CN102141607B - 雷达数字平台调平装置和调平方法 - Google Patents

Abstract

一种雷达数字平台调平装置和调平方法，其调平方法利用姿态角传感系统传感车体姿态和坐标转换数学模型建立数字平台，算出雷达工作时天线方位码盘值、天线俯仰码盘值和天线阵面X轴与水平面平行的横滚角，驱动天线到指定方位、俯仰位置及天线横轴姿态位置实现雷达调平功能。调平装置由姿态角传感系统、天线驱动控制系统和天线调平机构组成。姿态角传感系统传感当前车体的横倾角、纵倾角及姿态角纵倾基准轴与北向夹角；天线驱动控制系统经方位码盘和方位驱动机构将天线转到指定方位，通过俯仰驱动机构和俯仰码盘推动天线支撑背架转动，使天线到指定俯仰角度；天线调平机构推动天线绕滚珠轴承作一维旋转，使天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，完成雷达的调平。

Description

雷达数字平台调平装置和调平方法

技术领域

本发明属于机械和数字两个技术领域，涉及雷达的调平装置及调平方法，是一种新型雷达数字平台调平装置和调平方法。该装置和方法可应用于机械电子类需要进行调平的军工和民用产品等领域，特别适用于相控阵电子扫描雷达。

技术背景

陆基雷达工作时，其工作平台通常需要手动或电动调水平，以保证雷达波束扫描时其高低指向不随方位扫描方向的变化而变化，使雷达探测空域在各个方位方向上保持一致。否则，若雷达工作平台不能保持水平，则会导致在有些方位方向上雷达的主波束打地，而另一些方向上，雷达主波束偏离地面太高，空域覆盖上出现漏洞。为此，地面雷达通常设计有对雷达载车进行调平的调平机构或调平装置及分机，这不仅会增加雷达的生产成本，而且增加了雷达架设和撤收的动作和时间。特别是对于有些特殊载车底盘雷达来说，如履带式装甲车和轮式装甲车，由于载车上没有安装调平支撑机构的合适地方，无法安装4套雷达调平支撑机构；同时载车底盘又非常重，因此要对载车进行调平是非常困难。

综观当前国内外雷达的调平装置，一般有液压式和机械式两种类型。这两种类型调平装置均安装在雷达工作平台(或载车底盘)上，每个调平装置至少需要3套支撑腿的调平机构，一般安装4套支撑腿的调平机构，才能实现雷达工作平台(或整车)调平功能。如瑞典Ericsson公司生产的Giraffe 50AT雷达、美国研制的TPQ-36、TPQ-37雷达、瑞典和挪威联合研制的“阿瑟”(Arthur)火炮定位雷达等；在国内有373、375炮位侦察校射雷达、306防空火控雷达等，这些雷达均安装有4套支撑腿的调平机构，以完成雷达的调平功能。由于液压式调平装置的结构比较复杂，成本较高，调平后稳定性差、受环境因素影响较大，在实际雷达应用中，很少采用液压式调平装置。与液压式调平装置相比较，机械式调平装置的结构较为简单、调平后稳定性好，但机械式雷达调平装置具有受地理地形影响较大、调平范围有限等不足或缺陷。不论是应用机械式调平装置还是液压式调平装置，都使雷达的架设和撤收过程复杂，时间过长，可靠性不高，并且这样的调平装置受雷达工作平台或载车底盘的限制，其通用化、模块化程度较低，不能满足现有的不同雷达工作平台或载车底盘的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述液压式和机械式雷达调平装置存在的不足，提供一种新型雷达数字平台调平装置及调平方法。该调平装置不直接调整雷达工作平台，而是利用姿态角传感系统上报到终端计算机的数据通过坐标变换建立雷达数字平台，然后调整天线横轴姿态，通过这种调平方法实现雷达调平。新型雷达数字平台调平装置及调平方法克服了现有的雷达调平的缺陷或不足，具有调平精度高、稳定性好、调平范围大、不受地理位置限制、不受雷达载车底盘限制、通用性强、可靠性高、操作简单等优点。

