機(jī)載氣象雷達(dá)天線控制系統(tǒng)

方智覓

（杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)有限公司，浙江 杭州 311207）

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)飛機(jī)的要求也越來(lái)越高，這促進(jìn)了雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展。機(jī)載氣象雷達(dá)是雷達(dá)的一種，民用機(jī)載氣象雷達(dá)的應(yīng)用與發(fā)展則為飛行的安全性提供了可靠的保障。目前，具有風(fēng)切變預(yù)警功能的機(jī)載氣象雷達(dá)在民航飛機(jī)上的重要作用不可低估，已成為民航飛機(jī)必不可或缺的重要電子設(shè)備。機(jī)載氣象雷達(dá)除了可以探測(cè)航路上的危險(xiǎn)氣象區(qū)域外，還可以用于觀察地形并實(shí)現(xiàn)其他一些功能?，F(xiàn)代機(jī)載氣象雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾個(gè)方面：

（1）探測(cè)航路前方扇形區(qū)域中的降雨區(qū)、冰雹區(qū)等氣象區(qū)域；

（2）探測(cè)夾帶著雨粒的湍流區(qū)域；

（3）觀察飛機(jī)前下方的地形；

（4）發(fā)現(xiàn)航路上的山峰等障礙物；

（5）顯示由其他系統(tǒng)輸入的文字或圖形信息；

（6）用作雷達(dá)導(dǎo)航信標(biāo)。

氣象雷達(dá)天線是一種方向性很強(qiáng)的X波段微波天線。氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)通過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的輻射與回波信號(hào)的接收。在發(fā)射脈沖持續(xù)期內(nèi)，氣象雷達(dá)天線將發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的射頻脈沖信號(hào)會(huì)聚成能量高度集中的雷達(dá)波束輻射到空中，在脈沖間隙期內(nèi)（接收期內(nèi)），目標(biāo)所形成的反射回波由天線接收，輸送給雷達(dá)接收機(jī)。

為了探測(cè)飛機(jī)前方廣闊的扇形區(qū)域中的氣象目標(biāo)或觀測(cè)飛機(jī)前方廣闊的扇形區(qū)域中的氣象目標(biāo)或觀測(cè)飛機(jī)前下方的地形，天線在輻射和接收雷達(dá)信號(hào)的同時(shí)，進(jìn)行著往返的方位掃掠運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，天線還必須根據(jù)飛機(jī)俯仰姿態(tài)和傾斜姿態(tài)的實(shí)時(shí)變化，自動(dòng)地進(jìn)行相對(duì)于飛機(jī)機(jī)身平面的俯仰修正運(yùn)動(dòng)，以保持天線掃掠平面的穩(wěn)定。此外，還可在一定范圍內(nèi)對(duì)天線進(jìn)行俯仰調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)的控制，天線組中除了用以輻射雷達(dá)信號(hào)的天線（輻射器）本身外，還包括各種用以驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)、放大器及控制器件，因而使天線組變得甚為復(fù)雜。

氣象雷達(dá)的天線組成可以分為天線（輻射器）與天線基座兩大部分，它們是由各種微波器件、低頻部件、機(jī)電器件及支架等組成的?，F(xiàn)代氣象雷達(dá)天線通常都是視線穩(wěn)定系統(tǒng)。這樣的天線可以進(jìn)行圍繞方位軸的方位掃掠和圍繞俯仰軸的俯仰穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。設(shè)飛機(jī)的橫軸為X軸、縱軸為Y軸、垂軸為Z軸，則天線安裝基準(zhǔn)面是嚴(yán)格地平行于飛機(jī)的X-Z平面、垂直于飛機(jī)縱軸Y的。天線基座的端面與安裝孔等是精密加工的，因此，只要按規(guī)定正確地安裝天線就可以保證天線基座端面與飛機(jī)X-Z平面的相互平行。這樣，天線輻射器的掃掠與俯仰運(yùn)動(dòng)，都可以看成是相對(duì)于飛機(jī)三軸坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。輻射器的方位掃掠是圍繞方位軸（垂軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)。在正常情況下，方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)輻射器往復(fù)掃掠的。波束軸OM與縱軸Y之間的夾角，就是天線的方位角j。當(dāng)天線法線指向飛機(jī)正前方時(shí)，波束軸與飛機(jī)縱軸相重合，這就是方位0°方向。設(shè)飛機(jī)平飛時(shí)，其機(jī)身平面與飛機(jī)所處的飛行高度層平面相重合。這樣，當(dāng)雷達(dá)工作于氣象方式時(shí)，在天線方位掃掠過(guò)程中，波束依次地照射X-Y平面內(nèi)+80°～-80°扇區(qū)中各個(gè)方位的目標(biāo)，從而使雷達(dá)獲得飛行高度層平面中前方扇區(qū)內(nèi)氣象目標(biāo)的完整信息，形成X-Y平面的位置分布圖形。如果將天線下俯，使波束軸指向地面，則可獲得飛機(jī)前下方大地表面的地形特征圖像，這就是雷達(dá)工作于地圖方式的情況。

