劉四方**,梁　盛,李　培,劉向前

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇 江陰 214431)

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基于光電測(cè)量的船載測(cè)控天線副反射面位置檢測(cè)*

劉四方**,梁盛,李培,劉向前

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇 江陰 214431)

為消除饋源偏焦對(duì)天線跟蹤性能的影響，首先，介紹了格里高利天線的結(jié)構(gòu)及原理，分析了饋源偏焦對(duì)天線性能的影響；其次，采用光電測(cè)量原理，提出了基于光學(xué)檢測(cè)的副反射面和饋源相對(duì)位置變化檢測(cè)方法，通過(guò)比對(duì)測(cè)量電壓值與標(biāo)稱電壓值，從而為判斷饋源是否偏焦提供依據(jù)，為設(shè)備問(wèn)題的分析判斷及故障的排查提供保障；最后，進(jìn)行了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明該方法是有效的。

船載測(cè)控系統(tǒng)；測(cè)控天線；副反射面位置檢測(cè)；饋源偏焦

1　引　言

測(cè)控天線是船載測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，在目標(biāo)航天器的發(fā)現(xiàn)、捕獲、跟蹤過(guò)程中處于首要位置，由主反射面、副反射面和饋源3個(gè)主要部分組成，其中副反射面支撐結(jié)構(gòu)為四支柱式，即由4根支撐桿組成，支撐桿的一端固定于主反射面，另一端用于固定副反射面，使副反射面處于懸空的狀態(tài)，受到船體振動(dòng)影響較為厲害，導(dǎo)致其與饋源的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而造成饋源的相位中心發(fā)生偏移，即產(chǎn)生饋源偏焦。偏焦問(wèn)題是雙反射面天線必須面對(duì)和解決的問(wèn)題，諸多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行過(guò)研究，如：文獻(xiàn)[1]中提出尋找新的吻合面和偏轉(zhuǎn)副反射面的兩種解決偏焦問(wèn)題的方法；文獻(xiàn)[2-3]則通過(guò)公式推導(dǎo)了各種情況下允許的饋源最大偏焦距離。與文獻(xiàn)[1-3]不同，本文通過(guò)光電測(cè)量方法，利用與標(biāo)稱電壓值進(jìn)行比對(duì)判斷饋源偏焦，實(shí)現(xiàn)容易、便捷。同時(shí)，將結(jié)合文獻(xiàn)[2-3]中方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2　格里高利天線的結(jié)構(gòu)及原理

2.1天線的結(jié)構(gòu)形式

目前我國(guó)船載測(cè)控系統(tǒng)的無(wú)線電天線[4-5]由主反射面、副反射面和饋源3個(gè)主要部分組成，主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面(卡塞格倫型)或旋轉(zhuǎn)凹形橢球面(格里高利型)，饋源為單孔多模饋源。

本文以某系統(tǒng)的格里高利型天線為例進(jìn)行闡述，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1格里高利天線組成

Fig.1 Composition diagram of Gregory antenna

如圖1所示，格里高利天線由主反射面、副反射面和饋源組成。

(1)主反射面：旋轉(zhuǎn)拋物面；

(2)副反射面：旋轉(zhuǎn)凹形橢球面，O1、O2為焦點(diǎn)；

(3)饋源：喇叭(波紋喇叭)，喇叭的相位中心與實(shí)焦點(diǎn)O2重合，O1為旋轉(zhuǎn)凹形橢球面的虛焦點(diǎn)與主反射面的焦點(diǎn)重合。

2.2天線工作原理

根據(jù)橢球面的特性可知：

(1)從位于實(shí)焦點(diǎn)O2處的饋源產(chǎn)生的對(duì)橢球面(副反射面)的入射波，經(jīng)過(guò)橢球面反射后均通過(guò)橢球的一個(gè)虛焦點(diǎn)O1；

(2)從橢球面上任一點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)O2與O1的距離為常數(shù)，即

O2M+MO1=O2K+KO1=n1，

(1)再根據(jù)拋物面特性——拋物面上任一點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離與它到準(zhǔn)線的距離相等，O1是拋物面的焦點(diǎn)，則有

O1M′+M′M″=O1K′+K′K″=n2。

(2)

將式(1)和式(2)相加，得

(3)

