高精度機載SAR波束機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用研究

袁漢欽 胡松濤

摘? 要：機載平臺多方向運動誤差是影響機載SAR/MTI雷達目標探測精度的重要因素之一，在伺服轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)方位向360度大視角情況下，僅依靠伺服轉(zhuǎn)臺機械機構(gòu)難以實現(xiàn)天線波束多維穩(wěn)定。為滿足機載SAR/MTI雷達波束穩(wěn)定和目標高精度探測需要，研究提出高精度機載SAR波束機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)，解決了機相復(fù)合控制、精度和實時性等技術(shù)難點，經(jīng)過試驗實測，雷達波束機相復(fù)合穩(wěn)定精度達到0.15度，驗證了方法有效性。

關(guān)鍵詞：高精度;機相復(fù)合;SAR/MTI雷達

中圖分類號：TP273;TN927.2? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著無人機技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機的功能越來越全面，雷達、激光、聲吶等儀器設(shè)備都可裝備到無人機上，用于完成特定的任務(wù)。機載SAR/MTI雷達已被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，然而機載SAR/MTI雷達在成像過程中，由于載機的運動以及外力矩擾動等，會導(dǎo)致波束抖動，進而導(dǎo)致成像模糊，亦導(dǎo)致無法迅速、精確的跟蹤目標，因此在機載SAR/MTI雷達中經(jīng)常使用穩(wěn)定平臺技術(shù)來穩(wěn)定波束指向，跟蹤目標。1967年美國的AH-1G直升機問世，開啟了直升機載雷達的序幕，此后歐美等軍事強國又相繼發(fā)展了多款直升機載雷達系統(tǒng)[1]。直升機平臺運動特性對機載SAR雷達天線波束穩(wěn)定提出了更高的要求。

穩(wěn)定平臺系統(tǒng)是機載SAR的重要組成部分，它對于隨指令轉(zhuǎn)動天線指向，克服載體運動引起的擾動，保證平臺負載能夠精確穩(wěn)定地跟蹤目標起著重要的作用[2]。穩(wěn)定平臺系統(tǒng)可以通過速度或者位置傳感器自主地測量出載體的速度和位置姿態(tài)的變化，并且及時隔離載體的擾動，使平臺相對慣性空間保持方位不變。它廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)、車載武器等軍事領(lǐng)域和公安消防、環(huán)境監(jiān)測等民用工業(yè)領(lǐng)域[3]。國外穩(wěn)定平臺的技術(shù)起步較早，在20世紀80年代，光學(xué)穩(wěn)定平臺開始應(yīng)用于望遠鏡和瞄準器具中，以提高望遠鏡與瞄準器具的穩(wěn)定性。并且在法國的“地平線”（Horizon）直升機載雷達、美國的AN/APS-143雷達和以色列SeaSpray5000E雷達等均成熟應(yīng)用了一維穩(wěn)定平臺技術(shù)。國內(nèi)對穩(wěn)定平臺的研究相對國外起步較晚，自20世紀80年代才開始研制瞄準線穩(wěn)定技術(shù)，90年代開始研制機載穩(wěn)定平臺技術(shù)，經(jīng)過三十多年研究經(jīng)驗的積累，取得了一系列的技術(shù)成果。早期的搜索跟蹤穩(wěn)定平臺機構(gòu)一般是機電式兩軸（方位、俯仰）或三軸（方位、俯仰和橫滾）等多框架結(jié)構(gòu)[4，5]，并且已在機載SAR/MTI雷達進行廣泛應(yīng)用。

機載平臺運動誤差是多方向的，僅僅靠機械穩(wěn)定平臺難以實現(xiàn)多維天線波束穩(wěn)定，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計原理來說，維數(shù)越多設(shè)計越復(fù)雜。隨著雷達相控陣技術(shù)的發(fā)展，在雷達天線波束指向小范圍變化時，可通過雷達波束移相控制來實現(xiàn)。作者單位長期從事機載SAR/MTI雷達相關(guān)技術(shù)等研究，為了滿足機載SAR/MTI雷達波束穩(wěn)定和高精度目標探測需要，本文提出研究了一種高精度機載SAR/MTI雷達天線波束機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)，解決了多維運動補償、寬角覆蓋和高精度指向等問題。

