高精度機載SAR波束機相復合穩定技術應用研究

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，在伺服轉臺實現方位向360度大視角情況下，僅依靠伺服轉臺機械機構難以實現天線波束多維穩定。為滿足機載SAR/MTI雷達波束穩定和目標高精度探測需要，研究提出高精度機載SAR波束機相復合穩定技術，解決了機相復合控制、精度和實時性等技術難點，經過試驗實測，雷達波束機相復合穩定精度達到0.15度，驗證了方法有效性。

關鍵詞：高精度;機相復合;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

隨著無人機技術的迅猛發展，無人機的功能越來越全面，雷達、激光、聲吶等儀器設備都可裝備到無人機上，用于完成特定的任務。機載SAR/MTI雷達已被廣泛應用于各領域，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，會導致波束抖動，進而導致成像模糊，亦導致無法迅速、精確的跟蹤目標，因此在機載SAR/MTI雷達中經常使用穩定平臺技術來穩定波束指向，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展了多款直升機載雷達系統[1]。直升機平臺運動特性對機載SAR雷達天線波束穩定提出了更高的要求。

穩定平臺系統是機載SAR的重要組成部分，它對于隨指令轉動天線指向，克服載體運動引起的擾動，保證平臺負載能夠精確穩定地跟蹤目標起著重要的作用[2]。穩定平臺系統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。它廣泛應用于制導、車載武器等軍事領域和公安消防、環境監測等民用工業領域[3]。國外穩定平臺的技術起步較早，在20世紀80年代，光學穩定平臺開始應用于望遠鏡和瞄準器具中，以提高望遠鏡與瞄準器具的穩定性。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雷達等均成熟應用了一維穩定平臺技術。國內對穩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定技術，90年代開始研制機載穩定平臺技術，經過三十多年研究經驗的積累，取得了一系列的技術成果。早期的搜索跟蹤穩定平臺機構一般是機電式兩軸（方位、俯仰）或三軸（方位、俯仰和橫滾）等多框架結構[4，5]，并且已在機載SAR/MTI雷達進行廣泛應用。

機載平臺運動誤差是多方向的，僅僅靠機械穩定平臺難以實現多維天線波束穩定，從機械結構設計原理來說，維數越多設計越復雜。隨著雷達相控陣技術的發展，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。作者單位長期從事機載SAR/MTI雷達相關技術等研究，為了滿足機載SAR/MTI雷達波束穩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合穩定技術，解決了多維運動補償、寬角覆蓋和高精度指向等問題。

1? 技術難點分析

1.1? 嚴格的重量設計限制

機載裝機條件對載荷設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定和廣域偵察監視需求，僅僅依靠機械式穩定平臺將會占據較大的重量資源，并且復雜的多維機械式穩定平臺可靠性較低。

1.2? 系統探測精度要求高

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

1.3? 波束穩定實時性提高

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

2? 機相復合穩定技術原理

隨著機載相控陣雷達技術、數字信號處理技術、微電子技術、精密機械、伺服驅動技術的飛速發展，以及慣導、陀螺儀等精密慣性敏感元件性能指標的快速提高，促進了天線波束穩定技術研究的進步，使得機相復合技術應用成為可能。

機相復合穩定技術原理如圖1所示，由機相復合運算器、運動誤差測量設備、穩定平臺和二維相控陣天線等要素構成。

機相復合運算器根據任務需求和運動誤差測量設備進行穩定平臺角度計算和相控陣天線波束指向角度計算;運動誤差測量設備由INS/GPS組合慣導等設備組成，實時測量載機位置、姿態和航向等信息;穩定平臺結合機相碼進行機械轉動，實現角度基礎轉動;相控陣天線結合機相碼進行高精度波束角度調整;天線相掃與穩定轉臺間進行復合轉動，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，控制驅動器根據控制指令選擇不同的工作模式，根據載機姿態信息和控制指令傳遞過來的控制角度進行坐標正變換轉換成穩定平臺坐標系下角度，將位置傳感器采集的穩定平臺當前位置信息傳遞給控制驅動器，控制驅動器根據指令角度與當前角度進行比較并進行控制算法運算，得到驅動電機電流，將電流值傳遞給電機，使得電機驅動穩定平臺旋轉到控制指令要求的位置。