式中：n1、n2為常數(shù)。

即從位于焦點(diǎn)O2的饋源發(fā)出的球面波經(jīng)橢球面、主面二次反射后，在拋物面口徑K″M″處形成同相相場(chǎng)，使球面波變?yōu)槠矫娌ǎM(jìn)而在天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)形成“尖銳”波形。為了保證饋源輻射的球面波變?yōu)槠矫娌ǎ枋垢狈瓷涿?旋轉(zhuǎn)凹形橢球面)的1個(gè)實(shí)焦點(diǎn)與饋源的相位中心重合、1個(gè)實(shí)焦點(diǎn)與天線的虛焦點(diǎn)重合。

由此可知，天線正常使用時(shí)，饋源相位中心(天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)球面波的中心)必須與橢球面的實(shí)焦點(diǎn)重合，否則即為饋源偏焦。

3　饋源偏焦對(duì)天線性能的影響

3.1饋源偏焦[6-7]

饋源偏焦主要是饋源和副反射面(橢球面)的位置改變所致，這種變化可以由饋源、副反射面或二者位置均改變引起。從安裝結(jié)構(gòu)上看，饋源位置發(fā)生變化引起偏焦的概率遠(yuǎn)低于副反射面位置發(fā)生變化引起的概率。副反射面位置變化包括副反射面傾斜變化、副反射面沿軸線O1O2變化等情況，而且實(shí)際中情況更加復(fù)雜，一般表現(xiàn)為相位中心沿軸線O1O2在焦點(diǎn)O2前后偏移，即縱向偏焦；相位中心沿軸線O1O2的垂直方向偏移，即橫向偏焦。

3.2饋源偏焦的影響

根據(jù)入射角等于反射角的幾何光學(xué)原理，偏焦后反射波已經(jīng)不再平行于O1O2軸而遠(yuǎn)離或傾向O1O2軸，因此波前不再是平面，也就是說(shuō)此時(shí)拋物面天線已得不到同相的平面口徑場(chǎng)。

3.2.1縱向偏焦

縱向偏焦后，各射線經(jīng)反射到達(dá)拋物面口徑上的路程不一致，導(dǎo)致口徑面上相位呈平方律誤差分布，這將導(dǎo)致天線方向圖波束展寬，旁瓣增大，增益降低，但最大輻射方向仍在軸上。旁瓣增大導(dǎo)致多徑效應(yīng)的干擾增加，增益降低將使天線的作用距離減小。在此，僅以相位中心遠(yuǎn)離拋物面?zhèn)葹槔f(shuō)明。如圖2所示，O1、O2為焦點(diǎn)，O3為饋源相位中心。

圖2縱向偏焦示意圖

Fig.2 Schematic diagram of parallel defocusing

3.2.2橫向偏焦

橫向偏焦后，會(huì)在拋物面口徑面上產(chǎn)生立方律相位誤差，這將使天線方向圖發(fā)生偏轉(zhuǎn)，波束偏移方向與相位中心偏離焦點(diǎn)方向相反，靠近饋源一側(cè)的旁瓣電平增加很快，增益顯著下降。如圖3所示，O1、O2為焦點(diǎn)，O3為饋源相位中心。

圖3橫向偏焦示意圖

Fig.3 Schematic diagram of transverse defocusing

由此可見(jiàn)，無(wú)論是橫向偏焦，還是縱向偏焦，均將破壞天線的方向性，引起天線跟蹤性能的變化。

4　基于光電測(cè)量[8]的副反射面位置檢測(cè)方法

4.1副反射面位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)

該方法所采用的結(jié)構(gòu)分為“光發(fā)射器”與“光接收器”(包括放大和濾波)、數(shù)據(jù)傳輸及處理等部分，主要包括光發(fā)射器、光接收器、交換機(jī)、監(jiān)控終端及服務(wù)器，其結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝位置示意圖

Fig.4 Schematic diagram of detect structure and installation site

圖4中，3個(gè)光發(fā)射器分別安裝在主反射面(饋源底部)之間夾角為120°的不同位置，即圖4中D、E、F位置，3個(gè)光電轉(zhuǎn)換器(接收器)安裝在副反射面與發(fā)射器相對(duì)應(yīng)的位置，即圖4中A、B、C位置，并通過(guò)線纜連接至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，最后與監(jiān)控終端及數(shù)據(jù)庫(kù)連接。

圖4中，△DEF為饋源底部(位于主反射面上)的等邊三角形，△ABC為副反射面任意平面內(nèi)的三角形。將3個(gè)光發(fā)射器分別放置于△DEF的3個(gè)頂點(diǎn)處，同樣將光電轉(zhuǎn)換器(接收器)放置于△ABC的3個(gè)頂點(diǎn)處，其中△ABC的3個(gè)頂點(diǎn)A、B、C分別對(duì)應(yīng)△DEF的3個(gè)頂點(diǎn)D、E、F，且直線AD、BE、CF互不平行，并不被饋源遮擋。

