机载气象雷达天线控制系统
作者：方智觅
来源：《科技视界》2015年第34期
【摘要】机载气象雷达天线控制系统是机载气象雷达的重要组成部分，用来控制天线的运动，是飞机进行气象目标和地形探测的前提。

机载气象雷达天线控制系统是自动控制技术在雷达中具体应用的产物，它涉及多方面的技术知识。

【关键词】天线控制；步进电机；光电脉冲发生器
随着航空技术的不断发展，人们对飞机的要求也越来越高，这促进了雷达技术的不断发展。

机载气象雷达是雷达的一种，民用机载气象雷达的应用与发展则为飞行的安全性提供了可靠的保障。

目前，具有风切变预警功能的机载气象雷达在民航飞机上的重要作用不可低估，已成为民航飞机必不可或缺的重要电子设备。

机载气象雷达除了可以探测航路上的危险气象区域外，还可以用于观察地形并实现其他一些功能。

现代机载气象雷达可实现的功能有以下几个方面：
（1）探测航路前方扇形区域中的降雨区、冰雹区等气象区域；
（2）探测夹带着雨粒的湍流区域；
（3）观察飞机前下方的地形；
（4）发现航路上的山峰等障碍物；
（5）显示由其他系统输入的文字或图形信息；
（6）用作雷达导航信标。

气象雷达天线是一种方向性很强的X波段微波天线。

气象雷达发射机与接收机通过收发转换开关通过天线实现雷达信号的辐射与回波信号的接收。

在发射脉冲持续期内，气象雷达天线将发射机所产生的射频脉冲信号会聚成能量高度集中的雷达波束辐射到空中，在脉冲间隙期内（接收期内），目标所形成的反射回波由天线接收，输送给雷达接收机。

为了探测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前下方的地形，天线在辐射和接收雷达信号的同时，进行着往返的方位扫掠运动。

与此同时，天线还必须根据飞机俯仰姿态和倾斜姿态的实时变化，自动地进行相对于飞机机身平面的俯仰修正运动，以保持天线扫掠平面的稳定。

此外，还可在一定范围内对天线进行俯仰调节。

为了实现雷达系统对天线运动及姿态的控制，天线组中除了用以辐射雷达信号的天
线（辐射器）本身外，还包括各种用以驱动天线运动的电机、放大器及控制器件，因而使天线组变得甚为复杂。

气象雷达的天线组成可以分为天线（辐射器）与天线基座两大部分，它们是由各种微波器件、低频部件、机电器件及支架等组成的。

现代气象雷达天线通常都是视线稳定系统。

这样的天线可以进行围绕方位轴的方位扫掠和围绕俯仰轴的俯仰稳定运动。

设飞机的横轴为X轴、纵轴为Y轴、垂轴为Z轴，则天线安装基准面是严格地平行于飞机的X-Z平面、垂直于飞机纵轴Y的。

天线基座的端面与安装孔等是精密加工的，因此，只要按规定正确地安装天线就可以保证天线基座端面与飞机X-Z平面的相互平行。

这样，天线辐射器的扫掠与俯仰运动，都可以看成是相对于飞机三轴坐标的运动。

辐射器的方位扫掠是围绕方位轴（垂轴）的转动。

在正常情况下，方位电机驱动辐射器往复扫掠的。

波束轴OM与纵轴Y之间的夹角，就是天线的方位角j。

当天线法线指向飞机正前方时，波束轴与飞机纵轴相重合，这就是方位0°方向。

设飞机平飞时，其机身平面与飞机所处的飞行高度层平面相重合。

这样，当雷达工作于气象方式时，在天线方位扫掠过程中，波束依次地照射X-Y平面内+80°～-80°扇区中各个方位的目标，从而使雷达获得飞行高度层平面中前方扇区内气象目标的完整信息，形成X-Y平面的位置分布图形。

如果将天线下俯，使波束轴指向地面，则可获得飞机前下方大地表面的地形特征图像，这就是雷达工作于地图方式的情况。

天线的方位扫掠速率指每分钟天线扫掠的次数。

机载气象雷达的方位扫掠速率为每分钟14～18次。

常用的方位扫掠速率为每分钟15次。

如果扫掠范围为160°，则天线的扫掠速度为每秒40°。

这样，天线从80°扫掠至-80°所需的时间为4秒钟。

现代气象雷达的天线方位扫掠速率是恒定的。

但在选择扇区扫掠时，天线的扫掠范围减少一半，其扫掠速率随之增加一倍。

一般情况下，当飞机沿航路水平飞行时，飞行员所关心的是前方航路上的气象状况。

设此时飞机的俯仰角是0°（机身平面X-Y与水平面的夹角为0°），则在天线往复扫掠的过程中，天线波束轴OM应始终保持在飞行高度层平面中，以探测该平面中的目标信息。

然而，当飞机的俯仰角不等于0°时，天线波束轴的扫掠平面也不再能保持与水平面平行。

例如，当飞机上仰时，若天线的俯仰姿态不作修正，则在方位0°时，天线波束轴OM与水平面的夹角b等于飞机的俯仰角j。

可见在这种情况下，雷达所探测的并不是水平航路上的气象信息，即雷达显示器上的图像已不再是飞行高度层扇形区域中的平面分布图形了，有时，飞行员需要了解前方雨区的纵高或俯仰面中的目标信息。

调节雷达控制盒（或显示器）上的天线俯仰旋钮（TILT），即可按需要使天线波束轴的扫掠平面与水平面成一定交角。

此时，雷达显示器上所显示的也不再是水平航路上的目标分布图形，而是由俯仰旋钮所置定的俯仰面中的目标剖面图像。

飞机倾斜时天线俯仰修正的速率范围及误差与飞机俯仰时相同。

在实际飞行中，飞机的姿态往往既有俯仰又可能倾斜。

在这种情况下，天线所进行的是综合的俯仰修正运动，以始终把天线波束轴的扫掠平面稳定在飞机高度层平面中。

调节天线俯仰旋钮时，在显示器上可以同步地显示出天线的人工俯仰角和方向。

有的雷达用“1.00”表示上仰1°（下俯时为-）。

有的雷达用+，-表示上仰和下俯。

天线俯仰调节的范围为±15°。

天线控制系统在机载气象雷达天线控制系统的研制过程中有着重要的作用。

对系统的反复分析，建立控制系统的数学模型，是制定系统控制策略的前提和依据，更有利于我们更好地了解这个系统。

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[责任编辑：张涛]。