CN103259089A - 一种x波段气象雷达天线控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X波段气象雷达天线控制方法和控制装置，包括以下步骤：驱动控制电路接收外部上位机对雷达天线的转动信号并传输至步进电机驱动器；步进电机驱动器传输至步进电机以控制雷达天线旋转；根据步进电机旋转一圈所需的脉冲数获得每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度值；方位和俯仰旋转变压器分别接收将其转化成电信号后经过至转换板后传输至译码电路；译码电路进行译码处理同时计算出雷达天线实际的方位和俯仰旋转的角度，将得到的实际角度值与上述步骤中得到的每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度值进行比对，根据两者的差值对脉冲输出个数进行调整。本发明具有控制方便、控制精度高、误差小、并能够实时进行纠正的特点。

Description

一种X波段气象雷达天线控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及一种可以实现X波段气象雷达天线工作方式的控制方法和装置，如PPI、RHI等扫描方式，并且能实时纠正在旋转过程中出现的方位和俯仰偏差，数据计算机自动控制领域。

背景技术

雷达天线控制系统是雷达的一个重要组成部分，用来控制雷达天线的转动，包括方位（水平）转动和俯仰（垂直）转动，达到确定目标的位置并进行指示的目的。

步进电机是机电控制中的一种常用的执行结构，在自动化仪表、自动控制、机器人、自动生产流水线等领域的应用相当广泛。它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗的说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可控制角位移量，从而达到定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。但步进电机在实际运转过程中会存在脉冲丢失的现象，也就是俗称的“丢步”现象，此时引入旋转变压器（编码器）到步进电机系统中形成闭环结构，通过旋转编码器精确测定雷达天线在实际工作状态中所转的角度来校正步进电机工作过程中丢失脉冲所造成的角度的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可以实现对雷达天线进行方位俯仰旋转的控制，并解决在工作过程中出现步进脉冲数据丢失的控制方法和装置。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种X波段气象雷达天线控制方法，包括以下步骤：

步骤（1）驱动控制电路接收外部上位机发送的对雷达天线的控制信号，并将该控制信号转化为对步进电机驱动控制器的控制信号后传输至步进电机驱动控制器，同时启动脉冲计数器开始计数；

步骤（2）步进电机驱动控制器接收到上述控制信号后将其转化为步进电机的驱动控制信号传输至步进电机，步进电机控制雷达天线实现方位和俯仰方向的旋转；

步骤（3）根据步进电机旋转一圈所需的脉冲数和步进电机与雷达天线之间的转速比获得雷达天线旋转一圈所需要的总的脉冲数，根据上述雷达天线旋转一圈所需要的总的脉冲数获得每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度值；再根据每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度乘以脉冲计数器记录的雷达天线旋转到某一角度时的脉冲数量得到雷达天线旋转的角度值；

步骤（4）方位旋转变压器和俯仰旋转变压器分别接收到雷达天线的方位和俯仰旋转的角度信息并将其分别转化成电信号，然后将此电信号分别传输至方位转换板和俯仰转换板，方位转换板和俯仰转换板分别将接收到的电信号转化为数字信号后传输至译码电路； 

步骤（5）译码电路对接收到的数字信号进行译码处理，然后获得雷达天线实际方位和俯仰旋转的角度值后传输至驱动控制电路，所述驱动控制电路将得到的实际方位和俯仰的角度值与步骤（3）中脉冲法得到的雷达天线旋转的角度值进行比对，根据两者的差值对脉冲输出个数进行调整来校正步进电机工作过程中丢失脉冲所造成的角度的误差。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（1）中驱动控制电路接收的转动信号包括转动速度、转动方向、转动时间信号，并将上述信号转化为控制步进电机驱动器的脉冲信号、使能信号、方向使能信号。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（3）中获得每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度具体步骤为：

步骤（31）根据步进电机的步距角得到在没有细分的条件下雷达天线旋转一周所需的脉冲数；设置步进电机驱动器的细分数后将步进电机驱动控制器的细分数乘以上述脉冲数得到步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数；