新型雷达数字平台调平装置的技术方案由姿态角传感系统、天线驱动控制系统、天线调平机构组成。天线驱动控制系统由驱动控制组合、方位转台、方位驱动机构、方位码盘、俯仰驱动机构、俯仰码盘、天线支撑背架和滚珠轴承等组成，天线支撑背架分别与方位转台和俯仰驱动机构相连，可进行方位和俯仰旋转运动；天线通过滚珠轴承连接支撑在天线支撑背架上，同时天线可绕滚珠轴承(即：天线阵面垂直轴Z)进行一维旋转运动；姿态角传感系统和驱动控制组合安装在方位转台内。姿态角传感系统可传感出当前车体的横倾角、纵倾角以及姿态角传感系统纵倾基准轴与北向的夹角。天线驱动控制系统通过方位码盘和方位驱动机构将天线转动到指定的方位上，通过俯仰驱动机构和俯仰码盘推动天线支撑背架转动、使天线到达指定的俯仰角度位置上，然后，天线调平机构推动天线绕滚珠轴承进行一维旋转运动，使天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，完成雷达的调平。

本发明的天线调平机构由电机、齿轮、丝杠、感应限位开关和手轮等组成，其丝杠端固定在天线上，电机带动齿轮和丝杠转动，丝杠推动天线绕滚珠轴承进行一维转动，实现天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，以完成雷达的调平功能，保证雷达波束在进行方位扫描时高低指向保持不变，并通过机构的自锁性来保证调平的稳定性。在天线调平机构中，感应开关具有检测丝杠撤收到位和最大限位功能，在天线调平机构电机轴一端安装有手轮，用于手动调平，完成手动调平功能。

本发明解决问题的进一步方案是提供了一种应用在雷达数字平台调平装置的调平方法，该方法利用姿态角传感系统传感出车体姿态和坐标转换数学模型建立数字平台，计算出雷达工作时的天线方位码盘值、天线俯仰码盘值和天线阵面直角坐标系中的X轴(即：天线横轴)与水平面平行的横滚角，然后驱动天线到指定的方位、俯仰位置以及天线横轴姿态位置来完成对雷达调平功能。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)利用姿态角传感系统上报到计算机的车体姿态数据，通过坐标变换建立雷达数字平台来调整天线横轴姿态，实现雷达调平，而不需直接调整雷达工作平台。该雷达数字平台调平方法改变了传统的雷达调平实现方式，是一种新型雷达调平实现方式，具有结构简单、可靠、调平精度高、稳定性好等特点，可推广应用到其它同类型雷达中。

(2)采用一套电动调平机构推动天线绕Z轴旋转实现调平功能，代替传统或现有的雷达使用三套或四套支撑腿调平装置完成雷达的调平功能。

(3)新型雷达调平方法具有调平范围大、不受地理位置限制、不受雷达载车底盘限制、通用性强等特点。

(4)新型雷达调平方法使雷达架设和撤收时间缩短，雷达的机动性能提高，雷达战场生存能力增加，并具有调平操作简单、方便、快捷等特点。

附图说明

图1为本发明雷达数字平台调平装置的组成图

图2为本发明雷达数字平台调平方法数学模型

图3(a)为本发明调平装置在某履带式载车雷达工作状态试验图

图3(b)为本发明调平装置在某履带式载车雷达运输状态试验图

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的具体实施方式进行详细叙述。

图1为本发明新型雷达数字平台调平装置组成图。

参见图1，本发明的雷达数字平台调平装置由姿态角传感系统1，驱动控制组合2，方位转台3，方位码盘4，方位驱动机构5，俯仰驱动机构6，俯仰码盘7，天线支撑背架8，滚珠轴承9，天线调平机构10等组成。其中驱动控制组合2，方位转台3，方位码盘4，方位驱动机构5，俯仰驱动机构6，俯仰码盘7，天线支撑背架8和滚珠轴承9组成了天线驱动控制系统。天线支撑背架8分别与方位转台3和俯仰驱动机构6相连；天线11通过滚珠轴承9连接支撑在天线支撑背架8上，天线11固定在滚珠轴承9外圈上，滚珠轴承9内圈在天线支撑背架8上，这样天线11可绕滚珠轴承9(即：天线阵面垂直轴Z)进行一维旋转运动；方位转台3通过方位驱动机构5实现天线11方位转动，俯仰驱动机构6实现天线11俯仰转动；所述俯仰驱动机构6设置为两个，连接在天线支撑背架8与方位转台3左右两侧，驱动并支撑天线的俯仰运动。姿态角传感系统1和驱动控制组合2安装在方位转台3内，姿态角传感系统1把当前车体的姿态数据(横倾角、纵倾角以及姿态角传感系统纵倾基准轴与北向的夹角)传感到计算机建立数字平台，作为控制雷达调平的数字依据。

