航管二次雷達(dá)編碼器原理研究

于昊

摘 要：編碼器是將類似于比特流的信號(hào)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(chǔ)存的信號(hào)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(shí)、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(chǎng)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(shuō)，分為“增量式編碼器”跟“絕對(duì)式編碼器”。增量編碼器在天線旋轉(zhuǎn)鉸鏈運(yùn)行的同事，會(huì)輸出與之對(duì)應(yīng)的脈沖，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)多圈的累加與測(cè)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(duì)分辨率的要求較高，可利用相位正交的兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻。絕對(duì)式編碼器將特定位置設(shè)定成對(duì)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(dòng)方向，并且識(shí)別出天線在此時(shí)所所面向地面的位置，其中絕對(duì)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(duì)式”編碼器。

在現(xiàn)階段中國(guó)大陸民航空管系統(tǒng)所用的常見(jiàn)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(guó)THALES廠家生產(chǎn)的二次雷達(dá)，采用的是絕對(duì)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(hào)就會(huì)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(duì)于特定位置的位移增量，無(wú)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(huì)輸出兩組正交信號(hào)A、B，兩組信號(hào)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(huì)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(huì)出現(xiàn)一次。

Z相脈沖對(duì)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(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件（光敏元件）和轉(zhuǎn)換電路，如圖1所示。

碼盤(pán)上刻有等距的扇形空隙，空隙用來(lái)透過(guò)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(cè)光柵上刻有兩組透光間隙，分別為A組和B組，正好與碼盤(pán)上的空隙相對(duì)應(yīng)，這樣可以通過(guò)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(pán)上的相同，并且A、B兩組透光間隙會(huì)錯(cuò)開(kāi)1/4 個(gè)刻度，使得光敏元件在進(jìn)行信號(hào)輸出時(shí)能夠產(chǎn)生90°相位差的電角度。碼盤(pán)與編碼器的軸承同時(shí)旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)光柵則靜止，光線同時(shí)穿透碼盤(pán)和檢測(cè)光柵，照射到光敏元件上，光敏元件就可以檢測(cè)并輸出兩組類似于正弦波的電信號(hào)，且信號(hào)之間的相位差為90°，電信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)的輸出波形如圖2所示。

增量式光電編碼器具有簡(jiǎn)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(wàn)小時(shí)以上，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，更為可靠。它的缺點(diǎn)是無(wú)法直接轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方便，真實(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方位也要提前進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

2.2 絕對(duì)式光電編碼器

絕對(duì)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(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)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(duì)式光電編碼器通過(guò)制作不同的透光間隙來(lái)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(hào)而不需要轉(zhuǎn)換。在它的碼盤(pán)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(pán)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(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，光敏元件由于受到光柵遮擋就會(huì)轉(zhuǎn)換出與之對(duì)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(pán)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)位置都對(duì)應(yīng)有唯一的二進(jìn)制數(shù)。很容易看出，此類碼盤(pán)的分辨率與它對(duì)應(yīng)的碼道數(shù)量呈正相關(guān)。

絕對(duì)式光電編碼器使用常見(jiàn)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(pán)的樣式不同，絕對(duì)光電編碼器的碼盤(pán)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(duì)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(huì)丟失之前的位置信息。

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

圖4中所示的是四位二進(jìn)制碼盤(pán)，a為8421二進(jìn)制碼盤(pán)，b為格雷碼盤(pán)。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(pán)，它靠?jī)?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(duì)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(duì)應(yīng)。

該碼盤(pán)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(huì)存在外圈碼道有一半分界線與內(nèi)圈碼道對(duì)齊，因此會(huì)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(huì)直接導(dǎo)致輸出編碼從0111變?yōu)?000，但是0000是錯(cuò)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(pán)，但與（a）不同的是（b）是循環(huán)碼盤(pán)，其每個(gè)碼道之間的黑白分界線是錯(cuò)開(kāi)的，所以當(dāng)碼盤(pán)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(huì)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(pán)運(yùn)用的更為廣泛。

3 結(jié)論

本文對(duì)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(duì)某些型號(hào)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(wú)法正常運(yùn)行，因此在日常維護(hù)時(shí)要重點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)鉸鏈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看。

同時(shí)，對(duì)故障設(shè)備的維修一定要對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，盡可能地把器件運(yùn)行的路線分析一下，這對(duì)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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