一种基于霍尔传感器的雷达方位角测量优化设计
一种基于霍尔传感器的雷达方位角测量优化设计
高 鹏 中国电波传播研究所 山东青岛
266107
【文章摘要】
针对某轻型雷达方位角测量方法中存在的问题，提出一种优化设计方案。通过对转角范围内参考点数量、分布及步进电机校准装置的重新设计，解决该雷达在实际使用中易出现的方位复位异常、角度测量累计误差偏大及不易实现故障自诊断等问题。分析及实测效果表明，方案可简化操作流程、降低转角误差。该方案亦适用于其它涉及转角测量的小型或轻型设备，具有一定的推广价值。
【关键词】
雷达；方位角；霍尔传感器；步进电机
0 引言
雷达(Radar) 是集中现代电子科学技术各种成就的高科技系统，广泛应用于武器制导、战场侦察、敌我识别等领域，是现代战争中一种重要的装备。
雷达有多种不同的分类方法，按天线波束扫描控制方式主要分为机械扫描雷达、机电扫描雷达、频扫雷达等。对于机械扫描式雷达而言，天线转角的测量精度直接影响系统指向性指标的实现，要实现对目标方位的准确探测，其首要任务是设计稳定、准确、高效的转向测量方法。
雷达转角测量实现手段众多，包括采用光电码盘、自整角机、旋转变压器、步进电机等部件实现。但就轻型或小型雷达而言，受其外形尺寸、功能要求及可靠性、可实现性等多方面因素制约，常采用步进电机手段实现转角的测量。步进电机是一种数字控制电机，将电脉冲信号转变成角位移量，即给一个脉冲信号，步进电机就转过一定角度，则通过计算驱动步进电机的脉冲数便可获得转轴旋转的角度值。为校正转轴在旋转过程中产生的角度偏差，常在转角范围内某些特定点处设置触发装置作为角度校准参考点。
本文重点关注某轻型雷达中方位角的转向测量单元，针对其在实际使用过程中易出现的方位复位异常、角度测量累计误差偏大以及不易实现故障自诊断等问题，提出一种优化设计方案。
1 原设计介绍
该轻型雷达采用全固态高分辨脉冲体制，利用常规脉冲波形，实现对固定目标的观测功能。该雷达的方位角转动范围为-60°～ +60°，以步进电机作为天线转动的驱动装置，通过计算驱动步进电机转动的脉冲数从而得到天线旋转的角度值，通过对电机转动控制信号极性的判断获知天线的转动方向，采用霍尔传感器作为触发装置修正天线转动过程中产生的角度偏差。
具体实现中，将一块永久磁钢固定在随天线转轴同步旋转的转盘边沿, 在转盘下方均匀设置三个霍尔传感器作为参考点，霍尔传感器分布示意图如图1 所示。
图1 霍尔传感器分布示意图
上述三个参考点的位置在设备出厂前均经过标定，当磁钢转至某参考点时, 受其所产生的磁场影响, 参考点处的霍尔传感器输出相应的脉冲信号，雷达通过对该信号的识别，获知此时雷达天线所处的位置，并实现对转动角度的修正。
霍尔传感器是利用霍尔效应原理, 将磁输入信号转换成相应电信号的一种磁敏感传感器，根据输出信号形式的不同可分为线性型和开关型两类。在雷达转角测量应用中，无需定量测量磁场强度，仅需判断其有无，故采用开关型霍尔传感器。
雷达在后续转动过程中得到正确的角度值；同时，为便于雷达在下次开机后快速找到0°基准点，并方便设备的取放，在关机前，需使雷达天线复位至0°基准点附近。
该设计的特点是工程实现及维护简单便捷，但在实际使用中发现此设计存在一定的问题，主要体现在易出现方位复位异常、角度测量累积误差偏大及不易实现故障自诊断等方面。
该雷达仅在方位转角的两侧边界点和中心点三个位置处各布设一个霍尔传感器，参考点特征信号单一，致使无法将所检测的参考点信号与角度信息直接关联，在使用中若发生意外断电，再次上电后，极易发生雷达方位复位异常。只能通过进行一次全角度范围内的扫描转动识别0°位置；其次，由于参考点间距较大， 当天线转动过程中若发生步进电机失步的情况，转角误差无法得到及时修正，而造成目标方向测量误差；另外，传感器中一旦某个失效，雷达将无法准确找到转角范围的某侧边界点或中心点，造成雷达转动超界或0°参考点位置错误，使雷达工作失常。
2 优化设计的原则
该雷达转向测量方面存在的上述问题，一方面因为在转角范围内仅有三个参考点，导致天线在转动过程中长期处于无反馈转动状态下，只有到达边界点才使得角度值得以确认，使转角误差不断累积；
另一方面因为各参考点设置方式相同，所得的触发信号亦相同，仅凭此信号无法区分各参考点的角度值，当设备异常断电后再次上电时，易造成角度识别错误，从而影响雷达的正常使用。