3? 輕重量、高精度穩定平臺技術研究

為滿足輕重量、高精度技術需求，可采用T型臺面形式及精密機械軸系支撐的高強度7075鋁合金框架結構，如圖2所示。軸承的主要作用是承受穩定平臺在徑向所受的載荷，同時又要保證穩定平臺與在轉動過程中產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臺的質量和控制精度，因此，主軸材料一般可選用不銹鋼，它具有優秀的耐腐蝕性、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，可以良好的實現同軸度以保證穩定精度。力矩電機具有轉速低、力矩大和線性度好等優點，可以長時間運行在較低的轉速下。現有的航空穩定平臺大部分采用直流有刷力矩電機進行驅動[7]，由于電刷的存在，有刷力矩電機存在高空低溫電刷易結霜、電刷易產生電火花等問題，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，是該類穩定平臺良好的選擇。電機與旋轉變壓器采用分體安裝方式，該結構形式不僅結構緊湊，而且減少了結構誤差帶來的精度損失，保證指向精度。

4? 機相復合控制技術研究

機相復合控制技術是實現平臺運動功能和性能關鍵技術，其控制性能的優劣及對環境的適應能力將直接影響整個系統的順利運行。機相復合運算器主要包括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，閉環控制。

跟蹤精度和穩定精度是評價波束指向性能的兩項核心技術指標，控制算法的好壞直接關系這兩項指標能否滿足系統需求。在工程應用方面，穩定平臺當前采用的控制方法仍以經典控制為主。經典控制方法的實現過程相對簡單，對于大多數伺服性能要求不高的場合能夠獲得滿意的性能[9]。隨著現代需求對穩定平臺精度要求越來越高，經典控制算法已無法滿足系統需求。在理論研究方面，研究提出了很多先進控制策略，但部分算法結構過于復雜、計算量很大，導致實際應用困難，且實時性問題難以解決。目前，在經典控制算法的基礎上結合其他算法已是當前控制運算的主流，最常用的就是傳統比例積分控制算法分段處理并與前饋控制相結合。在PID控制中，比例增益Kp越大，系統調節時間越短，但系統穩定性越差，超調量越大，積分時間Ti的值越大，積分作用越弱，系統調節時間越長，越不容易超調[10]。機相復合控制算法分階解算機械和相控碼，并在位置環采用分段PI控制，將角度誤差根據范圍分成N段，不同的誤差選擇不同的比例參數，控制方式簡單可靠，而在速度環，為了提高系統的響應速度，減小傳輸延時和機械響應延時，通過采用速度前饋的方式進行處理，從而實現平臺旋轉的指向精度和動態響應能力滿足設計需求。

高精度機載SAR波束機相復合穩定技術基于塞斯納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，并將檢測航跡數據與漁船實際航跡數據進行對比分析，如圖4（b）所示。經過分析可見，雷達波束機相復合穩定精度達到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? 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外穩定平臺技術現狀，對SAR/MTI雷達波束穩定方法進行了技術難點分析，給出了機相復合穩定技術原理，并進行了輕重量、高精度穩定平臺和機相復合控制技術研究，取得了一定效果，后續將研究進一步提高穩定平臺方位精度。

參考文獻：

[1] 石智新.直升機載雷達的發展 [J].四川兵工學報，2012，33（3）：115-118.

[2] ZHANG H，KE X Z，JIAO R. Experimental Research on Feedback Kalman Model of MEMS Gyroscope [C]//The 8th International Conference Electronic Measurement andInstruments，2007（1）：253-256.

[3] 滕云鶴，毛獻輝，章燕申，等.移動衛星通信捷聯式天線穩定系統 [J].宇航學報，2002，23（5）：72-75.

[4] 程志峰，張葆，崔巖，等.高體份SiC/Al復合材料在無人機載光電穩定平臺中的應用 [J].光學精密工程，2009，17（11）：2820-2827.

[5] 王婧，王旭.兩軸穩定平臺控制系統設計 [J].電工技術，2019（6）：3-5.

[6] 魏曉凱，李杰，馮凱強，等.滾轉穩定平臺抗高過載結構優化設計與分析 [J].中國慣性技術學報，2018，26（5）：603-609.

[7] 胡發煥，邱小童，蔡咸健.基于場效應管的大功率直流電機驅動電路設計 [J].電機與控制應用，2011，38（4）：21-24.

[8] 劉貴如，王陸林.BTN7970在直流電機驅動系統中的應用 [J].單片機與嵌入式系統應用，2010（8）：44-46.

[9] 祁超，范世珣，謝馨，等.光電穩定平臺伺服機構低速及穩定性能控制方法研究 [J].兵工學報，2018，39（10）：1873-1882.

[10] 胡松濤，李旺.彈載捷聯式高精度穩定平臺設計與研究 [J].電氣工程學報，2015，10（7）：78-81.

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。