天線的方位掃掠速率指每分鐘天線掃掠的次數(shù)。機(jī)載氣象雷達(dá)的方位掃掠速率為每分鐘14～18次。常用的方位掃掠速率為每分鐘15次。如果掃掠范圍為160°，則天線的掃掠速度為每秒40°。這樣，天線從80°掃掠至-80°所需的時(shí)間為4秒鐘。

現(xiàn)代氣象雷達(dá)的天線方位掃掠速率是恒定的。但在選擇扇區(qū)掃掠時(shí)，天線的掃掠范圍減少一半，其掃掠速率隨之增加一倍。一般情況下，當(dāng)飛機(jī)沿航路水平飛行時(shí)，飛行員所關(guān)心的是前方航路上的氣象狀況。設(shè)此時(shí)飛機(jī)的俯仰角是0°（機(jī)身平面X-Y與水平面的夾角為0°），則在天線往復(fù)掃掠的過(guò)程中，天線波束軸OM應(yīng)始終保持在飛行高度層平面中，以探測(cè)該平面中的目標(biāo)信息。然而，當(dāng)飛機(jī)的俯仰角不等于0°時(shí)，天線波束軸的掃掠平面也不再能保持與水平面平行。例如，當(dāng)飛機(jī)上仰時(shí)，若天線的俯仰姿態(tài)不作修正，則在方位0°時(shí)，天線波束軸OM與水平面的夾角b等于飛機(jī)的俯仰角j。可見在這種情況下，雷達(dá)所探測(cè)的并不是水平航路上的氣象信息，即雷達(dá)顯示器上的圖像已不再是飛行高度層扇形區(qū)域中的平面分布圖形了，有時(shí)，飛行員需要了解前方雨區(qū)的縱高或俯仰面中的目標(biāo)信息。調(diào)節(jié)雷達(dá)控制盒（或顯示器）上的天線俯仰旋鈕（TILT），即可按需要使天線波束軸的掃掠平面與水平面成一定交角。此時(shí)，雷達(dá)顯示器上所顯示的也不再是水平航路上的目標(biāo)分布圖形，而是由俯仰旋鈕所置定的俯仰面中的目標(biāo)剖面圖像。

飛機(jī)傾斜時(shí)天線俯仰修正的速率范圍及誤差與飛機(jī)俯仰時(shí)相同。在實(shí)際飛行中，飛機(jī)的姿態(tài)往往既有俯仰又可能傾斜。在這種情況下，天線所進(jìn)行的是綜合的俯仰修正運(yùn)動(dòng)，以始終把天線波束軸的掃掠平面穩(wěn)定在飛機(jī)高度層平面中。調(diào)節(jié)天線俯仰旋鈕時(shí)，在顯示器上可以同步地顯示出天線的人工俯仰角和方向。有的雷達(dá)用“1.00”表示上仰1°（下俯時(shí)為-）。有的雷達(dá)用+，-表示上仰和下俯。

天線俯仰調(diào)節(jié)的范圍為±15°。

天線控制系統(tǒng)在機(jī)載氣象雷達(dá)天線控制系統(tǒng)的研制過(guò)程中有著重要的作用。對(duì)系統(tǒng)的反復(fù)分析，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是制定系統(tǒng)控制策略的前提和依據(jù)，更有利于我們更好地了解這個(gè)系統(tǒng)。

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