从图1中还看出，天线调平机构10由电机、齿轮、丝杠、感应限位开关和手轮组成。天线调平机构10安装固定在天线支撑背架8上，其丝杠端固定在天线11上，电机带动齿轮和丝杠转动，丝杠推动天线11绕滚珠轴承9(即：天线阵面垂直轴Z)进行一维旋转运动，实现天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，以完成雷达的电动调平功能。在天线调平机构10中，感应开关具有检测丝杠撤收到位和最大限位功能，保证天线撤收到位和安全可靠地旋转，同时在天线调平机构10的电机轴一端安装有手轮，通过转动手轮带动丝杠转动，丝杠推动天线11绕滚珠轴承9进行一维旋转运动，并观看天线11上的水泡12，通过转动手轮将水泡12调平，实现天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，以完成手动调平功能。

图2为本发明雷达数字平台调平方法数学模型。

本发明利用雷达工作时只在方位上进行±45°电扫描的特点，提出了一种新型雷达数字平台调平方法。该方法基于数字平台技术和天线一维(即：天线阵面垂直轴Z)调平技术，实现天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，避免了对雷达载车整车调平。采用雷达数字平台调平方法改变了传统的雷达调平实现方式，这种新型雷达数字平台调平方法利用姿态角传感系统传感出车体姿态和坐标转换数学模型建立数字平台，计算出雷达工作时的天线方位码盘值、天线俯仰码盘值和天线阵面直角坐标系中的X轴(即：天线横轴)与水平面平行的横滚角，然后驱动天线到指定的方位、俯仰位置以及天线横轴姿态位置来完成对雷达调平功能。

具体说来，参见图2，雷达数字平台调平方法是利用姿态角传感系统得到当前车体的横倾角α、纵倾角β以及姿态角传感系统纵倾基准轴与北向的夹角γ，通过天线驱动控制系统得到天线方位码盘值λ，通过这些数据(α、β、γ、λ)计算出方位码盘0位的方位角δ和方位码盘0位的倾角Ψ，形成初始标定参数(α、β、λ、δ、Ψ)。雷达工作时，当雷达需工作在方位角A、俯仰角E时，终端计算机依据初始标定参数(α、β、λ、δ、Ψ)计算出雷达工作时的天线方位码盘值A1、天线俯仰码盘值E1和使天线阵面直角坐标系中的X轴(即天线横轴)与水平面平行的横滚角η，建立雷达数字(A 1、E 1和η)平台，将A1、E1发送到天线驱动控制系统，天线驱动控制系统驱动天线方位、俯仰到指定位置(A1、E1)，然后将横滚角η发送到天线调平机构，天线调平机构驱动天线到指定的横滚角η位置，从而实现了雷达工作在指定的方位角A、俯仰角E上，同时也保证了天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，从而使雷达波束在各个方位扫描方向上的高低角保持不变，实现了对雷达调平功能。

本发明的调平方法和调平装置只采用一套电动调平驱动机构推动天线绕天线横轴旋转实现调平功能，代替传统或现有的雷达四个支撑腿调平装置完成雷达的调平功能。这种新型雷达数字平台调平方法具有调平范围大、不受地理位置限制、不受雷达载车底盘限制、通用性强等特点，在某履带式载车雷达调平中试用了本发明方案，调平范围设计为-30°～+30°，调平精度小于3′，这样的调平范围适应履带式载车最大爬坡度30°和最大侧倾行驶坡度25°的要求。

图3(a)和图3(b)分别为本发明在某履带式载车雷达中作试验的工作状态和运输状态实例，用于验证本发明能否满足这两种使用状态要求。

参见图3(a)，将新型雷达数字平台装置应用在某履带式载车雷达中，雷达安装在履带式底盘载车13上，雷达工作时，天线驱动控制系统通过方位码盘4和方位驱动机构5将天线11转动到指定的方位上，通过俯仰驱动机构6和俯仰码盘7推动天线支撑背架8转动、使天线11到达指定的俯仰角度位置上，然后，天线调平驱动机构10推动天线11绕滚珠轴承9进行一维旋转运动，使天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，完成雷达的调平功能。

