于昊

摘 要：編碼器是將類似于比特流的信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制、轉(zhuǎn)化為可用于方便通信、傳輸和儲存的信號的設(shè)備。作為二次雷達(dá)的重要組件，編碼器在雷達(dá)的單脈沖定位中主要起到確定角度方位的作用。從研究的背景和目的出發(fā)，介紹了航管二次雷達(dá)編碼器的基本知識、設(shè)計(jì)原理。隨后從設(shè)計(jì)和實(shí)踐角度出發(fā)，給出通用的排故流程，方便提高現(xiàn)場維護(hù)工作的效率，從而達(dá)到保障飛行安全的目的。

關(guān)鍵詞：編碼器；設(shè)計(jì)原理；排故流程

1 航管二次雷達(dá)編碼器的分類

航管二次雷達(dá)主要采用光學(xué)編碼器。此類編碼器從編碼形式上說，分為“增量式編碼器”跟“絕對式編碼器”。增量編碼器在天線旋轉(zhuǎn)鉸鏈運(yùn)行的同事，會輸出與之對應(yīng)的脈沖，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)多圈的累加與測量。編碼器的中軸每旋轉(zhuǎn)一圈，都能夠輸出固定質(zhì)量的脈沖，脈沖的數(shù)量則取決于編碼器的光柵線數(shù)。若設(shè)備對分辨率的要求較高，可利用相位正交的兩路信號進(jìn)行倍頻。絕對式編碼器將特定位置設(shè)定成對應(yīng)的編碼，可以是數(shù)字電路中的二進(jìn)制碼，亦或是8421（BCD）碼。根據(jù)編碼發(fā)生的變化量，可以判定雷達(dá)轉(zhuǎn)動方向，并且識別出天線在此時(shí)所所面向地面的位置，其中絕對零位代碼還包含停電位置記憶功能。CIRIUS系統(tǒng)使用的是數(shù)字化程度更高的“絕對式”編碼器。

在現(xiàn)階段中國大陸民航空管系統(tǒng)所用的常見的航管二次雷達(dá)中，ALENIA雷達(dá)和INDRA雷達(dá)一般采用增量式光電編碼器，而法國THALES廠家生產(chǎn)的二次雷達(dá)，采用的是絕對式光電編碼器。

2 航管二次雷達(dá)編碼器的運(yùn)作原理

2.1 增量式光電編碼器

增量式光電編碼器的運(yùn)作原理是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號就會增加一個(gè)單位增量的位移，但這只是單純的增量，并不能區(qū)分增量出現(xiàn)的位置。因此，這種計(jì)算只能算出相對于特定位置的位移增量，無法直接判定天線主瓣所面向的實(shí)際位置信息。

增量式光電編碼器會輸出兩組正交信號A、B，兩組信號相差90°電度角稱為正交，用這種方法即可判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還會有一個(gè)Z相脈沖作為參考點(diǎn)，該Z相脈沖只在編碼器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)會出現(xiàn)一次。

Z相脈沖對積累量進(jìn)行清零的標(biāo)志。

增量式光電編碼器有以下幾個(gè)組成部分，包括：光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件（光敏元件）和轉(zhuǎn)換電路，如圖1所示。

碼盤上刻有等距的扇形空隙，空隙用來透過光線，相鄰的兩個(gè)空隙的間距代表一個(gè)時(shí)間增量；檢測光柵上刻有兩組透光間隙，分別為A組和B組，正好與碼盤上的空隙相對應(yīng)，這樣可以通過或者是阻隔光源和光敏元件之間的光線。它們的縫隙間距大小和碼盤上的相同，并且A、B兩組透光間隙會錯開1/4 個(gè)刻度，使得光敏元件在進(jìn)行信號輸出時(shí)能夠產(chǎn)生90°相位差的電角度。碼盤與編碼器的軸承同時(shí)旋轉(zhuǎn)，檢測光柵則靜止，光線同時(shí)穿透碼盤和檢測光柵，照射到光敏元件上，光敏元件就可以檢測并輸出兩組類似于正弦波的電信號，且信號之間的相位差為90°，電信號經(jīng)過后期處理，便可以計(jì)算出天線的旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式光電編碼器信號的輸出波形如圖2所示。

增量式光電編碼器具有簡單易實(shí)現(xiàn)、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在現(xiàn)有條件下生產(chǎn)的增量式光電編碼器，平均壽命可達(dá)到幾萬小時(shí)以上，信號傳輸距離較長，更為可靠。它的缺點(diǎn)是無法直接轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動方便，真實(shí)的轉(zhuǎn)動方位也要提前進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

