基于光电测量的船载测控天线副反射面位置检测*

刘四方**,梁　盛,李　培,刘向前

(中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214431)



基于光电测量的船载测控天线副反射面位置检测*

刘四方**,梁盛,李培,刘向前

(中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214431)

为消除馈源偏焦对天线跟踪性能的影响，首先，介绍了格里高利天线的结构及原理，分析了馈源偏焦对天线性能的影响；其次，采用光电测量原理，提出了基于光学检测的副反射面和馈源相对位置变化检测方法，通过比对测量电压值与标称电压值，从而为判断馈源是否偏焦提供依据，为设备问题的分析判断及故障的排查提供保障；最后，进行了半实物仿真实验，通过实验数据分析，结果表明该方法是有效的。

船载测控系统；测控天线；副反射面位置检测；馈源偏焦

1　引　言

测控天线是船载测控系统的重要组成部分，在目标航天器的发现、捕获、跟踪过程中处于首要位置，由主反射面、副反射面和馈源3个主要部分组成，其中副反射面支撑结构为四支柱式，即由4根支撑杆组成，支撑杆的一端固定于主反射面，另一端用于固定副反射面，使副反射面处于悬空的状态，受到船体振动影响较为厉害，导致其与馈源的相对位置发生变化，从而造成馈源的相位中心发生偏移，即产生馈源偏焦。偏焦问题是双反射面天线必须面对和解决的问题，诸多学者和工程技术人员对其进行过研究，如：文献[1]中提出寻找新的吻合面和偏转副反射面的两种解决偏焦问题的方法；文献[2-3]则通过公式推导了各种情况下允许的馈源最大偏焦距离。与文献[1-3]不同，本文通过光电测量方法，利用与标称电压值进行比对判断馈源偏焦，实现容易、便捷。同时，将结合文献[2-3]中方法对其进行优化。

2　格里高利天线的结构及原理

2.1天线的结构形式

目前我国船载测控系统的无线电天线[4-5]由主反射面、副反射面和馈源3个主要部分组成，主反射面为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面(卡塞格伦型)或旋转凹形椭球面(格里高利型)，馈源为单孔多模馈源。

本文以某系统的格里高利型天线为例进行阐述，其结构示意图如图1所示。

图1格里高利天线组成

Fig.1 Composition diagram of Gregory antenna

如图1所示，格里高利天线由主反射面、副反射面和馈源组成。

(1)主反射面：旋转抛物面；

(2)副反射面：旋转凹形椭球面，O1、O2为焦点；

(3)馈源：喇叭(波纹喇叭)，喇叭的相位中心与实焦点O2重合，O1为旋转凹形椭球面的虚焦点与主反射面的焦点重合。

2.2天线工作原理

根据椭球面的特性可知：

(1)从位于实焦点O2处的馈源产生的对椭球面(副反射面)的入射波，经过椭球面反射后均通过椭球的一个虚焦点O1；

(2)从椭球面上任一点到两个焦点O2与O1的距离为常数，即

O2M+MO1=O2K+KO1=n1，

(1)再根据抛物面特性——抛物面上任一点到焦点的距离与它到准线的距离相等，O1是抛物面的焦点，则有

O1M′+M′M″=O1K′+K′K″=n2。

(2)

将式(1)和式(2)相加，得

(3)

式中：n1、n2为常数。

即从位于焦点O2的馈源发出的球面波经椭球面、主面二次反射后，在抛物面口径K″M″处形成同相相场，使球面波变为平面波，进而在天线远场区形成“尖锐”波形。为了保证馈源辐射的球面波变为平面波，需使副反射面(旋转凹形椭球面)的1个实焦点与馈源的相位中心重合、1个实焦点与天线的虚焦点重合。

由此可知，天线正常使用时，馈源相位中心(天线远场区球面波的中心)必须与椭球面的实焦点重合，否则即为馈源偏焦。

3　馈源偏焦对天线性能的影响

3.1馈源偏焦[6-7]

馈源偏焦主要是馈源和副反射面(椭球面)的位置改变所致，这种变化可以由馈源、副反射面或二者位置均改变引起。从安装结构上看，馈源位置发生变化引起偏焦的概率远低于副反射面位置发生变化引起的概率。副反射面位置变化包括副反射面倾斜变化、副反射面沿轴线O1O2变化等情况，而且实际中情况更加复杂，一般表现为相位中心沿轴线O1O2在焦点O2前后偏移，即纵向偏焦；相位中心沿轴线O1O2的垂直方向偏移，即横向偏焦。

3.2馈源偏焦的影响

根据入射角等于反射角的几何光学原理，偏焦后反射波已经不再平行于O1O2轴而远离或倾向O1O2轴，因此波前不再是平面，也就是说此时抛物面天线已得不到同相的平面口径场。

