卡塞格伦天线跟踪速率改进型测试方法研究
2020-12-21冯国兵许轶楠
冯国兵,关 涛,许轶楠
(海军研究院,北京 100161)
0 引言
在通信工程应用中,卡塞格伦天线(卡氏天线)具有天线口径大、波段范围较宽、光学系统结构简单、像质优良等特点,被广泛用于激光空间通信、雷达系统及机载武器通信链路中[1]。标准型卡氏天线由主反射器(直径为40 cm 旋转抛物面)、副反射器及馈源组成[2],天线结构示意图如图1 所示。在卡塞格伦天线结构完好的情况下,天线跟踪速率测试主要包含天线加激励时其转动速率(激励速率)以及加目标源时天线搜寻目标并跟踪目标的速率(跟踪速率)。
针对某工厂卡氏天线的跟踪速率,传统测试方法存在效率低、成本高、准确率低的缺点,本文提出了改进型测试方法——基于单目标源定位追踪方式测卡氏天线的跟踪速率。该方法显著提高了测试效率,降低了成本,并且提高了测试准确率。
图1 产品卡塞格伦天线示意图
1 传统卡氏天线跟踪速率测试方法研究
针对某型产品卡氏天线跟踪速率,传统测试方法是在距天线轴线方向固定距离处放置5 个角锥喇叭天线,模拟产品卡氏天线搜寻的目标源。5 个角锥喇叭天线放置成“十”字结构,“十”字中心放置一个角锥喇叭,上下左右各放置一个角锥喇叭,通过微波开关切换高频信号从指定的角锥喇叭天线发出,模拟动态目标源,产品卡氏天线搜寻目标并最终轴线指向目标源方向,产品卡氏天线的偏转角度在俯仰与偏航方向均与测得的电压成一次线性函数关系:v=k·x+b(v 为电压数值,x 为天线转动角度,k、b 为已知值),因此可以通过观察测试过程中电压表示数变化规律,主观估算天线的跟踪速率。“十”字架中心点的角锥喇叭天线(目标源)作用是用于每次测试时“吸引”产品卡氏天线轴线回归“零”位。图2 中过程①~④详细描述了俯仰方向的测试流程,偏航方向测试原理与俯仰方向完全相同。
图2 俯仰方向天线跟踪速率测试流程示意图
研究发现传统的测试方法缺点有:(1)人为主观判断高频信号从某个角锥天线喇叭发出,从而粗略地对产品卡氏天线跟踪速率作出评价,存在误判,准确率低;(2)需要5 个角锥喇叭天线,成本高;(3)测试过程中需手动切换微波开关,测试耗时长,效率低。因此针对传统测试方法的缺点,本文提出了一种卡氏天线改进型测试方法。
2 改进型卡氏天线跟踪速率测试方法
2.1 单目标源定位测试方法
通过对某型装备卡氏天线整机工作机理认真分析后,发现在该装备卡氏天线控制系统外加±x V电压激励信号时(以俯仰方向为例,加+x V 天线轴线向俯仰正方向偏转,加-x V 向俯仰负方向偏转),卡氏天线主反射面轴线指向会向正或负方向偏转,偏转角度与加激励信号时间t 成线性函数关系。可以利用此特性对传统卡氏天线跟踪速率测试方法进行改进。本文提出了一种基于单目标源定位追踪方式的天线跟踪测试方法。
在该装备卡氏天线接收平面处,仅放置一只角锥喇叭天线(后称“单目标源”)。首先,寻找初始位置值。单目标源加高频信号,“吸引”卡氏天线主动搜寻跟踪目标源并最终使得卡氏天线轴线指向目标源,在天线运动过程中通过高速采集卡,读取天线控制系统输出的初始位置(ψ0,θ0)对应的电压值(ψ、θ 分别表示偏航、俯仰方向);接着,关闭信号源,控制板俯仰方向加正向激励电压+x V,时间t s,使得天线向俯仰正方向偏转角度θ1;断开激励电压+x V,打开目标源再次“吸引”装备卡氏天线搜寻目标回到初始位置(ψ0,θ0)。偏航方向测试流程和俯仰方向相同。在上述测试过程中从开始至结束时刻,高速数据采集卡实时采集天线运动角位置数据对应的电压数值,采样率为1/Δt,详细测试流程原理图如图3 所示。则天线跟踪速率可以定量计算为:
其中n 为采样点个数。
2.2 单目标源搜寻跟踪速率测试法一致性分析