2.2 絕對式光電編碼器

絕對式光電編碼器與增量式的構(gòu)造基本一致，同樣是由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件（光敏元件）和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖3所示。

與增量式光電編碼器的區(qū)別在于，絕對式光電編碼器通過制作不同的透光間隙來表示各類數(shù)碼，這使得編碼器能夠直接輸出數(shù)字化的信號而不需要轉(zhuǎn)換。在它的碼盤上沿徑向劃分為多個(gè)同心碼道，可以看成大小不同的可以透光的扇形，相鄰的兩個(gè)碼道，外側(cè)碼道的扇區(qū)數(shù)是內(nèi)側(cè)碼道的兩倍，也可以將整個(gè)碼盤比作二進(jìn)制數(shù)，有多少個(gè)碼道該二進(jìn)制數(shù)就有多少位。碼盤在轉(zhuǎn)動的同時(shí)，光敏元件由于受到光柵遮擋就會轉(zhuǎn)換出與之對應(yīng)的電平，并且最后直接以二進(jìn)制數(shù)的形式輸出。

這種編碼器的優(yōu)點(diǎn)在于不需要計(jì)數(shù)，碼盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)位置都對應(yīng)有唯一的二進(jìn)制數(shù)。很容易看出，此類碼盤的分辨率與它對應(yīng)的碼道數(shù)量呈正相關(guān)。

絕對式光電編碼器使用常見的數(shù)字電路轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如格雷碼、8421碼等。

它與增量式光電編碼器的區(qū)別是碼盤的樣式不同，絕對光電編碼器的碼盤看似很不規(guī)則，但實(shí)際上都能與特定的二進(jìn)制數(shù)一一對應(yīng)。所以它能夠做到?jīng)]有誤差的累積；并且在斷電時(shí)也不會丟失之前的位置信息。

絕對式光電編碼器的碼盤具有特殊性，根據(jù)編碼形式的不同，所用的碼盤也大相徑庭。

圖4中所示的是四位二進(jìn)制碼盤，a為8421二進(jìn)制碼盤，b為格雷碼盤。圖中黑色表示光線不能穿透，白色表示光線可以穿透。

圖 4（a）是一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤，它靠內(nèi)側(cè)的第一圈稱為第一碼道，透光面積與不透光面積各占50%，與最高位C1相對應(yīng)，最外圈則是第4 碼道，共分成16 個(gè)小窗，與最低位C4相對應(yīng)。

該碼盤的最小分辨率計(jì)算如下：

θ1=360°/24（1）

由上述原理可知：在相鄰的碼道內(nèi)，總會存在外圈碼道有一半分界線與內(nèi)圈碼道對齊，因此會由于刻度的不精確產(chǎn)生誤差。如圖5所示，當(dāng)C1碼道出現(xiàn)下圖的誤差后，會直接導(dǎo)致輸出編碼從0111變?yōu)?000，但是0000是錯誤碼，并不能被使用。

圖4（b）同樣是一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤，但與（a）不同的是（b）是循環(huán)碼盤，其每個(gè)碼道之間的黑白分界線是錯開的，所以當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)至編碼發(fā)生改變的位置時(shí)，有且只有一位編碼會發(fā)生變化。這在一定程度上抑制了由于刻度不精確導(dǎo)致的粗誤差的產(chǎn)生。也正以為如此，在生產(chǎn)和工業(yè)制造時(shí)，這種循環(huán)碼盤運(yùn)用的更為廣泛。

3 結(jié)論

本文對編碼器原理和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了介紹，理解設(shè)計(jì)原理有助于在突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)快速找到故障點(diǎn)。編碼器一般因受雷擊或雨水腐蝕而出現(xiàn)故障，且對某些型號的航管二次雷達(dá)而言屬于公共部分，其損壞易造成雷達(dá)設(shè)備無法正常運(yùn)行，因此在日常維護(hù)時(shí)要重點(diǎn)對旋轉(zhuǎn)鉸鏈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看。

同時(shí)，對故障設(shè)備的維修一定要對故障現(xiàn)場進(jìn)行分析，盡可能地把器件運(yùn)行的路線分析一下，這對后續(xù)的維修思路是很有幫助的，以便于提高排故效率。

參考文獻(xiàn)

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