3.2.1纵向偏焦

纵向偏焦后，各射线经反射到达抛物面口径上的路程不一致，导致口径面上相位呈平方律误差分布，这将导致天线方向图波束展宽，旁瓣增大，增益降低，但最大辐射方向仍在轴上。旁瓣增大导致多径效应的干扰增加，增益降低将使天线的作用距离减小。在此，仅以相位中心远离抛物面侧为例说明。如图2所示，O1、O2为焦点，O3为馈源相位中心。

图2纵向偏焦示意图

Fig.2 Schematic diagram of parallel defocusing

3.2.2横向偏焦

横向偏焦后，会在抛物面口径面上产生立方律相位误差，这将使天线方向图发生偏转，波束偏移方向与相位中心偏离焦点方向相反，靠近馈源一侧的旁瓣电平增加很快，增益显著下降。如图3所示，O1、O2为焦点，O3为馈源相位中心。

图3横向偏焦示意图

Fig.3 Schematic diagram of transverse defocusing

由此可见，无论是横向偏焦，还是纵向偏焦，均将破坏天线的方向性，引起天线跟踪性能的变化。

4　基于光电测量[8]的副反射面位置检测方法

4.1副反射面位置检测机构

该方法所采用的结构分为“光发射器”与“光接收器”(包括放大和滤波)、数据传输及处理等部分，主要包括光发射器、光接收器、交换机、监控终端及服务器，其结构框架如图4所示。

图4检测机构安装位置示意图

Fig.4 Schematic diagram of detect structure and installation site

图4中，3个光发射器分别安装在主反射面(馈源底部)之间夹角为120°的不同位置，即图4中D、E、F位置，3个光电转换器(接收器)安装在副反射面与发射器相对应的位置，即图4中A、B、C位置，并通过线缆连接至网络交换机，最后与监控终端及数据库连接。

图4中，△DEF为馈源底部(位于主反射面上)的等边三角形，△ABC为副反射面任意平面内的三角形。将3个光发射器分别放置于△DEF的3个顶点处，同样将光电转换器(接收器)放置于△ABC的3个顶点处，其中△ABC的3个顶点A、B、C分别对应△DEF的3个顶点D、E、F，且直线AD、BE、CF互不平行，并不被馈源遮挡。

4.2副反射面位置检测方法

副反射面位置变化可分为垂直于馈源口方向(纵向偏焦)和平行于馈源口方向(横向偏焦)两种形式，本文以副反射面位置发生水平方向(横向偏焦)的倾斜为例进行阐述。

图5为副反射面位置倾斜导致偏焦的示意图。

图5副反射面位置倾斜导致偏焦示意图

Fig.5 Schematic diagram of defocusing by sub-reflector shifting

图5中，实线为正常情况下几何关系图，虚线为副反射面位置发生改变后的几何关系图。下面分别从发射、接收两方面阐述副反射面位置改变的影响。

(1)发射

正常情况下，O2K经副反射面反射为KK′，经过主反射面后变为K′K″，而副反射面偏移θ角后，O2K变为O2H经副反射面反射为HN′，经过主反射面后变为N′H′。

(2)接收

正常情况下，M″M′经主反射面反射为M′M，经过副反射面后变为MO2，而副反射面偏移θ角后，M″M′经主反射面反射为M′N″，M′N″经副反射面反射为N″H，而在实际计算过程中为N″O2，偏移了β角。

图5中，D、E、F为光发射器的位置，在副反射面未倾斜时，其发射出的光在副反射面的落点A、B、C，即光电转换器的位置，此时在接收终端经过数据处理，将接收光量的多少转变为电压值。在测量船标校过程中，获得满足指标要求的天线方向图时，测得的此电压值作为标称值，并以此数值作为天线副反射面位置发生偏移的判断基准电压值，存入数据库中。在航渡过程中、抵达海域后或发生疑似副反射面位置变化引起的设备故障时，利用该方法将测量的电压值与基准电压值进行比对，若副反射面位置发生变化，那么接收端收到的光量会有所降低，则A、B、C3个点(或某个点)的电压值将会减小(在此排除光学检测装置自身可能出现问题的情况)，即可判断此时副反射面位置和标校时的位置相比发生了改变，为其位置的检测提供参考，从而实现对测控无线电天线副反射面与馈源相对位置的检测。设备硬件安装如图6所示。

图6副反射面位置检测硬件安装示意图

Fig.6 Schematic diagram of sub-reflector position detect hardware installation

由图6可以看出，不需要对天线方位、俯仰部分的硬件改动，只需利用冗余的滑环信号线，将信号传输至监控机房的终端计算机即可。另外，需要在馈源底部和副反射面的对应位置开设3个光孔，尤其是副反射面上的光接收器安装位置，对于天线的电性能影响需要进一步研究。

