有限位開關和機械限位塊，以保證設備安全，限位開關采用無接觸接近開關，以適應惡劣海邊環境，系統采用蝸輪驅動具有自鎖性，所以朝天鎖定可利用其本身自鎖性能。

　　3 伺服控制系統設計

　　3.1 伺服控制原理

　　地海雜波測試控制平臺由兩副天線，天線座，伺服控制系統組成。兩幅天線采用獨立天線座，左右并排放置，兩幅天線的轉動可以獨立控制。伺服控制原理框圖，如圖4所示。驅動鏈采用一級渦輪渦桿傳動，使其具有自鎖功能，以阻止由于風負載使天線轉動。采用步進電機驅動(配套驅動器)的驅動方式，旋轉變壓器軸角傳感器;12位RDC模塊的軸角編碼;軸角及狀態參數顯示采用液晶顯示，專用控制計算機PC-104及配套卡。計算機采集到軸角數據并送給顯示屏，通過鍵盤實現對天線方位，俯仰的轉動控制。伺服控制系統接收中心計算機的遠程控制信息以及向中心計算機傳送相關的參數信息，并接收限位信息，實現對天線的限位保護。限位保護采用電限位方式，在俯仰上安裝上、下限位開關，在方位上安裝左、右開關，以實現對天線的限位保護。

　　3.2 伺服控制系統實現

　　中心控制芯片采用單片機C8051F020，該單片機具有集成度高，功能多的優點，廣泛應用于控制電路。圖5所示為單片機與PC104的串行接口原理圖，PC104的串行口與電平轉換器接口連接，信號輸入輸出通過電平轉換器片與單片機串口連接。為了提高系統的抗干擾性能，PC 104與單片機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。

　　本系統中的RDC模塊采用AD2S80，可以實現10、12、14、16位4種不同的分辨率，通過SC1和SC2引腳進行選擇。綜合考慮轉換精度和跟蹤速率，本系統中選擇了12位的分辨率。在工作時，旋轉變壓器產生的正弦和余弦信號分別接入對應的正弦輸入和余弦輸入引腳，轉換得到的12位的數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。