精密測量雷達軸系正交精度檢測方法研究

陳 戈，糜 敏，楊 林

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

軸系精度是測量雷達天線座的重要技術(shù)指標(biāo)之一，該精度會直接影響測量雷達的測角精度。因此，在加工及裝配過程中測量并控制軸系精度，對于保證天線座測角精度十分重要。

測量雷達天線座常用結(jié)構(gòu)形式為燕尾式結(jié)構(gòu)和叉臂式結(jié)構(gòu)，兩類天線座結(jié)構(gòu)形式俯仰部分有較大不同。兩者結(jié)構(gòu)形式的差異，保證軸系精度所采用的方法及測量手段也有所不同。

目前普遍采用的軸系精度檢測方法是利用水銀盤、五棱鏡等測量裝置對天線座軸系精度進行最終評估。該方法對環(huán)境要求較高，需在無震動源、噪聲源環(huán)境下進行測量，無震動源、噪聲源環(huán)境是一種絕對理想的環(huán)境。一般天線座軸系精度要求在25 s內(nèi)，振動源、噪聲源對軸系正交誤差高影響約4 s左右［1］。為了減少環(huán)境因素對軸系精度的影響，本文提出了一種新的虛擬定位檢測方法。該方法能克服對測量環(huán)境苛刻要求。該方法在雷達裝配中可為操作人員提供數(shù)據(jù)支撐，在裝配前期發(fā)現(xiàn)問題并進行預(yù)防，節(jié)省測量時間，降低工作強度。

1 天線座軸系精度

燕尾式結(jié)構(gòu)天線座采用俯仰為雙短軸、雙懸臂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。左右俯仰軸安裝孔在俯仰箱兩側(cè)，通過機加工保證左右俯仰軸保持同軸和等高，同時滿足俯仰軸與方位軸的垂直度。

圖1 軟件架構(gòu)圖

叉臂式天線座結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。天線座方位轉(zhuǎn)臺左右支臂上的軸承支座與天線陣面兩側(cè)的短軸形成簡支梁形式，俯仰軸系采用組合軸形式，俯仰軸承的支撐跨距大，并且天線質(zhì)量較大。通過修配左右支臂底部的墊板，保證左右俯仰軸保持同軸和等高，同時滿足俯仰軸與方位軸的垂直度［2］。

圖2 叉臂式結(jié)構(gòu)天線座

天線座的軸系精度主要有:方位軸與大地的垂直度γ;俯仰軸與方位軸的垂直度δ;天線電軸與俯仰軸的垂直度κ［1］。通常將γ、δ、κ三項誤差的均方根值作為天線座軸系精度的綜合指標(biāo)。其中俯仰軸與方位軸的垂直度δ即軸系正交精度［3-4］。

2 軸系正交精度檢測方法

2.1 燕尾式結(jié)構(gòu)天線座軸系精度檢測方法

目前，檢測燕尾式結(jié)構(gòu)天線座俯仰軸和方位軸的垂直度，常用方法為使用自準(zhǔn)直光管配合水銀盤、五棱鏡完成。該方法原理為建立標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面，利用自準(zhǔn)直光管在反光鏡中投影反射像的角度差檢測。

用水銀盤、五棱鏡測量方法要求檢測環(huán)境無震動源、噪聲源，對燕尾式結(jié)構(gòu)天線座裝配后的精度，只能做出最終符合性判斷。

2.2 叉臂式結(jié)構(gòu)天線座軸系精度檢測方法

為保證叉臂式結(jié)構(gòu)天線座左右軸的等高及同軸要求，通常需配磨左右支臂底板的墊板。根據(jù)該類型天線座結(jié)構(gòu)特點，提出了一套新的測量方法—虛擬定位檢測法。

虛擬定位檢測法是建立一條平行于大地的俯仰軸虛擬的公共軸線，將天線箱體上左右軸頭空間位置確立，檢測出天線座俯仰軸與俯仰公共軸線偏差量并加以修正。檢測示意圖如圖3所示。

圖3 測量示意圖

具體檢測方法為:

1)將測微準(zhǔn)直光管放置在被測天線座體外，在天線座俯仰軸的一端將測微準(zhǔn)直光管的基準(zhǔn)水平軸線建立，并保證基準(zhǔn)水平軸線通過天線方位旋轉(zhuǎn)中心。

