袁漢欽 胡松濤

摘? 要：機(jī)載平臺(tái)多方向運(yùn)動(dòng)誤差是影響機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)精度的重要因素之一，在伺服轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)方位向360度大視角情況下，僅依靠伺服轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)天線波束多維穩(wěn)定。為滿(mǎn)足機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)波束穩(wěn)定和目標(biāo)高精度探測(cè)需要，研究提出高精度機(jī)載SAR波束機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)，解決了機(jī)相復(fù)合控制、精度和實(shí)時(shí)性等技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，雷達(dá)波束機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定精度達(dá)到0.15度，驗(yàn)證了方法有效性。

關(guān)鍵詞：高精度;機(jī)相復(fù)合;SAR/MTI雷達(dá)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273;TN927.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）20-0078-04

Application Research of High-precision Airborne SAR Beam Mechanical Phase Combination Stabilization Technology

YUAN Hanqin1，HU Songtao2

（1.Military Representative Office of Naval Equipment Department in Hefei Area，Hefei? 230088，China;

2.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei? 230088，China）

Abstract：The multi-directional motion error of airborne platform is one of the important factors that affect the target detection accuracy of airborne SAR/MTI radar. When the servo turntable achieves azimuth 360 degrees large angle of view，it is difficult to achieve multi-dimensional stability of antenna beam only relying on the mechanical mechanism of servo turntable. In order to meet the needs of airborne SAR/MTI radar beam stability and high-precision target detection，the paper proposes the high-precision airborne SAR beam mechanical phase combination stabilization technology，which solves the technical difficulties of the mechanical phase combination control，precision and real-time performance. After experimental measurements，the stability accuracy of the radar beam mechanical phase combination reached 0.15 degrees，which verified the effectiveness of the method.

Keywords：high-precision;mechanical phase combination;SAR/MTI radar

0? 引? 言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)的功能越來(lái)越全面，雷達(dá)、激光、聲吶等儀器設(shè)備都可裝備到無(wú)人機(jī)上，用于完成特定的任務(wù)。機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，然而機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)在成像過(guò)程中，由于載機(jī)的運(yùn)動(dòng)以及外力矩?cái)_動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致波束抖動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致成像模糊，亦導(dǎo)致無(wú)法迅速、精確的跟蹤目標(biāo)，因此在機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)中經(jīng)常使用穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)來(lái)穩(wěn)定波束指向，跟蹤目標(biāo)。1967年美國(guó)的AH-1G直升機(jī)問(wèn)世，開(kāi)啟了直升機(jī)載雷達(dá)的序幕，此后歐美等軍事強(qiáng)國(guó)又相繼發(fā)展了多款直升機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)[1]。直升機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)機(jī)載SAR雷達(dá)天線波束穩(wěn)定提出了更高的要求。

穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)是機(jī)載SAR的重要組成部分，它對(duì)于隨指令轉(zhuǎn)動(dòng)天線指向，克服載體運(yùn)動(dòng)引起的擾動(dòng)，保證平臺(tái)負(fù)載能夠精確穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)起著重要的作用[2]。穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)可以通過(guò)速度或者位置傳感器自主地測(cè)量出載體的速度和位置姿態(tài)的變化，并且及時(shí)隔離載體的擾動(dòng)，使平臺(tái)相對(duì)慣性空間保持方位不變。它廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)、車(chē)載武器等軍事領(lǐng)域和公安消防、環(huán)境監(jiān)測(cè)等民用工業(yè)領(lǐng)域[3]。國(guó)外穩(wěn)定平臺(tái)的技術(shù)起步較早，在20世紀(jì)80年代，光學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)開(kāi)始應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡和瞄準(zhǔn)器具中，以提高望遠(yuǎn)鏡與瞄準(zhǔn)器具的穩(wěn)定性。并且在法國(guó)的“地平線”（Horizon）直升機(jī)載雷達(dá)、美國(guó)的AN/APS-143雷達(dá)和以色列SeaSpray5000E雷達(dá)等均成熟應(yīng)用了一維穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的研究相對(duì)國(guó)外起步較晚，自20世紀(jì)80年代才開(kāi)始研制瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定技術(shù)，90年代開(kāi)始研制機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)，經(jīng)過(guò)三十多年研究經(jīng)驗(yàn)的積累，取得了一系列的技術(shù)成果。早期的搜索跟蹤穩(wěn)定平臺(tái)機(jī)構(gòu)一般是機(jī)電式兩軸（方位、俯仰）或三軸（方位、俯仰和橫滾）等多框架結(jié)構(gòu)[4，5]，并且已在機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差是多方向的，僅僅靠機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)多維天線波束穩(wěn)定，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理來(lái)說(shuō)，維數(shù)越多設(shè)計(jì)越復(fù)雜。隨著雷達(dá)相控陣技術(shù)的發(fā)展，在雷達(dá)天線波束指向小范圍變化時(shí)，可通過(guò)雷達(dá)波束移相控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。作者單位長(zhǎng)期從事機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)相關(guān)技術(shù)等研究，為了滿(mǎn)足機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)波束穩(wěn)定和高精度目標(biāo)探測(cè)需要，本文提出研究了一種高精度機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)天線波束機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)，解決了多維運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、寬角覆蓋和高精度指向等問(wèn)題。