1? 技術(shù)難點分析

1.1? 嚴格的重量設(shè)計限制

機載裝機條件對載荷設(shè)備具有極高的重量要求，為了滿足多維運動誤差天線波束穩(wěn)定和廣域偵察監(jiān)視需求，僅僅依靠機械式穩(wěn)定平臺將會占據(jù)較大的重量資源，并且復(fù)雜的多維機械式穩(wěn)定平臺可靠性較低。

1.2? 系統(tǒng)探測精度要求高

機載SAR/MTI雷達成像質(zhì)量要求和對地/海面運動目標探測精度逐步等性能逐步提升，對雷達天線波束穩(wěn)定精度要求呈現(xiàn)數(shù)量級的增加，要求實現(xiàn)0.01度指向誤差甚至更高。

1.3? 波束穩(wěn)定實時性提高

機載SAR/MTI雷達的成像質(zhì)量和運動目標探測精度亦對天線波束穩(wěn)定實時性具有較高的要求，從載機位置/姿態(tài)/航向等運動誤差實時測量到實現(xiàn)天線波束補償時延達到幾百毫秒，并且穩(wěn)定平臺機械運動響應(yīng)時間相對較長，極大地影響了波束穩(wěn)定的實時性。

2? 機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)原理

隨著機載相控陣雷達技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、微電子技術(shù)、精密機械、伺服驅(qū)動技術(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的快速提高，促進了天線波束穩(wěn)定技術(shù)研究的進步，使得機相復(fù)合技術(shù)應(yīng)用成為可能。

機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)原理如圖1所示，由機相復(fù)合運算器、運動誤差測量設(shè)備、穩(wěn)定平臺和二維相控陣天線等要素構(gòu)成。

機相復(fù)合運算器根據(jù)任務(wù)需求和運動誤差測量設(shè)備進行穩(wěn)定平臺角度計算和相控陣天線波束指向角度計算;運動誤差測量設(shè)備由INS/GPS組合慣導(dǎo)等設(shè)備組成，實時測量載機位置、姿態(tài)和航向等信息;穩(wěn)定平臺結(jié)合機相碼進行機械轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)角度基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動;相控陣天線結(jié)合機相碼進行高精度波束角度調(diào)整;天線相掃與穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺間進行復(fù)合轉(zhuǎn)動，相掃提升機械掃描的實時性和精度，機械掃描彌補相掃掃描角度有限和掃描增益損失的不足。上位機傳遞控制指令，控制驅(qū)動器根據(jù)控制指令選擇不同的工作模式，根據(jù)載機姿態(tài)信息和控制指令傳遞過來的控制角度進行坐標正變換轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定平臺坐標系下角度，將位置傳感器采集的穩(wěn)定平臺當前位置信息傳遞給控制驅(qū)動器，控制驅(qū)動器根據(jù)指令角度與當前角度進行比較并進行控制算法運算，得到驅(qū)動電機電流，將電流值傳遞給電機，使得電機驅(qū)動穩(wěn)定平臺旋轉(zhuǎn)到控制指令要求的位置。