由于该雷达已生产并销售，进行大规模的整改代价过高，从可实现性、实现的经济性等方面因素综合考虑，尽量将优化设计对现有设备的影响降至最低。故优化设计方案仍沿用原有体制，优化设计的重点在于避免特征信号的单一性、减小转角误差的积累、提高系统的自诊断能力等几方面。
对于参考点特征信号单一的问题。考虑采用组合信号的形式对各参考点的特征信号加以区分，即在各参考点处设置多个霍尔传感器，采用不同的排布形式，从而在磁钢的激励下产生不同组合形式的脉冲信号。由于原设计中各脉冲信号由单一信号线输出，出于兼容性等原因考虑，
优化设计仍沿用此方法，采用单一信号线将各参考点处产生的组合脉冲信号传送至嵌入式微处理器中。
对于转角误差易积累的问题，主要原因是原设计中参考点少，转角误差得不到及时校正，从而不断累积。所以，在区分各参考点特征信号的同时应适当增加参考点的数量，但参考点以及霍尔传感器的布设数量应适中，总体上以满足转向测量要求的前提下数量尽量少为原则。参考点及霍尔传感器过多，不仅增加控制、检测电路的设计难度以及霍尔传感器布设的复杂度，还提高实现成本；另外，布设传感器需占用参考点附近一定的区域，传感器越多所占的区域范围越大，可能影响对参考点准确位置的判别；参考点及霍尔传感器过少，则无法达到转向测量精度的要求，
失去优化设计的意义。
为降低因电机失步等原因造成转角计算误差的累计，在其旋转轴上安装相应的转动检测装置。当电机匀速旋转时，触发得到一个周期性信号，对此信号进行识别并计数，再利用电机驱动脉冲数、电机转轴旋转周期数及细分参数等之间的关系，辅助计算雷达天线转动的角度值。
对于原设计中任一传感器失效后，雷达无法正常工作的问题。当各参考点采用多霍尔传感器方式布设时，一方面可使各参考点的特征信号得以区分，同时也是一种冗余设计。正常情况下，同一参考点处的多个传感器同时失效的概率极小，当某个传感器失效后，通过对天线在转动过程中在各参考点处触发所产生的特征信号的判断，可确定失效点的位置，依靠其他参考点仍能维持雷达正常工作。
0 优化设计的实现
由上述分析结果，优化设计的具体方案如下：
●在方位转角范围内设置五个参考点，参考点处霍尔传感器的数量及排布形式如图2 所示。
图2 优化设计中传感器分布示意图
从图2 中可知，五个参考点不完全对称，0°位置为整个转角范围的中心点， 判断时间应尽量短，故仅布设一个传感器，当天线转过此处时，触发得到单脉冲信号；-30°和+20°两点处，两个传感器错位排列，触发得到一个较宽的脉冲， 再结合转动的角度便可获知该点的角度值；-60°和+60°两点处分别布设两个传感器，相比而言，-60°处触发产生的两个脉冲间距小，+60°处触发产生的两个脉冲间距大，使之得以区分。当某参考点处的某个传感器失效后，该雷达系统通过转动判断各点触发所得到的脉冲信号及转动的角度值，便可确定失效参考点的位置，此时，雷达仍能正常使用。
●在步进电机转轴上安装一个随之同步转动的永久磁钢，在转轴旁对应位置处布设一个霍尔传感器。当磁钢转过时便使之产生一个脉冲信号，通过对此脉冲信号的计数，用以辅助计算天线转动的角度值，同时也起到对天线转角的修正作用。
雷达采用的步进电机组件主要由步进电机、细分驱动器、减速器等组成。步进电机的步距角为1.8° ；细分驱动器的细分系数为36 ；减速器的减速比为1:8。该雷达的方位角扫描速度为2°
/s，则驱动步进电机转动的脉冲频率为320Hz。则若微处理器发出200 个驱动脉冲时，电机转轴旋转一周，天线转动1.25°，则在10° 的天线转角范围内可产生8 个电机转轴触发脉冲对角度进行修正，有效降低转角误差的累积。
●通过对参考点数量及排布形式的重新设计，该雷达在转动过程中只要遇到任意一个参考点，即可获知此时天线所处的位置，故复位操作的实际意义已不大。对两种操作的作用及动作进行重新梳理并整合，使雷达上电后，可直接进行扫描观测操作，雷达系统在不断转动及收发数据的同时完成对各部分进行状态检查（即自检）。对于用户而言，雷达上电后即进入工作状态，简化了操作流程。
综上述所，本文针对某轻型雷达方位角测量方法中存在的问题，提出了一种优化设计方案。通过在设备中的实际应用效果与试验验证结果表明，本优化设计方案简化操作流程、降低转角误差，使原设备中出现的相关问题得以较为有效的解决。
3 结束语
实践证明，本优化设计方案简单实用、稳定性好、可靠性高，对原设备的机械结构影响不大；另外，本优化设计方案亦适用于其他涉及转向测量的小型或轻型设备中，具有一定的推广价值。
【参考文献】
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