卡塞格倫天線跟蹤速率改進(jìn)型測(cè)試方法研究

馮國(guó)兵，關(guān) 濤，許軼楠

(海軍研究院，北京 100161)

0 引言

在通信工程應(yīng)用中，卡塞格倫天線(卡氏天線)具有天線口徑大、波段范圍較寬、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、像質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛用于激光空間通信、雷達(dá)系統(tǒng)及機(jī)載武器通信鏈路中[1]。標(biāo)準(zhǔn)型卡氏天線由主反射器(直徑為40 cm 旋轉(zhuǎn)拋物面)、副反射器及饋源組成[2]，天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。在卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)完好的情況下，天線跟蹤速率測(cè)試主要包含天線加激勵(lì)時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)速率(激勵(lì)速率)以及加目標(biāo)源時(shí)天線搜尋目標(biāo)并跟蹤目標(biāo)的速率(跟蹤速率)。

針對(duì)某工廠卡氏天線的跟蹤速率，傳統(tǒng)測(cè)試方法存在效率低、成本高、準(zhǔn)確率低的缺點(diǎn)，本文提出了改進(jìn)型測(cè)試方法——基于單目標(biāo)源定位追蹤方式測(cè)卡氏天線的跟蹤速率。該方法顯著提高了測(cè)試效率，降低了成本，并且提高了測(cè)試準(zhǔn)確率。

圖1 產(chǎn)品卡塞格倫天線示意圖

1 傳統(tǒng)卡氏天線跟蹤速率測(cè)試方法研究

針對(duì)某型產(chǎn)品卡氏天線跟蹤速率，傳統(tǒng)測(cè)試方法是在距天線軸線方向固定距離處放置5 個(gè)角錐喇叭天線，模擬產(chǎn)品卡氏天線搜尋的目標(biāo)源。5 個(gè)角錐喇叭天線放置成“十”字結(jié)構(gòu)，“十”字中心放置一個(gè)角錐喇叭，上下左右各放置一個(gè)角錐喇叭，通過(guò)微波開(kāi)關(guān)切換高頻信號(hào)從指定的角錐喇叭天線發(fā)出，模擬動(dòng)態(tài)目標(biāo)源，產(chǎn)品卡氏天線搜尋目標(biāo)并最終軸線指向目標(biāo)源方向，產(chǎn)品卡氏天線的偏轉(zhuǎn)角度在俯仰與偏航方向均與測(cè)得的電壓成一次線性函數(shù)關(guān)系：v=k·x+b(v 為電壓數(shù)值，x 為天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度，k、b 為已知值)，因此可以通過(guò)觀察測(cè)試過(guò)程中電壓表示數(shù)變化規(guī)律，主觀估算天線的跟蹤速率。“十”字架中心點(diǎn)的角錐喇叭天線(目標(biāo)源)作用是用于每次測(cè)試時(shí)“吸引”產(chǎn)品卡氏天線軸線回歸“零”位。圖2 中過(guò)程①～④詳細(xì)描述了俯仰方向的測(cè)試流程，偏航方向測(cè)試原理與俯仰方向完全相同。

圖2 俯仰方向天線跟蹤速率測(cè)試流程示意圖

研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測(cè)試方法缺點(diǎn)有：(1)人為主觀判斷高頻信號(hào)從某個(gè)角錐天線喇叭發(fā)出，從而粗略地對(duì)產(chǎn)品卡氏天線跟蹤速率作出評(píng)價(jià)，存在誤判，準(zhǔn)確率低；(2)需要5 個(gè)角錐喇叭天線，成本高；(3)測(cè)試過(guò)程中需手動(dòng)切換微波開(kāi)關(guān)，測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)，效率低。因此針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法的缺點(diǎn)，本文提出了一種卡氏天線改進(jìn)型測(cè)試方法。