3? 輕重量、高精度穩(wěn)定平臺技術(shù)研究

為滿足輕重量、高精度技術(shù)需求，可采用T型臺面形式及精密機械軸系支撐的高強度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)定平臺在徑向所受的載荷，同時又要保證穩(wěn)定平臺與在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的摩擦力矩盡可能小[6]。平臺方位軸下端采用一對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，防止由于軸系過長導(dǎo)致的晃動，平臺的主軸為核心零部件，其性能的好壞直接影響整個轉(zhuǎn)臺的質(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度的同時，可以良好的實現(xiàn)同軸度以保證穩(wěn)定精度。力矩電機具有轉(zhuǎn)速低、力矩大和線性度好等優(yōu)點，可以長時間運行在較低的轉(zhuǎn)速下。現(xiàn)有的航空穩(wěn)定平臺大部分采用直流有刷力矩電機進行驅(qū)動[7]，由于電刷的存在，有刷力矩電機存在高空低溫電刷易結(jié)霜、電刷易產(chǎn)生電火花等問題，嚴重影響電機的使用壽命[8]。永磁直流無刷力矩電機可靠性高，可維護性好，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，是該類穩(wěn)定平臺良好的選擇。電機與旋轉(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)誤差帶來的精度損失，保證指向精度。

4? 機相復(fù)合控制技術(shù)研究

機相復(fù)合控制技術(shù)是實現(xiàn)平臺運動功能和性能關(guān)鍵技術(shù)，其控制性能的優(yōu)劣及對環(huán)境的適應(yīng)能力將直接影響整個系統(tǒng)的順利運行。機相復(fù)合運算器主要包括DSP、R/D模塊、功放模塊和電源模塊等，如圖3所示。功放模塊主要負責對電機驅(qū)動和對反饋信號的處理，角度解碼模塊通過A/D變換將模擬量轉(zhuǎn)換為16位的角度值，DSP主要負責與上位機之間的通信以及角度解算，閉環(huán)控制。

跟蹤精度和穩(wěn)定精度是評價波束指向性能的兩項核心技術(shù)指標，控制算法的好壞直接關(guān)系這兩項指標能否滿足系統(tǒng)需求。在工程應(yīng)用方面，穩(wěn)定平臺當前采用的控制方法仍以經(jīng)典控制為主。經(jīng)典控制方法的實現(xiàn)過程相對簡單，對于大多數(shù)伺服性能要求不高的場合能夠獲得滿意的性能[9]。隨著現(xiàn)代需求對穩(wěn)定平臺精度要求越來越高，經(jīng)典控制算法已無法滿足系統(tǒng)需求。在理論研究方面，研究提出了很多先進控制策略，但部分算法結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、計算量很大，導(dǎo)致實際應(yīng)用困難，且實時性問題難以解決。目前，在經(jīng)典控制算法的基礎(chǔ)上結(jié)合其他算法已是當前控制運算的主流，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)時間越短，但系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，超調(diào)量越大，積分時間Ti的值越大，積分作用越弱，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間越長，越不容易超調(diào)[10]。機相復(fù)合控制算法分階解算機械和相控碼，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，減小傳輸延時和機械響應(yīng)延時，通過采用速度前饋的方式進行處理，從而實現(xiàn)平臺旋轉(zhuǎn)的指向精度和動態(tài)響應(yīng)能力滿足設(shè)計需求。

高精度機載SAR波束機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)基于塞斯納208飛機平臺開展了飛行試驗驗證，配試目標為漁船，如圖4（a）所示，漁船上安裝角反射器和GPS定位設(shè)備，實時記錄漁船實際航跡;機載SAR/MTI雷達探測目標形成目標檢測航跡，并將檢測航跡數(shù)據(jù)與漁船實際航跡數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖4（b）所示。經(jīng)過分析可見，雷達波束機相復(fù)合穩(wěn)定精度達到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

針對機載平臺運動誤差和工作模式需求，本文首先分析了國內(nèi)外穩(wěn)定平臺技術(shù)現(xiàn)狀，對SAR/MTI雷達波束穩(wěn)定方法進行了技術(shù)難點分析，給出了機相復(fù)合穩(wěn)定技術(shù)原理，并進行了輕重量、高精度穩(wěn)定平臺和機相復(fù)合控制技術(shù)研究，取得了一定效果，后續(xù)將研究進一步提高穩(wěn)定平臺方位精度。

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