1? 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1? 嚴(yán)格的重量設(shè)計(jì)限制

機(jī)載裝機(jī)條件對(duì)載荷設(shè)備具有極高的重量要求，為了滿(mǎn)足多維運(yùn)動(dòng)誤差天線波束穩(wěn)定和廣域偵察監(jiān)視需求，僅僅依靠機(jī)械式穩(wěn)定平臺(tái)將會(huì)占據(jù)較大的重量資源，并且復(fù)雜的多維機(jī)械式穩(wěn)定平臺(tái)可靠性較低。

1.2? 系統(tǒng)探測(cè)精度要求高

機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)成像質(zhì)量要求和對(duì)地/海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)精度逐步等性能逐步提升，對(duì)雷達(dá)天線波束穩(wěn)定精度要求呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增加，要求實(shí)現(xiàn)0.01度指向誤差甚至更高。

1.3? 波束穩(wěn)定實(shí)時(shí)性提高

機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)的成像質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)精度亦對(duì)天線波束穩(wěn)定實(shí)時(shí)性具有較高的要求，從載機(jī)位置/姿態(tài)/航向等運(yùn)動(dòng)誤差實(shí)時(shí)測(cè)量到實(shí)現(xiàn)天線波束補(bǔ)償時(shí)延達(dá)到幾百毫秒，并且穩(wěn)定平臺(tái)機(jī)械運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，極大地影響了波束穩(wěn)定的實(shí)時(shí)性。

2? 機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)原理

隨著機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、微電子技術(shù)、精密機(jī)械、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及慣導(dǎo)、陀螺儀等精密慣性敏感元件性能指標(biāo)的快速提高，促進(jìn)了天線波束穩(wěn)定技術(shù)研究的進(jìn)步，使得機(jī)相復(fù)合技術(shù)應(yīng)用成為可能。

機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)原理如圖1所示，由機(jī)相復(fù)合運(yùn)算器、運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量設(shè)備、穩(wěn)定平臺(tái)和二維相控陣天線等要素構(gòu)成。

機(jī)相復(fù)合運(yùn)算器根據(jù)任務(wù)需求和運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定平臺(tái)角度計(jì)算和相控陣天線波束指向角度計(jì)算;運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量設(shè)備由INS/GPS組合慣導(dǎo)等設(shè)備組成，實(shí)時(shí)測(cè)量載機(jī)位置、姿態(tài)和航向等信息;穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)合機(jī)相碼進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)角度基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng);相控陣天線結(jié)合機(jī)相碼進(jìn)行高精度波束角度調(diào)整;天線相掃與穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺(tái)間進(jìn)行復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)，相掃提升機(jī)械掃描的實(shí)時(shí)性和精度，機(jī)械掃描彌補(bǔ)相掃掃描角度有限和掃描增益損失的不足。上位機(jī)傳遞控制指令，控制驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制指令選擇不同的工作模式，根據(jù)載機(jī)姿態(tài)信息和控制指令傳遞過(guò)來(lái)的控制角度進(jìn)行坐標(biāo)正變換轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定平臺(tái)坐標(biāo)系下角度，將位置傳感器采集的穩(wěn)定平臺(tái)當(dāng)前位置信息傳遞給控制驅(qū)動(dòng)器，控制驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令角度與當(dāng)前角度進(jìn)行比較并進(jìn)行控制算法運(yùn)算，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流，將電流值傳遞給電機(jī)，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到控制指令要求的位置。