步骤（32）再根据步进电机与雷达天线的转速比，利用步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数乘以转速比得到雷达天线旋转一周所需的总的脉冲数量；

步骤（33）利用360°除以步骤（32）中得到的雷达天线旋转一周所需的总的脉冲数量得到每个步进脉冲所对应的角度值，再利用该每个步进脉冲对应的角度值乘以脉冲计数器记录的雷达天线旋转到某一角度时的脉冲数量得到雷达天线旋转的角度值。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（4）中方位和俯仰旋转变压器分别以正北方向为方位旋转起始点、以水平方向为俯仰旋转起始点。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（5）中所述的实际方位和俯仰的角度值与脉冲法得到的雷达天线旋转的角度值的差值在0.09°以上时，对脉冲输出个数进行调整。

作为本发明的一种优选技术方案：当雷达天线转到正北和水平位置时，脉冲计数器记录的脉冲信息和角度信息分别清零。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（32）中步进电机和雷达天线的转速比为50:1。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（5）中对脉冲输出个数的调整是根据雷达天线旋转的角度对应的脉冲数减去达天线实际的方位和俯仰旋转角度对应的脉冲数进行调整。

一种基于上述X波段气象雷达天线控制方法的控制装置，包括驱动控制电路、方位驱动控制器、方位控制电机、方位旋转变压器、方位转换板、俯仰驱动控制器、俯仰控制电机、俯仰旋转变压器、俯仰转换板、译码电路，其中驱动控制电路分别与方位驱动控制器、俯仰驱动控制器连接；所述方位驱动控制器与方位控制电机连接；所述俯仰驱动控制器与俯仰控制电机连接；所述方位控制电机、俯仰控制电机分别与外部雷达天线连接；所述外部雷达天线分别与方位旋转变压器、俯仰旋转变压器连接；所述方位旋转变压器与方位转换板连接；所述俯仰旋转变压器与俯仰转换板连接；所述俯仰转换板、方位转换板分别与译码电路连接；所述译码电路与驱动控制电路相连接。

本发明根据脉冲个数计算的旋转角度与通过旋转变压器得到的角度进行比对，如果计算角度与得到角度出现偏差则调整步进脉冲来调整旋转角度，可以有效改善脉冲丢失的问题，具有天线控制方便、控制精度高、误差小、并能够实时进行方位俯仰纠正的特点。

附图说明

图1为本发明的一种X波段气象雷达天线控制方法和控制装置的结构示意图。

图2为本发明的一种X波段气象雷达天线控制方法和控制装置的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图2所示，本发明涉及了一种X波段气象雷达天线控制方法，包括以下步骤：

步骤（1）驱动控制电路接收外部上位机发送的对雷达天线的控制信号，并将该控制信号转化为对步进电机驱动控制器的控制信号后传输至步进电机驱动控制器，同时启动脉冲计数器开始计数；

步骤（2）步进电机驱动控制器接收到上述控制信号后将其转化为步进电机的驱动控制信号传输至步进电机，步进电机控制雷达天线实现方位和俯仰方向的旋转；

步骤（3）根据步进电机旋转一圈所需的脉冲数和步进电机与雷达天线之间的转速比获得雷达天线旋转一圈所需要的总的脉冲数，根据上述雷达天线旋转一圈所需要的总的脉冲数获得每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度值；再根据每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度乘以脉冲计数器记录的雷达天线旋转到某一角度时的脉冲数量得到雷达天线旋转的角度值；

步骤（4）方位旋转变压器和俯仰旋转变压器分别接收到雷达天线的方位和俯仰旋转的角度信息并将其分别转化成电信号，然后将此电信号分别传输至方位转换板和俯仰转换板，方位转换板和俯仰转换板分别将接收到的电信号转化为数字信号后传输至译码电路； 

步骤（5）译码电路对接收到的数字信号进行译码处理，然后获得雷达天线实际方位和俯仰旋转的角度值后传输至驱动控制电路，所述驱动控制电路将得到的实际方位和俯仰的角度值与步骤（3）中脉冲法得到的雷达天线旋转的角度值进行比对，根据两者的差值对脉冲输出个数进行调整来校正步进电机工作过程中丢失脉冲所造成的角度的误差。