图3 单目标源卡氏天线跟踪速率改进型测试法原理图及步骤
该方法与目标源初始位置(ψ0,θ0)选取无关,具有良好的一致性,使得测试过程中,操作性更为灵活。传统的五角锥喇叭天线测试方法如果人为位置放置不当,即中心角锥喇叭与卡氏天线轴线夹角角度过大时,会导致偏航的正方向或者负方向无法测试。单目标源改进型测试方法具有良好的一致性,可以去除位置放置的误差,以偏航方向为例,证明过程如下(俯仰方向的证明方法与偏航方向相同):假设在卡氏天线接收范围内,随机挑选三个测试位置放置目标源,分别如图4(a)、(b)、(c)中的①、②、③三位置点所示。
图4 改进型测试方法一致性证明示意图
图4(a)、(b)、(c)三个位置初始点分别设为(ψa0,θa0)、(ψb0,θb0)、(ψc0,θc0),设天线偏转时间Δt s 后,天线轴线指向新位置为(ψa1,θa1)、(ψb1,θb1)、(ψc1,θc1),产品卡氏天线轴线偏转角度、时间在偏航与俯仰的关系已知,分别为ψ=kψt,θ=kθt,设三个位置处天线速率为k1ψ、k2ψ、k3ψ,k1θ、k2θ、k3θ,则:
从而推得k1ψ=k2ψ=k3ψ=kψ,同理可以推得k1θ=k2θ=k3θ=kθ,即偏航与俯仰方向的跟踪速率测试结果与目标源初始位置点(ψ0,θ0)选取无关,表明该种改进型测试方法与目标源放置位置无关,可以有效去除人为放置因素干扰,具有良好的结果测试一致性。
3 试验与数据分析
通过搭建相关硬件平台对本文提出的改进型测试方法进行验证。测试过程中采集的该型装备卡氏天线位置偏航、俯仰方向运动曲线图分别如图5、图6 所示。
图5 卡氏天线偏航方向运动曲线图
图6 卡氏天线俯仰方向运动曲线图
数据采用分段最小二乘线性拟合,计算出天线加正负电压(±x V)激励时天线运动速率、加目标源高频激励时天线搜寻目标的跟踪速率,从而计算出天线跟踪速率。天线偏转角度与时间成一次函数关系,每段的经验函数为线性函数关系[3],这样为数据处理提高了准确度,并节省了数据处理时间。图5、图6 曲线水平段为天线处于静止状态。在数据拟合过程中,分段点的选取是通过计算连续三点之间的绝对值走势,寻找曲线上三点xi、xi+1、xi+2,若满足|xi+2-xi+1|>V0(V0为阈值),且|xi+1-xi|<ε(ε 取很小值)的条件,则可将xi+2=xN0数值作为某段直线的起点;若满足|xi+2-xi+1|<ε,且|xi+1-xi|>V0,则xi=xN1数值作为某段直线的末点,并提取xN0,xN1两点之间所有点进行一阶线性拟合[4-8]。分段点选取示意图如图7 所示。分段拟合计算出的斜率值乘以产品天线电压与角度转换常数,从而计算出天线跟踪速率。某次试验计算结果如表1 所示。
图7 曲线拟合分段点选取示意图
表1 产品卡氏天线跟踪速率测试结果
4 结束语
本文从对卡塞格伦天线传统测试方法机理研究入手,针对传统测试方法中存在的缺点进行改进,提出了基于单目标源定位搜寻跟踪测试法测卡塞格伦天线运动速率的方法,天线运动过程中,通过高速采集卡实时采集偏转角度对应的电压值,并对数据进行分段最小二乘线性拟合,计算各段斜率,从而定量计算天线的运动速率,为卡氏天线检测与维修提供准确的数据参考。试验表明,本文提出的改进型测试方法全面,优于传统测试法,大大降低了成本,提高了维修效率,天线转动位置曲线图能正确描述实际转动情况,计算结果准确可靠。目前该方法已在某维修厂卡氏天线检测与维修中得到了良好的运用与推广,节约了成本,提高了测试效率与准确率。该方法虽然针对某型号研制的特定维修装备,但是卡氏天线结构在很多通信系统中都有设计,因此,该改进型测试方法具有普适性,为装有卡氏天线型号装备的检测与维修提供了实际工程经验参考。