一种基于霍尔传感器的雷达方位角测量优化设计

　　【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
　　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。
　　由于该雷达中对于转角测量的方法是一种相对测量法，故该雷达在正常使用前需确定方位角的0°基准点，才能保证
　　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。