雙塔結構的伸縮式天線系統設計研究

陳曦

摘 要 為了使伸縮式自動架設/撤收大陣面天線能夠具有更好的剛度，本文在伸縮式雷達天線背架的基礎上提出了雙塔式的伸縮天線背架并結合散斑圖像微位移測量技術和行人檢測技術構成了一種具有人工智能的大陣面天線自動展開/折疊系統，以期使高機動雷達能夠更高探測精度、更大口徑和適應惡劣的戰場環境。

關鍵詞 大陣面天線；伸縮式天線背架；智能監測；散斑圖像微位移測量；行人檢測

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0287-03

雷達對一個戰區乃至國家的防御體系起著越來越重要的作用。在以信息戰為核心的現代戰爭中，一旦開戰，敵方的情報信息系統就是打擊的首要目標。而雷達作為情報系統的傳感器是情報信息的源泉，由于體積龐大，部署時間長，機動性差等因素，是敵方首選打擊的目標。為了生存和更好地發揮作用，對雷達的高機動部署和快速展開/撤收能力提出了越來越高的要求，地面大型雷達高機動性能已經成為重要研究課題。世界上地面高機動雷達天線都采用天線折疊的架設/撤收方式導致天線口徑做不大。哈爾濱工業大學彭高亮教授的發明專利《一種伸縮式雷達天線背架》采用一種全新的方式收放天線，實現了大口徑天線（WXH=15m×12m）雷達的高機動。本文在該專利的基礎上，提出了一種新型雙塔結構的伸縮式雷達天線系統，用于提高天線面精度和天線口徑。

1 工作原理與關鍵技術

1.1 伸縮式雷達天線背架系統的工作原理

在前文提到的所謂伸縮式雷達天線背架（以下稱為單塔結構的伸縮式天線背架）的專利描述中，該伸縮式雷達天線背架是一種由七節伸縮機構組成的云梯式結構，其整體外形如圖1所示，工作狀態如圖2所示，運輸收攏狀態如圖3所示。

此單塔結構的伸縮式天線背架已經完成了在某型號的大陣面雷達天線上的實驗，取得了令人滿意的效果。在該專利的實驗中，收縮時可將一個高12m的大陣面天線收縮到3米，并倒伏在運輸車輛上，高度小于4m。而其展開動作可以一步到位地完成天線陣面的展開和鎖定動作。受該發明專利的啟發，本文提出一種針對更大規模天線陣面的雙塔伸縮式天線系統，核心思路是為了解決更大規模的天線陣面的骨架在重力的作用下不可避免地出現彎曲形變的現象，將原本發明專利中一套位于陣面中軸線上的伸縮式背架擴展為兩個窄小的伸縮式背架機構，使其按照天線陣面中軸線對稱分布并重新排列構成一個全新的天線系統。如圖4、5所示，其優點如下：雙塔跨度大，減少天線骨架懸臂長度，提高天線骨架剛度；每個塔載荷減半，可以簡化升降塔結構為圖5所示的薄壁廂型梁形式（吊車臂的經典結構），提高可制造性和制造精度；每個塔的厚度降低，提高雷達越野通過性和穩定性；天線骨架可以做得跟輕更薄，提高伸縮比，從而可以天線做得更大剛性更好；每個塔的升降簡化為兩個油缸，這樣雙塔式天線背架與單塔式天線背架的升降油缸總數不變。

1.2 系統中的關鍵技術

1）原本發明專利中的單塔結構的伸縮式天線背架的七個伸縮節由雙油缸機械同步驅動，沒有同步問題，且即使有一個油缸出現故障也只會鎖死伸縮機構，并不會造成安全事故；然而使用雙塔式伸縮背架必然解決兩個塔伸縮同步的問題，一旦兩個伸縮機構的誤差超過閾值就會使得其所帶動的天線陣面扭曲形變導致破壞性的后果。因此必須設計一套機電液一體化的、控制和監視完善的天線系統確保天線系統安全性。

2）在實戰環境下，雷達天線進行燈光管制條件下的工作是常見的，這時往往伸手不見五指，而在這種無法用人眼來觀察的環境下，系統可操作性和安全性尤為重要。針對這一問題，在天線系統的監控單元上嵌入一套基于散斑圖像的微位移測量系統，解決各種惡劣戰場環境中系統工作情況的量化評估確保操作的正確性和系統安全性，并實現天線系統的智能化。

3）天線陣面在展開、收起以及雷達開機工作階段都有不允許有人員進入的規定范圍的，因此需要實時監測是否有人員出現在了危險區域。在這里我們使用一種實時行人檢測算法來進行人員安全監測。