本发明的具体的实现步骤如下：

（一）、首先设置雷达天线旋转参数，如PPI、RHI等扫描方式。驱动控制电路接收根据上位机所设置的对雷达天线的转动速度、转动方向、转动时间等信息，并将上述信号转化为控制步进电机驱动器的脉冲信号、使能信号、方向使能信号。所产生的脉冲信号的重复频率取决于雷达天线的转速；转速越快重复频率越短、反之则越长。使能信号则是控制驱动器工作与否。方向控制信号则是控制雷达天线顺时针或者逆时针旋转。

（二）、步进电机驱动器将控制信号转化为二相步进电机的驱动控制信号驱动步进电机正常工作，步进电机最终控制雷达天线实现方位和俯仰方向的旋转。而雷达在水平方向和正北方向都设置有相位开关。方位每旋转到正北也即标定的从359°重新跳转到0°重新开始旋转、实现0~360度分辨率可以达到0.036°的方位旋转。同理水平位0°、垂直向上为90°，因此可实现方位0~90的定位。

（三）、步进电机驱动控制器包括方位驱动控制器和俯仰驱动控制器，步进电机包括方位控制电机和俯仰控制电机。根据步进电机旋转一圈所需的脉冲数、步进电机驱动控制器所使用的系分数得到步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数，再根据步进电机与雷达天线的转速比可以计算得到雷达天线旋转一周所需的总的提供给步进电机的总的脉冲数量。根据此数量可以计算得到每个步进脉冲多对应雷达天线旋转的角度多大。而旋转速度则是在每转一周的所需要的总的脉冲数量的条件下相邻脉冲之间的时间间隔，即脉冲重复周期来决定的。具体的过程为：先根据步进电机的步距角得到在没有细分的条件下雷达天线旋转一周所需的脉冲数；再设置步进电机驱动器的细分数后将步进电机驱动器的细分数乘以上述脉冲数得到步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数；然后，根据步进电机与雷达天线的转速比，利用步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数除以转速比得到雷达天线旋转一周所需的总的脉冲数量；最后，利用360°除以前一步骤中得到的雷达天线旋转一周所需的总的脉冲数量得到每个步进脉冲所对应的角度值，再利用该每个步进脉冲对应的角度值乘以雷达天线旋转到某一角度时的脉冲数量得到在没有脉冲丢失的情况下雷达天线旋转的角度值。步进电机和雷达天线的转速比可以为50:1，即天线旋转一圈则步进电机旋转50圈。 

（四）、通过方位和俯仰的旋转变压器来实时监控方位旋转角度和俯仰旋转角度，以正北方向为方位旋转起始点、以水平方向为俯仰旋转起始点。得到的方位和俯仰信息分别送至方位和俯仰旋转变压器转换板，并将转换后的数据送至译码电机通过一定的算法解析出方位角度和俯仰角度。通过方位和俯仰旋转变压器将方位和俯仰旋转的角度信息转化成电信号，并将此信号送至旋转变压器信号转换板，将其角度信号转化为数字信号，系统的译码电路将该数字信号进行译码处理便可计算出方位和俯仰实时旋转的角度信息，同时反馈至驱动控制电路并通过相关算法纠正丢失脉冲驱动信号。

（五）、将得到的方位和俯仰角度与步骤（三）中提到的通过脉冲法获得的角度进行比对，因为旋转变压器的误差经度非常高而脉冲在驱动步进电机过程中步进电机会丢失脉冲，因此以通过旋转变压器得到的角度为标准进行计算。当两者结果出现一定的偏差时就调整脉冲输出个数来纠正与实践角度之间的差异。并在每旋转一周结束后清零，重新计数脉冲数量。由于通过旋转变压器得到的旋转角度的误差很小，而通过步进脉冲驱动步进电机而算出的旋转角度存在丢脉冲的问题，因此计算误差较大。此时我们根据反馈的角度信息与通过脉冲得到的脉冲进行比对，如果发现丢脉冲的情况则实施根据反馈结果进行调整并补齐丢失脉冲，使两者结果保持一致或者在允许的误差范围内即可。实际方位和俯仰的角度值与脉冲法得到的雷达天线旋转的角度值的差值可以在0.09°以上时，对脉冲输出个数进行调整，当两者之间的差值大于等于0.09°的时候，对脉冲输出个数的调整的方式可以为根据雷达天线旋转的角度对应的脉冲数减去达天线实际的方位和俯仰旋转角度对应的脉冲数进行调整，这样在每旋转一周总脉冲数一定的情况下可以有效的纠正实际旋转过程中所丢失的脉冲数。

