RCS測量雷達伺服控制問題淺析

江戈

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

在制導武器的攻防對抗中，從發現、跟蹤、識別、攔截直到殺傷目標的過程,都牽涉到對目標信號特征的研究。其中RCS(雷達散射截面)既是表征目標對雷達波散射能力的量，又是頻率、極化、視向角等的函數，同時還是表述目標電磁散射特性的一個基本參數，因此，如何精確獲取它十分重要。

影響RCS動態測量精度的因素除頻率穩定度、功率穩定度、動態范圍等指標外，還有數據采集系統的誤差、航跡與航姿記錄系統誤差、時間同步誤差等因素。而測量雷達引導控制問題同樣會影響測量精度，若飛行中目標不在波束中心，則目標的照射功率就有起伏，這和功率穩定度的影響相似。RCS動態測量還需滿足如下條件：

1)平面波近似:一般要求在目標徑向和橫向上，入射場的變化在允許值之內。幅度變化一般可以忽略，要求相位變化<π/8，即橫向尺寸為D的目標距離必須大于遠場距離：R＞,對于尺寸15米的目標，波長3 cm時，遠場距離為：15 km。

3)信噪比要求：雷達回波是背景與目標回波場的矢量和，當目標的響應小于背景噪聲，或具有同樣幅度量級，測量就會有明顯的誤差。所以若要測量精度為1 dB，信噪比需大于20 dB。

總之，RCS的飛行試驗要求整個動態測量系統工作穩定可靠，包括配套的搜索跟蹤雷達和引導拖動系統。

1 雷達引導問題

1.1 系統結構和現象

由于改造后的S/X雙波段測量雷達沒有搜索跟蹤功能，所以必須有指示目標位置的引導設備：由C波段高精度航跡觀測雷達實時將目標位置信息送給引導處理計算機，經坐標變換和時延修正，解算出測量雷達應指向的角度，通過串口送給測量雷達的拖動及數采計算機。系統方框如圖1所示。

由于S/X波段雷達只能輸出與輸入模擬信號，不能接受外部數字化引導信息，所以將S/X波段同步機信號通過同步數字變換器轉換成角度與引導角度相減得到誤差角，D/A轉換后輸出誤差電壓，再由信號調理單元放大后去控制S/X波段雷達指向目標。

在實際使用中，發現S/X波段雷達偏離目標較大角度時，天線不能穩定下來，而是繞目標點來回擺動，且幅度越來越大無法停止。另外在跟蹤過程中若目標以較大角速度運動，就會丟失目標。也就是說引導系統的穩定性差。下面簡要分析S/X波段雷達天線控制系統，以了解系統傳遞函數的形式。

圖1 RCS測量雷達引導系統圖

1.2 系統傳遞函數

S/X波段雷達伺服控制系統是采用自整角機的位置隨動系統，天線驅動電機是無刷直流伺服電機，簡化的原理框如圖2所示。

確定各部分傳遞函數：

1)小角度差內，自整角機的輸出電壓近似與失調角成正比，所以自整角機的傳遞函數為比例環節，即：

2)相敏放大器將交流誤差電壓轉換成直流電壓，若相敏放大系數為Kp，濾波時間常數為Tp，則傳遞函數為：

圖2 雷達伺服控制系統原理圖

其中Ce是電機電動勢系數，Tm是電機的機電時間常數，T1是電樞回路的時間常數，一般很小。

5)減速器的輸入量是執行電動機的轉速n（或者角速度），單位r/min，輸出量為機械轉角θm（°），θm與n的關系為積分關系：若取時間t的單位為s，則為：取拉氏變換得到傳遞函數：Wg，減速器為積分環節，式中Kg=6/i為減速器的放大系數。

至此，除校正網絡以外的各環節傳遞函數已知，設校正網絡的傳遞函數為Wapr(s)。則系統的開環傳遞函數為：

位置隨動系統的結構形式，與校正網絡的選取有關，它可以決定系統屬于哪種類型。為簡單起見，可以將系統的傳遞函數簡寫為如下形式：

若位置調節器選用比例調節器，即Wapr(s)＝Kobj，則系統函數為W(s)=。這時位置隨動系統的結構屬于Ⅰ型系統。如果位置調節器采用帶有積分環節的調節器，如I，PI或PID調節器時，系統的開環傳遞函數可以表示成W(s)=，位置隨動系統就是一個Ⅱ型系統了。Ⅰ型和Ⅱ型系統是位置隨動系統常用的兩種典型結構，Ⅰ型系統對于位置輸入是無差的，對于加速度輸入不能適應，稱為一階無差系統。