4.2副反射面位置檢測(cè)方法

副反射面位置變化可分為垂直于饋源口方向(縱向偏焦)和平行于饋源口方向(橫向偏焦)兩種形式，本文以副反射面位置發(fā)生水平方向(橫向偏焦)的傾斜為例進(jìn)行闡述。

圖5為副反射面位置傾斜導(dǎo)致偏焦的示意圖。

圖5副反射面位置傾斜導(dǎo)致偏焦示意圖

Fig.5 Schematic diagram of defocusing by sub-reflector shifting

圖5中，實(shí)線為正常情況下幾何關(guān)系圖，虛線為副反射面位置發(fā)生改變后的幾何關(guān)系圖。下面分別從發(fā)射、接收兩方面闡述副反射面位置改變的影響。

(1)發(fā)射

正常情況下，O2K經(jīng)副反射面反射為KK′，經(jīng)過(guò)主反射面后變?yōu)镵′K″，而副反射面偏移θ角后，O2K變?yōu)镺2H經(jīng)副反射面反射為HN′，經(jīng)過(guò)主反射面后變?yōu)镹′H′。

(2)接收

正常情況下，M″M′經(jīng)主反射面反射為M′M，經(jīng)過(guò)副反射面后變?yōu)镸O2，而副反射面偏移θ角后，M″M′經(jīng)主反射面反射為M′N(xiāo)″，M′N(xiāo)″經(jīng)副反射面反射為N″H，而在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中為N″O2，偏移了β角。

圖5中，D、E、F為光發(fā)射器的位置，在副反射面未傾斜時(shí)，其發(fā)射出的光在副反射面的落點(diǎn)A、B、C，即光電轉(zhuǎn)換器的位置，此時(shí)在接收終端經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將接收光量的多少轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?。在測(cè)量船標(biāo)校過(guò)程中，獲得滿足指標(biāo)要求的天線方向圖時(shí)，測(cè)得的此電壓值作為標(biāo)稱值，并以此數(shù)值作為天線副反射面位置發(fā)生偏移的判斷基準(zhǔn)電壓值，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。在航渡過(guò)程中、抵達(dá)海域后或發(fā)生疑似副反射面位置變化引起的設(shè)備故障時(shí)，利用該方法將測(cè)量的電壓值與基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比對(duì)，若副反射面位置發(fā)生變化，那么接收端收到的光量會(huì)有所降低，則A、B、C3個(gè)點(diǎn)(或某個(gè)點(diǎn))的電壓值將會(huì)減小(在此排除光學(xué)檢測(cè)裝置自身可能出現(xiàn)問(wèn)題的情況)，即可判斷此時(shí)副反射面位置和標(biāo)校時(shí)的位置相比發(fā)生了改變，為其位置的檢測(cè)提供參考，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控?zé)o線電天線副反射面與饋源相對(duì)位置的檢測(cè)。設(shè)備硬件安裝如圖6所示。

圖6副反射面位置檢測(cè)硬件安裝示意圖

Fig.6 Schematic diagram of sub-reflector position detect hardware installation

由圖6可以看出，不需要對(duì)天線方位、俯仰部分的硬件改動(dòng)，只需利用冗余的滑環(huán)信號(hào)線，將信號(hào)傳輸至監(jiān)控機(jī)房的終端計(jì)算機(jī)即可。另外，需要在饋源底部和副反射面的對(duì)應(yīng)位置開(kāi)設(shè)3個(gè)光孔，尤其是副反射面上的光接收器安裝位置，對(duì)于天線的電性能影響需要進(jìn)一步研究。

5　驗(yàn)證測(cè)試

為驗(yàn)證光學(xué)檢測(cè)方法的可行性，搭建了簡(jiǎn)單的測(cè)試平臺(tái)，如圖7所示，主要包括光源(激光筆)、接收器(光電轉(zhuǎn)換器)等。

圖7驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)示意圖

Fig.7 Schematic diagram of test platform

具體方法如下：

第一，將光源和接收器放置在間距約2.5 m的位置上；

第二，將光源對(duì)準(zhǔn)接收器并固定，同時(shí)在光源一側(cè)任意尋找另外適當(dāng)位置，從不同角度照射接收器(為方便起見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)中以光源與接收器對(duì)準(zhǔn)的位置為中心、距離相等(距中心約15 cm)的左右兩側(cè)放置光源)；