通过上述算法可以根据实际角度来计算出在每圈固定输出脉冲数量的前提下来正确纠正在实际旋转过程中所丢失的脉冲数量，并进行正确纠正。

一种基于上述X波段气象雷达天线控制方法的控制装置，如图1所示，包括驱动控制电路、方位驱动控制器、方位控制电机、方位旋转变压器、方位转换板、俯仰驱动控制器、俯仰控制电机、俯仰旋转变压器、俯仰转换板、译码电路，其中驱动控制电路分别与方位驱动控制器、俯仰驱动控制器连接；所述方位驱动控制器与方位控制电机连接；所述俯仰驱动控制器与俯仰控制电机连接；所述方位控制电机、俯仰控制电机分别与外部雷达天线连接；所述外部雷达天线分别与方位旋转变压器、俯仰旋转变压器连接；所述方位旋转变压器与方位转换板连接；所述俯仰旋转变压器与俯仰转换板连接；所述俯仰转换板、方位转换板分别与译码电路连接；所述译码电路与驱动控制电路相连接。

其中，驱动控制电路包括核心处理器FPGA，驱动芯片、千兆以太网通信模块，其中千兆以太网通信模块一端与核心处理器FPGA连接，另一端与外部上位机连接；所述核心处理器FPGA与驱动芯片连接；所述驱动芯片分别与方位驱动控制器、俯仰驱动控制器连接。驱动控制电路中还包括脉冲计数器，当雷达天线转到正北和水平位置时，脉冲计数器记录的脉冲信息和角度信息分别清零。所述方位和俯仰旋转变压器分别以正北方向为方位旋转起始点、以水平方向为俯仰旋转起始点。

下面结合一个具体的实施例进行计算：

雷达天线水平从正北开始旋转，垂直从水平开始，水平和方位的原理是相同的，现以水平为例进行说明。

假如当通过方位旋转变压器得到的方位角度为18.00°时，而正好在此时我通过脉冲计数得到的角度值为18.09°，所以两者的误差正好为0.09°，达到我们设定的门限值就需要进行纠正。此时通过我们脉冲计数得到的角度的对应的脉冲数则为18.09/0.00018=100500个，而实际通过旋转变压器得到的角度为18°对应的脉冲数则为100000个，所以就会有100500-100000=500个脉冲丢失，因此就需要将脉冲累计数调整为100000个，使其和通过旋转变压器的反馈值相同来纠正所丢失的脉冲数量。每当两者之间的角度误差大于等于误差值时就要进行调整。使其两者误差控制在0.1°以内。

因此，本发明根据脉冲个数计算的旋转角度与通过旋转变压器得到的角度进行比对，如果计算角度与得到角度出现偏差则调整步进脉冲来调整旋转角度，可以有效改善脉冲丢失的问题，具有天线控制方便、控制精度高、误差小、并能够实时进行方位俯仰纠正的特点。

Claims (9)

1.一种X波段气象雷达天线控制方法，包括以下步骤：

步骤（1）驱动控制电路接收外部上位机发送的对雷达天线的控制信号，并将该控制信号转化为对步进电机驱动控制器的控制信号后传输至步进电机驱动控制器，同时启动脉冲计数器开始计数；

