機載氣象雷達天線控制系統(tǒng)

方智覓

（杭州蕭山國際機場有限公司，浙江 杭州 311207）

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對飛機的要求也越來越高，這促進了雷達技術(shù)的不斷發(fā)展。機載氣象雷達是雷達的一種，民用機載氣象雷達的應用與發(fā)展則為飛行的安全性提供了可靠的保障。目前，具有風切變預警功能的機載氣象雷達在民航飛機上的重要作用不可低估，已成為民航飛機必不可或缺的重要電子設(shè)備。機載氣象雷達除了可以探測航路上的危險氣象區(qū)域外，還可以用于觀察地形并實現(xiàn)其他一些功能?，F(xiàn)代機載氣象雷達可實現(xiàn)的功能有以下幾個方面：

（1）探測航路前方扇形區(qū)域中的降雨區(qū)、冰雹區(qū)等氣象區(qū)域；

（2）探測夾帶著雨粒的湍流區(qū)域；

（3）觀察飛機前下方的地形；

（4）發(fā)現(xiàn)航路上的山峰等障礙物；

（5）顯示由其他系統(tǒng)輸入的文字或圖形信息；

（6）用作雷達導航信標。

氣象雷達天線是一種方向性很強的X波段微波天線。氣象雷達發(fā)射機與接收機通過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)通過天線實現(xiàn)雷達信號的輻射與回波信號的接收。在發(fā)射脈沖持續(xù)期內(nèi)，氣象雷達天線將發(fā)射機所產(chǎn)生的射頻脈沖信號會聚成能量高度集中的雷達波束輻射到空中，在脈沖間隙期內(nèi)（接收期內(nèi)），目標所形成的反射回波由天線接收，輸送給雷達接收機。

為了探測飛機前方廣闊的扇形區(qū)域中的氣象目標或觀測飛機前方廣闊的扇形區(qū)域中的氣象目標或觀測飛機前下方的地形，天線在輻射和接收雷達信號的同時，進行著往返的方位掃掠運動。與此同時，天線還必須根據(jù)飛機俯仰姿態(tài)和傾斜姿態(tài)的實時變化，自動地進行相對于飛機機身平面的俯仰修正運動，以保持天線掃掠平面的穩(wěn)定。此外，還可在一定范圍內(nèi)對天線進行俯仰調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)雷達系統(tǒng)對天線運動及姿態(tài)的控制，天線組中除了用以輻射雷達信號的天線（輻射器）本身外，還包括各種用以驅(qū)動天線運動的電機、放大器及控制器件，因而使天線組變得甚為復雜。

氣象雷達的天線組成可以分為天線（輻射器）與天線基座兩大部分，它們是由各種微波器件、低頻部件、機電器件及支架等組成的?，F(xiàn)代氣象雷達天線通常都是視線穩(wěn)定系統(tǒng)。這樣的天線可以進行圍繞方位軸的方位掃掠和圍繞俯仰軸的俯仰穩(wěn)定運動。設(shè)飛機的橫軸為X軸、縱軸為Y軸、垂軸為Z軸，則天線安裝基準面是嚴格地平行于飛機的X-Z平面、垂直于飛機縱軸Y的。天線基座的端面與安裝孔等是精密加工的，因此，只要按規(guī)定正確地安裝天線就可以保證天線基座端面與飛機X-Z平面的相互平行。這樣，天線輻射器的掃掠與俯仰運動，都可以看成是相對于飛機三軸坐標的運動。輻射器的方位掃掠是圍繞方位軸（垂軸）的轉(zhuǎn)動。在正常情況下，方位電機驅(qū)動輻射器往復掃掠的。波束軸OM與縱軸Y之間的夾角，就是天線的方位角j。當天線法線指向飛機正前方時，波束軸與飛機縱軸相重合，這就是方位0°方向。設(shè)飛機平飛時，其機身平面與飛機所處的飛行高度層平面相重合。這樣，當雷達工作于氣象方式時，在天線方位掃掠過程中，波束依次地照射X-Y平面內(nèi)+80°～-80°扇區(qū)中各個方位的目標，從而使雷達獲得飛行高度層平面中前方扇區(qū)內(nèi)氣象目標的完整信息，形成X-Y平面的位置分布圖形。如果將天線下俯，使波束軸指向地面，則可獲得飛機前下方大地表面的地形特征圖像，這就是雷達工作于地圖方式的情況。

天線的方位掃掠速率指每分鐘天線掃掠的次數(shù)。機載氣象雷達的方位掃掠速率為每分鐘14～18次。常用的方位掃掠速率為每分鐘15次。如果掃掠范圍為160°，則天線的掃掠速度為每秒40°。這樣，天線從80°掃掠至-80°所需的時間為4秒鐘。

現(xiàn)代氣象雷達的天線方位掃掠速率是恒定的。但在選擇扇區(qū)掃掠時，天線的掃掠范圍減少一半，其掃掠速率隨之增加一倍。一般情況下，當飛機沿航路水平飛行時，飛行員所關(guān)心的是前方航路上的氣象狀況。設(shè)此時飛機的俯仰角是0°（機身平面X-Y與水平面的夾角為0°），則在天線往復掃掠的過程中，天線波束軸OM應始終保持在飛行高度層平面中，以探測該平面中的目標信息。然而，當飛機的俯仰角不等于0°時，天線波束軸的掃掠平面也不再能保持與水平面平行。例如，當飛機上仰時，若天線的俯仰姿態(tài)不作修正，則在方位0°時，天線波束軸OM與水平面的夾角b等于飛機的俯仰角j。可見在這種情況下，雷達所探測的并不是水平航路上的氣象信息，即雷達顯示器上的圖像已不再是飛行高度層扇形區(qū)域中的平面分布圖形了，有時，飛行員需要了解前方雨區(qū)的縱高或俯仰面中的目標信息。調(diào)節(jié)雷達控制盒（或顯示器）上的天線俯仰旋鈕（TILT），即可按需要使天線波束軸的掃掠平面與水平面成一定交角。此時，雷達顯示器上所顯示的也不再是水平航路上的目標分布圖形，而是由俯仰旋鈕所置定的俯仰面中的目標剖面圖像。

飛機傾斜時天線俯仰修正的速率范圍及誤差與飛機俯仰時相同。在實際飛行中，飛機的姿態(tài)往往既有俯仰又可能傾斜。在這種情況下，天線所進行的是綜合的俯仰修正運動，以始終把天線波束軸的掃掠平面穩(wěn)定在飛機高度層平面中。調(diào)節(jié)天線俯仰旋鈕時，在顯示器上可以同步地顯示出天線的人工俯仰角和方向。有的雷達用“1.00”表示上仰1°（下俯時為-）。有的雷達用+，-表示上仰和下俯。

天線俯仰調(diào)節(jié)的范圍為±15°。

天線控制系統(tǒng)在機載氣象雷達天線控制系統(tǒng)的研制過程中有著重要的作用。對系統(tǒng)的反復分析，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，是制定系統(tǒng)控制策略的前提和依據(jù)，更有利于我們更好地了解這個系統(tǒng)。

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