S/X波段雷達自身控制系統的反饋電路有兩個，反追擺電路和轉矩限制電路。反追擺電路用簡單測速電橋將伺服電機的反電勢反饋回輸入端，可視為比例環節；轉矩限制電路也可視為比例環節，所以S/X波段雷達應屬于Ⅰ型系統。只要知道系統各環節參數，得到系統傳遞函數，即可選擇合適的校正網絡提高穩定性。

2 問題解決途徑

2.1 動態實時校正

S/X波段雷達在手動和其他雷達同步機直接拖動時是穩定的，在控制計算機產生誤差信號輸入時出現前面提到的現象。所以應在S/X波段雷達內部接入校正電路或者在控制計算機內實現數字校正網絡。這個辦法的難點是確定傳遞函數。由于S/X波段雷達技術說明書只介紹了控制系統工作原理，具體參數值（如伺服電機型號/時間常數）沒有列出，所以要想求出系統傳遞函數，可以用典型信號激勵系統并測量輸出來求得。

我們知道，衡量位置隨動系統穩態性能的唯一指標是穩態誤差。穩態誤差包括檢測元件引起的檢測誤差、系統結構參數和系統給定輸入信號引起的原理誤差，以及由負載變化等外部擾動信號引起的擾動誤差。其中，檢測誤差是不可避免的。系統的穩態值Es與輸入信號有關，同時也和系統本身的開環傳遞函數W(s)有關，即和W(s)中所含的積分器個數有關，或者說和系統的結構形式有關，可以進行串/并聯、前饋等校正。擾動如風吹天線、放大器飄移、電網電壓波動等對Ⅱ型系統影響較弱，所以應將系統校正為Ⅱ型系統。

2.2 提高數傳質量

采樣頻率的選擇對系統的性能有重大影響。采樣頻率低了，不僅會帶來較大的誤差，而且會使動態品質變壞，甚至可能引起不穩定。假設系統輸入信號的最大頻率為f，采樣頻率fs≥2f。但實際上這還是不夠的，這只是給出了采樣頻率的一個下限。采樣頻率也不能太高，以至于計算機完不成計算，或者伺服機構來不及響應。一般要求為雷達伺服系統帶寬的5－10倍，甚至稍大于10倍為宜。或者說大于開環截止頻率的10倍以上。之所以要使它大于10倍帶寬，其基本出發點在于將本質上是離散時間系統的微機控制系統，近似為連續時間系統，即零階保持器在這種情況下相位滯后很小，以至可以忽略。

本系統的同步數字轉換器采樣頻率為20次/秒，S/X波段系統閉環帶寬為方位角5-12弧度/秒，俯仰角3-10弧度/秒，<2 Hz，可以滿足。但引導數據速率不均勻，誤碼較多，造成影響很大?？梢圆捎霉饫w傳輸，以提高數據線路的抗干擾能力。

2.3 控制算法改進

一種理想的控制情形如下：雷達天線以最大加速度啟動，達到最大速度向目標位置移動，接近時以最大速度減速并停止在目標位置。要實現這樣的控制，可采用分段法（或BangBang控制）：將誤差分為大、中、小三個區，在大誤差區輸出最大控制信號，在中區設減速段，輸出相反的控制量減速。在小誤差區輸出正?？刂屏?。

這種算法需摸清系統的響應特性，必須通過不斷的試驗改進。

此外可采用模糊神經網絡等先進算法，專家控制器、神經網絡控制器、模糊控制器是三種典型的智能控制方法。由于專家系統在實際應用中有較多的問題和困難，目前智能控制主要集中在模糊控制、神經網絡控制應用上，特別是兩者的結合－模糊神經網絡。

從上文的分析可知，常規的控制方法主要針對集中參數的線性動態系統，要求對象必須可量化，且各種量化參數的關系能夠用微分方程或差分方程來描述，其顯著特點是控制系統過分依賴于數學解析的方法和控制系統的精確數學模型。然而，現代系統的復雜性、測量的不準確性以及系統動力學的不確定性，使得采用經典控制理論解決復雜的實際問題時顯得無能為力。而智能控制就是將人工智能與控制理論結合起來，完成更高級的控制功能，主要是應用專家系統、模糊控制及神經網絡理論等來實現自學習或自組織控制。

3 結語

通過對RCS動態測量系統的深入分析，得到測量雷達傳遞函數為I型系統。從傳遞函數矯正、伺服帶寬、引導數據傳輸、控制算法角度討論了問題的解決途徑，經后續使用驗證，上述解決方法都是可行有效的。

[1]李連生等.現代雷達伺服控制[M].北京：國防工業出版社,1987.

[2]劉世挺.雷達伺服控制技術的新發展[J].火控雷達技術,2002,31:33-35.