步骤（2）步进电机驱动控制器接收到上述控制信号后将其转化为步进电机的驱动控制信号传输至步进电机，步进电机控制雷达天线实现方位和俯仰方向的旋转；

步骤（3）根据步进电机旋转一圈所需的脉冲数和步进电机与雷达天线之间的转速比获得雷达天线旋转一圈所需要的总的脉冲数，根据上述雷达天线旋转一圈所需要的总的脉冲数获得每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度值；再根据每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度乘以脉冲计数器记录的雷达天线旋转到某一角度时的脉冲数量得到雷达天线旋转的角度值；

步骤（4）方位旋转变压器和俯仰旋转变压器分别接收到雷达天线的方位和俯仰旋转的角度信息并将其分别转化成电信号，然后将此电信号分别传输至方位转换板和俯仰转换板，方位转换板和俯仰转换板分别将接收到的电信号转化为数字信号后传输至译码电路； 

步骤（5）译码电路对接收到的数字信号进行译码处理，然后获得雷达天线实际方位和俯仰旋转的角度值后传输至驱动控制电路，所述驱动控制电路将得到的实际方位和俯仰的角度值与步骤（3）中脉冲法得到的雷达天线旋转的角度值进行比对，根据两者的差值对脉冲输出个数进行调整来校正步进电机工作过程中丢失脉冲所造成的角度的误差。

2.根据权利要求1所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中驱动控制电路接收的转动信号包括转动速度、转动方向、转动时间信号，并将上述信号转化为控制步进电机驱动控制器的脉冲信号、使能信号、方向使能信号。

3.根据权利要求1所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中获得每个步进脉冲对应的雷达天线旋转的角度具体步骤为：

步骤（31）根据步进电机的步距角得到在没有细分的条件下雷达天线旋转一周所需的脉冲数；设置步进电机驱动控制器的细分数后将步进电机驱动器的细分数乘以上述脉冲数得到步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数；

步骤（32）再根据步进电机与雷达天线的转速比，利用步进电机旋转一圈所需要的步进脉冲总数乘以转速比得到雷达天线旋转一周所需的总的脉冲数量；

步骤（33）利用360°除以步骤（32）中得到的雷达天线旋转一周所需的总的脉冲数量得到每个步进脉冲所对应的角度值，再利用该每个步进脉冲对应的角度值乘以脉冲计数器记录的雷达天线旋转到某一角度时的脉冲数量得到雷达天线旋转的角度值。

4.根据权利要求1所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：所述步骤（4）中方位和俯仰旋转变压器分别以正北方向为方位旋转起始点、以水平方向为俯仰旋转起始点。

5.根据权利要求1所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：所述步骤（5）中所述的实际方位和俯仰的角度值与脉冲法得到的雷达天线旋转的角度值的差值在0.09°以上时，对脉冲输出个数进行调整。

6.根据权利要求1或3所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：当雷达天线转到正北和水平位置时，脉冲计数器记录的脉冲信息和角度信息分别清零。

7.根据权利要求1所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：所述步骤（32）中步进电机和雷达天线的转速比为50:1。

8.根据权利要求1所述的一种X波段气象雷达天线控制方法，其特征在于：所述步骤（5）中对脉冲输出个数的调整是根据雷达天线旋转的角度对应的脉冲数减去达天线实际的方位和俯仰旋转角度对应的脉冲数进行调整。

9.一种基于权利要求1所述的X波段气象雷达天线控制方法的装置，其特征在于：包括驱动控制电路、方位驱动控制器、方位控制电机、方位旋转变压器、方位转换板、俯仰驱动控制器、俯仰控制电机、俯仰旋转变压器、俯仰转换板、译码电路，其中驱动控制电路分别与方位驱动控制器、俯仰驱动控制器连接；所述方位驱动控制器与方位控制电机连接；所述俯仰驱动控制器与俯仰控制电机连接；所述方位控制电机、俯仰控制电机分别与外部雷达天线连接；所述外部雷达天线分别与方位旋转变压器、俯仰旋转变压器连接；所述方位旋转变压器与方位转换板连接；所述俯仰旋转变压器与俯仰转换板连接；所述俯仰转换板、方位转换板分别与译码电路连接；所述译码电路与驱动控制电路相连接。

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