1.3 監測系統工作框圖

在1.1中所提到的3個問題實際上是兩套相互影響又并行工作的系統共同解決的，下面給出系統的原理框（圖6）。

這一套監測系統包括兩大部分，一是與雙塔結構的伸縮式天線背架聯動的伺服控制系統，以機械調節的方式盡量使雙塔同步；二是智能監測系統，包括一組安裝于雙塔最下層分別向兩個獨立的液壓伸縮機構發射激光并采集散斑圖像的位移測量設備，以及兩個能夠觀察到運輸車輛兩側的兩個攝像機用于進行行人檢測。

上述3個模塊中，以機械伺服系統對兩個伸縮機構動作的自動調節已經有多種成熟的應用，其原理和工作方式再次不做多余的描述，下面將重點介紹在實戰條件下使用的智能監測系統對整個雙塔伸縮式天線背架的安全保障措施。

1）雙塔不同步情況的測量。本文提到的雙塔伸縮式天線背架的結構設計是由兩個獨立結構的液壓油缸系統，采用經典的液壓同步技術后，必須防止各種戰場因素導致的過大同步誤差產生。當雙塔不同步的誤差e與當前伸（縮）行程l的比值η超過一定的閾值時，就必須停止動作并將故障情況由串口通信反饋至操作人員。

由于大陣面天線的展開/收回約8min，是一個緩慢的過程，伸縮臂每秒的行程很短，且由于實戰環境的要求復雜嚴格，因此我們希望使用一種非接觸式的，高精密度且抗干擾能力較強的全天候檢測系統來對雙塔同步情況做出監控，因此選用較為成熟的激光散斑圖像測量算法。

2）雙塔伸縮結構工作區域出現行人的情況。為了快速、有效地檢測出整個系統動作區域的人員，避免因視線死角產生的安全問題，本文采用文獻《Pedestrian detection at 100 frames per second， Rodrigo Benenson， Markus Matias， CVPR2012》中所提到的利用stixels提取先驗信息，之后結合改進的FPDW算法進行識別的方法。

深度信息可以很好地提高行人檢測算法的正確率，但提取深度信息所需的時間漫長，讓人望而卻步。在文獻中作者選擇利用stixel來代替深度信息。所謂stixel（sticks above the ground in the image）即通過快速對地面上的柱狀物體如行人、燈柱、樹木、廣告牌等進行檢測，提供一種先驗信息以供分類器進行學習分類，如圖7所示。

圖中綠色線條為stixel信息的底部，藍色為stixel信息的頂部，紅色的框則是獲取的檢測目標。

所獲得的stixel信息區域介于底部即地面和頂部即行地表柱狀物體即本系統中拍攝區域中的行人或撐腿上邊沿可能出現的大概位置之間。由此可以估算出圖像中柱狀物體的高度和相互之間的相對位置關系。使用stereo image可以直接且快速地計算出stixel，從而不用計算整張圖像中的所有深度信息，加快了算法的速度。在文獻中作者對圖像中的地面和stixel進行估計，并設置stixel的高度為1.75m，在CPU上可以達到135fps的速度。

該算法在本系統中的應用其實更加簡單，由于系統中要求監測的區域固定且范圍不大，只是在天線展開與折疊這兩個不同的階段監測區域略有不同，可以通過在不同階段開始之前將攝像頭轉到不同方向再開始運行算法即可。

2 系統軟件

本系統主要由兩部分構成，其一為動作控制部分，用于以可選擇的本控或遙控兩種方式對伸縮背架的展開和回收進行控制；其二為監測部分，負責測量兩個伸縮機構是否同步和監測工作區域是否有人員進入，監測部分在出現異常狀態時應能及時停止伸縮背架的動作并發出報警。圖8為程序框圖。

3 結論

經過設計與實踐，單塔結構的伸縮式雷達天線背架已經在實際應用中取得了良好的成果，成功實現了大陣面天線的站立、展開、收回和倒伏動作。本文在此結構成功應用的基礎上提出了一種針對更高天線面精度的雙塔結構的伸縮式雷達天線背架系統，并以兩種成熟的智能監測算法對新的系統進行保障，包括使用激光散斑圖像微位移測量法對雙塔同步情況的監控和以行人檢測算法保障系統工作時周圍人員的安全。這兩種智能算法皆在工業機械位移測量和道路行人檢測方面實現成功的應用，將它們與雙塔系統相結合相信能夠取得更好地效果。

參考文獻

[1]彭高亮，一種伸縮式雷達天線背架；中國，2015109806 95.9[P].2015-12-23.

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[5]Pedestrian detection at 100 frames per second，Rodrigo Benenson，Markus Matias， CVPR2012.