高精度机载SAR波束机相复合稳定技术应用研究

袁汉钦 胡松涛

摘  要：机载平台多方向运动误差是影响机载SAR/MTI雷达目标探测精度的重要因素之一，在伺服转台实现方位向360度大视角情况下，仅依靠伺服转台机械机构难以实现天线波束多维稳定。为满足机载SAR/MTI雷达波束稳定和目标高精度探测需要，研究提出高精度机载SAR波束机相复合稳定技术，解决了机相复合控制、精度和实时性等技术难点，经过试验实测，雷达波束机相复合稳定精度达到0.15度，验证了方法有效性。

关键词：高精度;机相复合;SAR/MTI雷达

中图分类号：TP273;TN927.2       文献标识码：A 文章编号：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

隨着无人机技术的迅猛发展，无人机的功能越来越全面，雷达、激光、声呐等仪器设备都可装备到无人机上，用于完成特定的任务。机载SAR/MTI雷达已被广泛应用于各领域，然而机载SAR/MTI雷达在成像过程中，由于载机的运动以及外力矩扰动等，会导致波束抖动，进而导致成像模糊，亦导致无法迅速、精确的跟踪目标，因此在机载SAR/MTI雷达中经常使用稳定平台技术来稳定波束指向，跟踪目标。1967年美国的AH-1G直升机问世，开启了直升机载雷达的序幕，此后欧美等军事强国又相继发展了多款直升机载雷达系统[1]。直升机平台运动特性对机载SAR雷达天线波束稳定提出了更高的要求。

稳定平台系统是机载SAR的重要组成部分，它对于随指令转动天线指向，克服载体运动引起的扰动，保证平台负载能够精确稳定地跟踪目标起着重要的作用[2]。稳定平台系统可以通过速度或者位置传感器自主地测量出载体的速度和位置姿态的变化，并且及时隔离载体的扰动，使平台相对惯性空间保持方位不变。它广泛应用于制导、车载武器等军事领域和公安消防、环境监测等民用工业领域[3]。国外稳定平台的技术起步较早，在20世纪80年代，光学稳定平台开始应用于望远镜和瞄准器具中，以提高望远镜与瞄准器具的稳定性。并且在法国的“地平线”（Horizon）直升机载雷达、美国的AN/APS-143雷达和以色列SeaSpray5000E雷达等均成熟应用了一维稳定平台技术。国内对稳定平台的研究相对国外起步较晚，自20世纪80年代才开始研制瞄准线稳定技术，90年代开始研制机载稳定平台技术，经过三十多年研究经验的积累，取得了一系列的技术成果。早期的搜索跟踪稳定平台机构一般是机电式两轴（方位、俯仰）或三轴（方位、俯仰和横滚）等多框架结构[4，5]，并且已在机载SAR/MTI雷达进行广泛应用。

机载平台运动误差是多方向的，仅仅靠机械稳定平台难以实现多维天线波束稳定，从机械结构设计原理来说，维数越多设计越复杂。随着雷达相控阵技术的发展，在雷达天线波束指向小范围变化时，可通过雷达波束移相控制来实现。作者单位长期从事机载SAR/MTI雷达相关技术等研究，为了满足机载SAR/MTI雷达波束稳定和高精度目标探测需要，本文提出研究了一种高精度机载SAR/MTI雷达天线波束机相复合稳定技术，解决了多维运动补偿、宽角覆盖和高精度指向等问题。

1  技术难点分析

1.1  严格的重量设计限制

机载装机条件对载荷设备具有极高的重量要求，为了满足多维运动误差天线波束稳定和广域侦察监视需求，仅仅依靠机械式稳定平台将会占据较大的重量资源，并且复杂的多维机械式稳定平台可靠性较低。

1.2  系统探测精度要求高

机载SAR/MTI雷达成像质量要求和对地/海面运动目标探测精度逐步等性能逐步提升，对雷达天线波束稳定精度要求呈现数量级的增加，要求实现0.01度指向误差甚至更高。