2 改進(jìn)型卡氏天線跟蹤速率測(cè)試方法

2.1 單目標(biāo)源定位測(cè)試方法

通過(guò)對(duì)某型裝備卡氏天線整機(jī)工作機(jī)理認(rèn)真分析后，發(fā)現(xiàn)在該裝備卡氏天線控制系統(tǒng)外加±x V電壓激勵(lì)信號(hào)時(shí)(以俯仰方向?yàn)槔?，?x V 天線軸線向俯仰正方向偏轉(zhuǎn)，加-x V 向俯仰負(fù)方向偏轉(zhuǎn))，卡氏天線主反射面軸線指向會(huì)向正或負(fù)方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與加激勵(lì)信號(hào)時(shí)間t 成線性函數(shù)關(guān)系?？梢岳么颂匦詫?duì)傳統(tǒng)卡氏天線跟蹤速率測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)。本文提出了一種基于單目標(biāo)源定位追蹤方式的天線跟蹤測(cè)試方法。

在該裝備卡氏天線接收平面處，僅放置一只角錐喇叭天線(后稱“單目標(biāo)源”)。首先，尋找初始位置值。單目標(biāo)源加高頻信號(hào)，“吸引”卡氏天線主動(dòng)搜尋跟蹤目標(biāo)源并最終使得卡氏天線軸線指向目標(biāo)源，在天線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)高速采集卡，讀取天線控制系統(tǒng)輸出的初始位置(ψ0，θ0)對(duì)應(yīng)的電壓值(ψ、θ 分別表示偏航、俯仰方向)；接著，關(guān)閉信號(hào)源，控制板俯仰方向加正向激勵(lì)電壓+x V，時(shí)間t s，使得天線向俯仰正方向偏轉(zhuǎn)角度θ1；斷開(kāi)激勵(lì)電壓+x V，打開(kāi)目標(biāo)源再次“吸引”裝備卡氏天線搜尋目標(biāo)回到初始位置(ψ0，θ0)。偏航方向測(cè)試流程和俯仰方向相同。在上述測(cè)試過(guò)程中從開(kāi)始至結(jié)束時(shí)刻，高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集天線運(yùn)動(dòng)角位置數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值，采樣率為1/Δt，詳細(xì)測(cè)試流程原理圖如圖3 所示。則天線跟蹤速率可以定量計(jì)算為：

其中n 為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.2 單目標(biāo)源搜尋跟蹤速率測(cè)試法一致性分析

圖3 單目標(biāo)源卡氏天線跟蹤速率改進(jìn)型測(cè)試法原理圖及步驟

該方法與目標(biāo)源初始位置(ψ0，θ0)選取無(wú)關(guān)，具有良好的一致性，使得測(cè)試過(guò)程中，操作性更為靈活。傳統(tǒng)的五角錐喇叭天線測(cè)試方法如果人為位置放置不當(dāng)，即中心角錐喇叭與卡氏天線軸線夾角角度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致偏航的正方向或者負(fù)方向無(wú)法測(cè)試。單目標(biāo)源改進(jìn)型測(cè)試方法具有良好的一致性，可以去除位置放置的誤差，以偏航方向?yàn)槔?，證明過(guò)程如下(俯仰方向的證明方法與偏航方向相同)：假設(shè)在卡氏天線接收范圍內(nèi)，隨機(jī)挑選三個(gè)測(cè)試位置放置目標(biāo)源，分別如圖4(a)、(b)、(c)中的①、②、③三位置點(diǎn)所示。

圖4 改進(jìn)型測(cè)試方法一致性證明示意圖

圖4(a)、(b)、(c)三個(gè)位置初始點(diǎn)分別設(shè)為(ψa0，θa0)、(ψb0，θb0)、(ψc0，θc0)，設(shè)天線偏轉(zhuǎn)時(shí)間Δt s 后，天線軸線指向新位置為(ψa1，θa1)、(ψb1，θb1)、(ψc1，θc1)，產(chǎn)品卡氏天線軸線偏轉(zhuǎn)角度、時(shí)間在偏航與俯仰的關(guān)系已知，分別為ψ=kψt，θ=kθt，設(shè)三個(gè)位置處天線速率為k1ψ、k2ψ、k3ψ，k1θ、k2θ、k3θ，則：