5　验证测试

为验证光学检测方法的可行性，搭建了简单的测试平台，如图7所示，主要包括光源(激光笔)、接收器(光电转换器)等。

图7验证测试平台示意图

Fig.7 Schematic diagram of test platform

具体方法如下：

第一，将光源和接收器放置在间距约2.5 m的位置上；

第二，将光源对准接收器并固定，同时在光源一侧任意寻找另外适当位置，从不同角度照射接收器(为方便起见，在实验中以光源与接收器对准的位置为中心、距离相等(距中心约15 cm)的左右两侧放置光源)；

第三，将光源放置在上述3个位置，观察并记录经接收器解调的电压数据。测试数据见表1。图7中，位置Ⅰ为光源对准接收器时，即O点；位置Ⅱ为位置Ⅰ左侧，即A点；位置Ⅲ为位置Ⅰ右侧，即B点。

表1测试验证数据表

Tab.1 Data of test verification

光源位置电压值/V备注Ⅰ5.05O点Ⅱ3.82A点Ⅲ3.81B点

通过表1可以看出，从不同角度照射接收器，经过数据处理，得到不同的电压值，虽然测试平台所得的数据尚不能判断偏焦的性质，即不能确定是横向偏焦还是纵向偏焦，但是通过测试分析，进一步验证了该方法是可以有效判断馈源偏焦的，在不影响天线性能的条件下是可以使用的。在后续设备改造的过程中，将该方法付诸实践，更好地服务于测控事业。

6　结束语

本文通过光电测量方法，设计了对副反射面位置判断的系统，利用该方法可以判断副反射面位置是否发生改变，并通过搭建测试平台对方法的可行性进行了验证。该方法拓展了天线副反射面位置变化的判断思路，为后续的研究奠定了一定的基础。但是，该方法仍存在以下不足：一是发生纵向偏焦时，该方法比较难判断，但可以通过加装测距装置实现；二是该方法需要在天线副反射面开3个通光孔，孔径的大小对天线电性能造成的影响尚不明确；三是该检测装置及方法虽初具雏形，但对于发射器、光电接收器的性能受海上盐雾影响仍需进一步探讨研究。此三方面将作为后续主要内容进行研究。

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刘四方(1978—)，男，河北承德人，2006年获硕士学位，现为工程师，主要从事航天测控总体工作；

LIU Sifang was born in Chengde,Hebei Province,in 1978.He received the M.S.degree in 2006. He is now an engineer. His research concerns aerospace TT&C system.

Email:liumaster2006@163.com

梁盛(1985—)，男，江苏扬州人，2011年获硕士学位，现为工程师，主要从事航天测控总体工作；

LIANG Sheng was born in Yangzhou,Jiangsu Province,in 1985.He received the M.S. degree in 2011. He is now an engineer. His research concerns aerospace TT&C system.

李培(1976—)，男，江苏洪泽人，2009年获工程硕士学位，现为工程师，主要从事航天测控天伺馈总体工作；

LI Pei was born in Hongze,Jiangsu Province,in 1976.He received the M.S. degree in 2011. He is now an engineer. His research concerns servo system of aerospace TT&C.

刘向前(1978—)，男，河北保定人，2010年获工程硕士学位，现为工程师，主要从事航天测控总体工作。

LIU Xiangqian was born in Baoding,Hebei Province,in 1978.He received the M.S. degree in 2010. He is now an engineer. His research concerns aerospace TT&C system.

Shipborne TT&C Antenna Sub-reflector Position Detection Based on Photoelectric Measurement

LIU Sifang,LIANG Sheng,LI Pei,LIU Xiangqian

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

In order to eliminate the influence of feed defocusing on antenna tracking performance,this paper first introduces the structure and principle of the Gregorian antenna and analyzes the influence of feed defocusing on antenna performance. Second,it proposes a new method for detecting the relative position change between sub-reflector and feed based on the principle of photoelectric measurement.Through comparing the measured voltage value with the norminal voltage value,this method provides the basis for judging whether the feed is defocusing or not,so as to support the analysis of equipment problems and investigation of failure. Finally,a semi-physical simulation experiment is carried out,and the results show that the method is effective.

shipborne TT&C system;TT&C antenna;sub-reflector position detect；feed defocusing

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.017

2015-12-01；

2016-05-17Received date:2015-12-01；Revised date：2016-05-17

liumaster2006@163.comCorresponding author：liumaster2006@163.com

TN828.4

A

1001-893X(2016)09-1044-05

引用格式：刘四方,梁盛,李培,等.基于光电测量的船载测控天线副反射面位置检测[J].电讯技术，2016,56(9):1044-1048.[LIU Sifang,LIANG Sheng,LI Pei,et al.Shipborne TT&C antenna sub-reflector position detection based on photoelectric measurement[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1044-1048.]