1.3  波束稳定实时性提高

机载SAR/MTI雷达的成像质量和运动目标探测精度亦对天线波束稳定实时性具有较高的要求，从载机位置/姿态/航向等运动误差实时测量到实现天线波束补偿时延达到几百毫秒，并且稳定平台机械运动响应时间相对较长，极大地影响了波束稳定的实时性。

2  机相复合稳定技术原理

随着机载相控阵雷达技术、数字信号处理技术、微电子技术、精密机械、伺服驱动技术的飞速发展，以及惯导、陀螺仪等精密惯性敏感元件性能指标的快速提高，促进了天线波束稳定技术研究的进步，使得机相复合技术应用成为可能。

机相复合稳定技术原理如图1所示，由机相复合运算器、运动误差测量设备、稳定平台和二维相控阵天线等要素构成。

机相复合运算器根据任务需求和运动误差测量设备进行稳定平台角度计算和相控阵天线波束指向角度计算;运动误差测量设备由INS/GPS组合惯导等设备组成，实时测量载机位置、姿态和航向等信息;稳定平台结合机相码进行机械转动，实现角度基础转动;相控阵天线结合机相码进行高精度波束角度调整;天线相扫与稳定转台间进行复合转动，相扫提升机械扫描的实时性和精度，机械扫描弥补相扫扫描角度有限和扫描增益损失的不足。上位机传递控制指令，控制驱动器根据控制指令选择不同的工作模式，根据载机姿态信息和控制指令传递过来的控制角度进行坐标正变换转换成稳定平台坐标系下角度，将位置传感器采集的稳定平台当前位置信息传递给控制驱动器，控制驱动器根据指令角度与当前角度进行比较并进行控制算法运算，得到驱动電机电流，将电流值传递给电机，使得电机驱动稳定平台旋转到控制指令要求的位置。

3  轻重量、高精度稳定平台技术研究

为满足轻重量、高精度技术需求，可采用T型台面形式及精密机械轴系支撑的高强度7075铝合金框架结构，如图2所示。轴承的主要作用是承受稳定平台在径向所受的载荷，同时又要保证稳定平台与在转动过程中产生的摩擦力矩尽可能小[6]。平台方位轴下端采用一对背靠背安装的精密角接触球轴承作为主承力轴承，上端装有深沟球轴承，防止由于轴系过长导致的晃动，平台的主轴为核心零部件，其性能的好坏直接影响整个转台的质量和控制精度，因此，主轴材料一般可选用不锈钢，它具有优秀的耐腐蚀性、抗蠕变性，良好的耐氯化物侵蚀性能;主轴材料采用不锈钢材料可以在保证刚强度的同时，可以良好的实现同轴度以保证稳定精度。力矩电机具有转速低、力矩大和线性度好等优点，可以长时间运行在较低的转速下。现有的航空稳定平台大部分采用直流有刷力矩电机进行驱动[7]，由于电刷的存在，有刷力矩电机存在高空低温电刷易结霜、电刷易产生电火花等问题，严重影响电机的使用寿命[8]。永磁直流无刷力矩电机可靠性高，可维护性好，其极限温度工作性能，抗震、抗电磁干扰、抗潮湿盐雾等性能良好，是该类稳定平台良好的选择。电机与旋转变压器采用分体安装方式，该结构形式不仅结构紧凑，而且减少了结构误差带来的精度损失，保证指向精度。

4  机相复合控制技术研究

机相复合控制技术是实现平台运动功能和性能关键技术，其控制性能的优劣及对环境的适应能力将直接影响整个系统的顺利运行。机相复合运算器主要包括DSP、R/D模块、功放模块和电源模块等，如图3所示。功放模块主要负责对电机驱动和对反馈信号的处理，角度解码模块通过A/D变换将模拟量转换为16位的角度值，DSP主要负责与上位机之间的通信以及角度解算，闭环控制。