從而推得k1ψ=k2ψ=k3ψ=kψ，同理可以推得k1θ=k2θ=k3θ=kθ，即偏航與俯仰方向的跟蹤速率測(cè)試結(jié)果與目標(biāo)源初始位置點(diǎn)(ψ0，θ0)選取無(wú)關(guān)，表明該種改進(jìn)型測(cè)試方法與目標(biāo)源放置位置無(wú)關(guān)，可以有效去除人為放置因素干擾，具有良好的結(jié)果測(cè)試一致性。

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

通過(guò)搭建相關(guān)硬件平臺(tái)對(duì)本文提出的改進(jìn)型測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試過(guò)程中采集的該型裝備卡氏天線位置偏航、俯仰方向運(yùn)動(dòng)曲線圖分別如圖5、圖6 所示。

圖5 卡氏天線偏航方向運(yùn)動(dòng)曲線圖

圖6 卡氏天線俯仰方向運(yùn)動(dòng)曲線圖

數(shù)據(jù)采用分段最小二乘線性擬合，計(jì)算出天線加正負(fù)電壓(±x V)激勵(lì)時(shí)天線運(yùn)動(dòng)速率、加目標(biāo)源高頻激勵(lì)時(shí)天線搜尋目標(biāo)的跟蹤速率，從而計(jì)算出天線跟蹤速率。天線偏轉(zhuǎn)角度與時(shí)間成一次函數(shù)關(guān)系，每段的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)為線性函數(shù)關(guān)系[3]，這樣為數(shù)據(jù)處理提高了準(zhǔn)確度，并節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。圖5、圖6 曲線水平段為天線處于靜止?fàn)顟B(tài)。在數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中，分段點(diǎn)的選取是通過(guò)計(jì)算連續(xù)三點(diǎn)之間的絕對(duì)值走勢(shì)，尋找曲線上三點(diǎn)xi、xi+1、xi+2，若滿足|xi+2-xi+1|＞V0(V0為閾值)，且|xi+1-xi|＜ε(ε 取很小值)的條件，則可將xi+2=xN0數(shù)值作為某段直線的起點(diǎn)；若滿足|xi+2-xi+1|＜ε，且|xi+1-xi|＞V0，則xi=xN1數(shù)值作為某段直線的末點(diǎn)，并提取xN0，xN1兩點(diǎn)之間所有點(diǎn)進(jìn)行一階線性擬合[4-8]。分段點(diǎn)選取示意圖如圖7 所示。分段擬合計(jì)算出的斜率值乘以產(chǎn)品天線電壓與角度轉(zhuǎn)換常數(shù)，從而計(jì)算出天線跟蹤速率。某次試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

圖7 曲線擬合分段點(diǎn)選取示意圖

表1 產(chǎn)品卡氏天線跟蹤速率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從對(duì)卡塞格倫天線傳統(tǒng)測(cè)試方法機(jī)理研究入手，針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法中存在的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于單目標(biāo)源定位搜尋跟蹤測(cè)試法測(cè)卡塞格倫天線運(yùn)動(dòng)速率的方法，天線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)高速采集卡實(shí)時(shí)采集偏轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的電壓值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段最小二乘線性擬合，計(jì)算各段斜率，從而定量計(jì)算天線的運(yùn)動(dòng)速率，為卡氏天線檢測(cè)與維修提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。試驗(yàn)表明，本文提出的改進(jìn)型測(cè)試方法全面，優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)試法，大大降低了成本，提高了維修效率，天線轉(zhuǎn)動(dòng)位置曲線圖能正確描述實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)情況，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。目前該方法已在某維修廠卡氏天線檢測(cè)與維修中得到了良好的運(yùn)用與推廣，節(jié)約了成本，提高了測(cè)試效率與準(zhǔn)確率。該方法雖然針對(duì)某型號(hào)研制的特定維修裝備，但是卡氏天線結(jié)構(gòu)在很多通信系統(tǒng)中都有設(shè)計(jì)，因此，該改進(jìn)型測(cè)試方法具有普適性，為裝有卡氏天線型號(hào)裝備的檢測(cè)與維修提供了實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)參考。