3? 輕重量、高精度穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)研究

為滿(mǎn)足輕重量、高精度技術(shù)需求，可采用T型臺(tái)面形式及精密機(jī)械軸系支撐的高強(qiáng)度7075鋁合金框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。軸承的主要作用是承受穩(wěn)定平臺(tái)在徑向所受的載荷，同時(shí)又要保證穩(wěn)定平臺(tái)與在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力矩盡可能小[6]。平臺(tái)方位軸下端采用一對(duì)背靠背安裝的精密角接觸球軸承作為主承力軸承，上端裝有深溝球軸承，防止由于軸系過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的晃動(dòng)，平臺(tái)的主軸為核心零部件，其性能的好壞直接影響整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的質(zhì)量和控制精度，因此，主軸材料一般可選用不銹鋼，它具有優(yōu)秀的耐腐蝕性、抗蠕變性，良好的耐氯化物侵蝕性能;主軸材料采用不銹鋼材料可以在保證剛強(qiáng)度的同時(shí)，可以良好的實(shí)現(xiàn)同軸度以保證穩(wěn)定精度。力矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、力矩大和線性度好等優(yōu)點(diǎn)，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在較低的轉(zhuǎn)速下?，F(xiàn)有的航空穩(wěn)定平臺(tái)大部分采用直流有刷力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[7]，由于電刷的存在，有刷力矩電機(jī)存在高空低溫電刷易結(jié)霜、電刷易產(chǎn)生電火花等問(wèn)題，嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命[8]。永磁直流無(wú)刷力矩電機(jī)可靠性高，可維護(hù)性好，其極限溫度工作性能，抗震、抗電磁干擾、抗潮濕鹽霧等性能良好，是該類(lèi)穩(wěn)定平臺(tái)良好的選擇。電機(jī)與旋轉(zhuǎn)變壓器采用分體安裝方式，該結(jié)構(gòu)形式不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且減少了結(jié)構(gòu)誤差帶來(lái)的精度損失，保證指向精度。

4? 機(jī)相復(fù)合控制技術(shù)研究

機(jī)相復(fù)合控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能和性能關(guān)鍵技術(shù)，其控制性能的優(yōu)劣及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的順利運(yùn)行。機(jī)相復(fù)合運(yùn)算器主要包括DSP、R/D模塊、功放模塊和電源模塊等，如圖3所示。功放模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和對(duì)反饋信號(hào)的處理，角度解碼模塊通過(guò)A/D變換將模擬量轉(zhuǎn)換為16位的角度值，DSP主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)之間的通信以及角度解算，閉環(huán)控制。

跟蹤精度和穩(wěn)定精度是評(píng)價(jià)波束指向性能的兩項(xiàng)核心技術(shù)指標(biāo)，控制算法的好壞直接關(guān)系這兩項(xiàng)指標(biāo)能否滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。在工程應(yīng)用方面，穩(wěn)定平臺(tái)當(dāng)前采用的控制方法仍以經(jīng)典控制為主。經(jīng)典控制方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于大多數(shù)伺服性能要求不高的場(chǎng)合能夠獲得滿(mǎn)意的性能[9]。隨著現(xiàn)代需求對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)精度要求越來(lái)越高，經(jīng)典控制算法已無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。在理論研究方面，研究提出了很多先進(jìn)控制策略，但部分算法結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、計(jì)算量很大，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用困難，且實(shí)時(shí)性問(wèn)題難以解決。目前，在經(jīng)典控制算法的基礎(chǔ)上結(jié)合其他算法已是當(dāng)前控制運(yùn)算的主流，最常用的就是傳統(tǒng)比例積分控制算法分段處理并與前饋控制相結(jié)合。在PID控制中，比例增益Kp越大，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間越短，但系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，超調(diào)量越大，積分時(shí)間Ti的值越大，積分作用越弱，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，越不容易超調(diào)[10]。機(jī)相復(fù)合控制算法分階解算機(jī)械和相控碼，并在位置環(huán)采用分段PI控制，將角度誤差根據(jù)范圍分成N段，不同的誤差選擇不同的比例參數(shù)，控制方式簡(jiǎn)單可靠，而在速度環(huán)，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小傳輸延時(shí)和機(jī)械響應(yīng)延時(shí)，通過(guò)采用速度前饋的方式進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的指向精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

高精度機(jī)載SAR波束機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)基于塞斯納208飛機(jī)平臺(tái)開(kāi)展了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，配試目標(biāo)為漁船，如圖4（a）所示，漁船上安裝角反射器和GPS定位設(shè)備，實(shí)時(shí)記錄漁船實(shí)際航跡;機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)形成目標(biāo)檢測(cè)航跡，并將檢測(cè)航跡數(shù)據(jù)與漁船實(shí)際航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4（b）所示。經(jīng)過(guò)分析可見(jiàn)，雷達(dá)波束機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定精度達(dá)到0.15度（RMS），如圖5所示，有效的證明了本論文所提及方法的有效性。

5? 結(jié)? 論

針對(duì)機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差和工作模式需求，本文首先分析了國(guó)內(nèi)外穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)SAR/MTI雷達(dá)波束穩(wěn)定方法進(jìn)行了技術(shù)難點(diǎn)分析，給出了機(jī)相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)原理，并進(jìn)行了輕重量、高精度穩(wěn)定平臺(tái)和機(jī)相復(fù)合控制技術(shù)研究，取得了一定效果，后續(xù)將研究進(jìn)一步提高穩(wěn)定平臺(tái)方位精度。

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作者簡(jiǎn)介：袁漢欽（1983—），男，漢族，安徽合肥人，工程師，碩士，研究方向：信號(hào)處理;胡松濤（1982-），男，漢族，安徽安慶人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：伺服控制。