跟踪精度和稳定精度是评价波束指向性能的两项核心技术指标，控制算法的好坏直接关系这两项指标能否满足系统需求。在工程应用方面，稳定平台当前采用的控制方法仍以经典控制为主。经典控制方法的实现过程相对简单，对于大多数伺服性能要求不高的场合能够获得满意的性能[9]。随着现代需求对稳定平台精度要求越来越高，经典控制算法已无法满足系统需求。在理论研究方面，研究提出了很多先进控制策略，但部分算法结构过于复杂、计算量很大，导致实际应用困难，且实时性问题难以解决。目前，在经典控制算法的基础上结合其他算法已是当前控制运算的主流，最常用的就是传统比例积分控制算法分段处理并与前馈控制相结合。在PID控制中，比例增益Kp越大，系统调节时间越短，但系统稳定性越差，超调量越大，积分时间Ti的值越大，积分作用越弱，系统调节时间越长，越不容易超调[10]。机相复合控制算法分阶解算机械和相控码，并在位置环采用分段PI控制，将角度误差根据范围分成N段，不同的误差选择不同的比例参数，控制方式简单可靠，而在速度环，为了提高系统的响应速度，减小传输延时和机械响应延时，通过采用速度前馈的方式进行处理，从而实现平台旋转的指向精度和动态响应能力满足设计需求。

高精度机载SAR波束机相复合稳定技术基于塞斯纳208飞机平台开展了飞行试验验证，配试目标为渔船，如图4（a）所示，渔船上安装角反射器和GPS定位设备，实时记录渔船实际航迹;机载SAR/MTI雷达探测目标形成目标检测航迹，并将检测航迹数据与渔船实际航迹数据进行对比分析，如图4（b）所示。经过分析可见，雷达波束机相复合稳定精度达到0.15度（RMS），如图5所示，有效的证明了本论文所提及方法的有效性。

5  结  论

針对机载平台运动误差和工作模式需求，本文首先分析了国内外稳定平台技术现状，对SAR/MTI雷达波束稳定方法进行了技术难点分析，给出了机相复合稳定技术原理，并进行了轻重量、高精度稳定平台和机相复合控制技术研究，取得了一定效果，后续将研究进一步提高稳定平台方位精度。

参考文献：

[1] 石智新.直升机载雷达的发展 [J].四川兵工学报，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] 滕云鹤，毛献辉，章燕申，等.移动卫星通信捷联式天线稳定系统 [J].宇航学报，2002，23（5）：72-75.

[4] 程志峰，张葆，崔岩，等.高体份SiC/Al复合材料在无人机载光电稳定平台中的应用 [J].光学精密工程，2009，17（11）：2820-2827.

[5] 王婧，王旭.两轴稳定平台控制系统设计 [J].电工技术，2019（6）：3-5.

[6] 魏晓凯，李杰，冯凯强，等.滚转稳定平台抗高过载结构优化设计与分析 [J].中国惯性技术学报，2018，26（5）：603-609.

[7] 胡发焕，邱小童，蔡咸健.基于场效应管的大功率直流电机驱动电路设计 [J].电机与控制应用，2011，38（4）：21-24.

[8] 刘贵如，王陆林.BTN7970在直流电机驱动系统中的应用 [J].单片机与嵌入式系统应用，2010（8）：44-46.

[9] 祁超，范世珣，谢馨，等.光电稳定平台伺服机构低速及稳定性能控制方法研究 [J].兵工学报，2018，39（10）：1873-1882.

[10] 胡松涛，李旺.弹载捷联式高精度稳定平台设计与研究 [J].电气工程学报，2015，10（7）：78-81.

作者简介：袁汉钦（1983—），男，汉族，安徽合肥人，工程师，硕士，研究方向：信号处理;胡松涛（1982-），男，汉族，安徽安庆人，高级工程师，硕士，研究方向：伺服控制。