参见图3(b)，雷达运输时，天线调平驱动机构10推动天线11绕滚珠轴承9转动到起始位置，天线驱动控制系统控制天线11进行方位和俯仰转动，将天线11转动至运输位置，雷达处于运输状态。

Claims (6)

1.一种雷达数字平台调平装置，其特征在于：该调平装置由姿态角传感系统(1)、天线驱动控制系统和天线调平机构(10)组成，天线驱动控制系统由驱动控制组合(2)、方位转台(3)、方位码盘(4)、方位驱动机构(5)、俯仰驱动机构(6)、俯仰码盘(7)、天线支撑背架(8)和滚珠轴承(9)组成，所述滚珠轴承(9)构成天线阵面垂直轴Z；天线支撑背架(8)分别与方位转台(3)和俯仰驱动机构(6)相连，可进行方位和俯仰旋转运动；天线(11)通过滚珠轴承(9)连接支撑在天线支撑背架(8)上；天线调平机构(10)安装固定在天线支撑背架(8)上；姿态角传感系统(1)和驱动控制组合(2)安装在方位转台(3)内，姿态角传感系统传感出当前车体的横倾角、纵倾角以及姿态角传感系统纵倾基准轴与北向的夹角；天线驱动控制系统通过方位码盘(4)和方位驱动机构(5)将天线(11)转动到指定的方位上，通过俯仰驱动机构(6)和俯仰码盘(7)推动天线支撑背架(8)转动、使天线(11)到达指定的俯仰角度位置上，然后，天线调平机构(10)推动天线(11)绕滚珠轴承(9)进行一维旋转运动，使天线阵面直角坐标系中的X轴即天线横轴与水平面平行，完成雷达的调平。

2.根据权利要求1所述的雷达数字平台调平装置，其特征在于：所述天线调平机构(10)由电机、齿轮、丝杠、感应限位开关和手轮组成，在电机轴一端安装手轮，实现手动调平；所述丝杠固定在天线(11)上，电机带动齿轮和丝杠转动，丝杠推动天线(11)绕滚珠轴承(9)作一维转动，实现天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行；感应限位开关用于检测丝杠撤收到位和进行最大限位，以保证调平的稳定性。

3.根据权利要求1所述的雷达数字平台调平装置，其特征在于：所述天线(11)固定在滚珠轴承(9)外圈上，滚珠轴承(9)内圈固定在天线支撑背架(8)上，使天线(11)能绕滚珠轴承(9)进行一维旋转运动。

4.根据权利要求1所述的雷达数字平台调平装置，其特征在于：所述俯仰驱动机构(6)设置为两个，连接在天线支撑背架(8)与方位转台(3)左右两侧，驱动并支撑天线的俯仰运动。

5.基于如权利要求1-4任意一项所述的雷达数字平台调平装置的调平方法，其特征在于：利用姿态角传感系统向终端计算机上报车体姿态数据，通过坐标变换建立数字平台，计算雷达工作时的天线方位码盘值、天线俯仰码盘值和天线阵面直角坐标系中的X轴即天线横轴与水平面平行的横滚角，然后驱动天线到指定的方位、俯仰位置以及天线横轴姿态位置来完成对雷达调平。

6.根据权利要求5所述的调平方法，其特征在于：利用姿态角传感系统获得的当前车体 的横倾角α、纵倾角β以及姿态角传感系统纵倾基准轴与北向的夹角γ，通过天线驱动控制系统得到天线方位码盘值λ，通过数据α、β、γ和λ计算出方位码盘0位的方位角δ 和倾角Ψ，形成初始标定参数α、β、λ、δ 、Ψ；当雷达需要工作在方位角A和俯仰角E时，终端计算机依据初始标定参数计算出雷达工作时的天线方位码盘值A1、天线俯仰码盘值E1和使天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行的横滚角η，建立雷达数字A1、E1和η平台，将A1、E1发送到天线驱动控制系统，天线驱动控制系统驱动天线方位和俯仰到指定位置A1和E1，然后将横滚角η发送到天线调平机构，天线调平机构驱动天线到指定的横滚角η位置，从而实现雷达工作在指定的方位角A、俯仰角E上，同时也保证了天线阵面直角坐标系中的X轴与水平面平行，从而使雷达波束在各个方位扫描方向上的高低角保持不变，实现了对雷达调平功能。 

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