第三，將光源放置在上述3個(gè)位置，觀察并記錄經(jīng)接收器解調(diào)的電壓數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。圖7中，位置Ⅰ為光源對(duì)準(zhǔn)接收器時(shí)，即O點(diǎn)；位置Ⅱ?yàn)槲恢芒褡髠?cè)，即A點(diǎn)；位置Ⅲ為位置Ⅰ右側(cè)，即B點(diǎn)。

表1測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

Tab.1 Data of test verification

光源位置電壓值/V備注Ⅰ5.05O點(diǎn)Ⅱ3.82A點(diǎn)Ⅲ3.81B點(diǎn)

通過(guò)表1可以看出，從不同角度照射接收器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到不同的電壓值，雖然測(cè)試平臺(tái)所得的數(shù)據(jù)尚不能判斷偏焦的性質(zhì)，即不能確定是橫向偏焦還是縱向偏焦，但是通過(guò)測(cè)試分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法是可以有效判斷饋源偏焦的，在不影響天線性能的條件下是可以使用的。在后續(xù)設(shè)備改造的過(guò)程中，將該方法付諸實(shí)踐，更好地服務(wù)于測(cè)控事業(yè)。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)光電測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了對(duì)副反射面位置判斷的系統(tǒng)，利用該方法可以判斷副反射面位置是否發(fā)生改變，并通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法拓展了天線副反射面位置變化的判斷思路，為后續(xù)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。但是，該方法仍存在以下不足：一是發(fā)生縱向偏焦時(shí)，該方法比較難判斷，但可以通過(guò)加裝測(cè)距裝置實(shí)現(xiàn)；二是該方法需要在天線副反射面開(kāi)3個(gè)通光孔，孔徑的大小對(duì)天線電性能造成的影響尚不明確；三是該檢測(cè)裝置及方法雖初具雛形，但對(duì)于發(fā)射器、光電接收器的性能受海上鹽霧影響仍需進(jìn)一步探討研究。此三方面將作為后續(xù)主要內(nèi)容進(jìn)行研究。

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劉四方(1978—)，男，河北承德人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控總體工作；

LIU Sifang was born in Chengde,Hebei Province,in 1978.He received the M.S.degree in 2006. He is now an engineer. His research concerns aerospace TT&C system.

Email:liumaster2006@163.com

梁盛(1985—)，男，江蘇揚(yáng)州人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控總體工作；

LIANG Sheng was born in Yangzhou,Jiangsu Province,in 1985.He received the M.S. degree in 2011. He is now an engineer. His research concerns aerospace TT&C system.

李培(1976—)，男，江蘇洪澤人，2009年獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控天伺饋總體工作；

LI Pei was born in Hongze,Jiangsu Province,in 1976.He received the M.S. degree in 2011. He is now an engineer. His research concerns servo system of aerospace TT&C.

劉向前(1978—)，男，河北保定人，2010年獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控總體工作。

LIU Xiangqian was born in Baoding,Hebei Province,in 1978.He received the M.S. degree in 2010. He is now an engineer. His research concerns aerospace TT&C system.

Shipborne TT&C Antenna Sub-reflector Position Detection Based on Photoelectric Measurement

LIU Sifang,LIANG Sheng,LI Pei,LIU Xiangqian

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

In order to eliminate the influence of feed defocusing on antenna tracking performance,this paper first introduces the structure and principle of the Gregorian antenna and analyzes the influence of feed defocusing on antenna performance. Second,it proposes a new method for detecting the relative position change between sub-reflector and feed based on the principle of photoelectric measurement.Through comparing the measured voltage value with the norminal voltage value,this method provides the basis for judging whether the feed is defocusing or not,so as to support the analysis of equipment problems and investigation of failure. Finally,a semi-physical simulation experiment is carried out,and the results show that the method is effective.

shipborne TT&C system;TT&C antenna;sub-reflector position detect；feed defocusing

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.017

2015-12-01；

2016-05-17Received date:2015-12-01；Revised date：2016-05-17

liumaster2006@163.comCorresponding author：liumaster2006@163.com

TN828.4

A

1001-893X(2016)09-1044-05

引用格式：劉四方,梁盛,李培,等.基于光電測(cè)量的船載測(cè)控天線副反射面位置檢測(cè)[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):1044-1048.[LIU Sifang,LIANG Sheng,LI Pei,et al.Shipborne TT&C antenna sub-reflector position detection based on photoelectric measurement[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1044-1048.]