2)在俯仰左右軸的被測軸孔中放置專用靶架，保證靶架中心通過軸心線，且靶架平面與軸心線垂直。

3)通過微調(diào)機構(gòu)，調(diào)整靶架上的目標(biāo)分劃板1#、2#、3#、4#四塊，使目標(biāo)分劃板的中心和俯仰軸內(nèi)徑基準(zhǔn)同軸，以靶心體現(xiàn)孔的中心。

4)將目標(biāo)分劃板1#、4#連線作為測微光管儀器的定位基準(zhǔn)軸，后旋轉(zhuǎn)天線座180°后建目標(biāo)分劃板4#、1#基準(zhǔn)，消除天線座不水平度。

5)觀察目標(biāo)分劃板1#和目標(biāo)分劃板4#的高差。如果有差別，通過測微鼓輪將儀器十字線與分劃板中心相重合讀出偏差值，通過對叉臂轉(zhuǎn)臺上平面修磨調(diào)整。

6)調(diào)整好后，如儀器中心和1#、4#分劃板中心重合，則證明光管與目標(biāo)分劃板1#和4#確立了公共軸線基準(zhǔn)視線。

7)利用確立的公共軸線基準(zhǔn)視線觀察1#、2#和3#、4#兩軸頭的軸心線測得差值△Ⅰ和△Ⅱ，根據(jù)式(1)計算出相應(yīng)的傾斜調(diào)整量，結(jié)合反變形的修磨系數(shù)，配磨墊板。

式中:H為傾斜修磨量;Δ為與基準(zhǔn)軸線差值;a為1#、2#或3#、4#墊板長度;L 為 1#、2#或 3#、4#目標(biāo)分劃板距離。

8)X方向?qū)⒆笥逸S頭軸心線向測微準(zhǔn)直光管建立的基準(zhǔn)水平軸線調(diào)整至最小值，通過測微準(zhǔn)直光管觀察1#、2#和3#、4#分劃板的軸線和基準(zhǔn)軸線的偏差，利用測微鼓輪測出結(jié)果，結(jié)合Y方向1#、2#和3#、4#的差值，通過式(2)、式(3)、式(4)、式(5)，計算獲得左軸及右軸的測量值，取最大值作為靜態(tài)軸系誤差值［5］。

式中:L為1#、2#或3#、4#目標(biāo)分劃板距離;a為左軸或右軸的長度;Δx為1#、2#或3#、4#和基準(zhǔn)軸線X 方向的差值;Δy為1#、2#或3#、4#和基準(zhǔn)軸線 Y方向的差值;θ'i為左軸的軸系誤差值;θ″i為右軸的軸系誤差值。

9)考慮到天線箱體非球體結(jié)構(gòu)，上下前后重量不等，會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，導(dǎo)致俯仰軸撓度的變化。為測出最大的動態(tài)軸系誤差，用上述測量方法，通過轉(zhuǎn)動天線箱體俯仰角度，測出0°～90°的雷達俯仰工作行程中動態(tài)的軸系正交最大值。

2.3 測量方法誤差分析

俯仰軸和方位軸正交精度測量誤差的影響因素主要有以下幾點:一是自準(zhǔn)直平行光管光軸與俯仰軸不重合引起的誤差;二是自準(zhǔn)直平行光管光軸與天線方位旋轉(zhuǎn)中心不相交引起的誤差;三是儀器、測量裝置本身誤差;四是瞄準(zhǔn)、讀數(shù)不穩(wěn)定等視覺誤差［6］。

自準(zhǔn)直平行光管光軸與俯仰軸不重合引起的誤差、自準(zhǔn)直平行光管光軸與天線方位旋轉(zhuǎn)中心不相交引起的誤差、瞄準(zhǔn)、讀數(shù)不穩(wěn)定等視覺誤差等與測量者有直接關(guān)系，屬于人為因素，可通過技術(shù)培訓(xùn)提高測量人員操作技能。儀器、測量裝置本身誤差屬于測量系統(tǒng)固有誤差，測量儀器的精度在固定周期內(nèi)需專業(yè)鑒定，測量儀器誤差在0.5 s內(nèi)。對于天線座軸系正交精度，測量儀器固有誤差可忽略不計。

2.4 小結(jié)

1)燕尾式天線座和叉臂式天線座結(jié)構(gòu)形式的不同，保證軸系精度所采用的加工、裝配方法及測量手段也有所不同。

2)水銀盤、五棱鏡測量方法要求檢測環(huán)境無震動源、噪聲源;虛擬定位檢測法克服了對測量環(huán)境的苛刻要求。

3)水銀盤、五棱鏡測量方法對燕尾式天線座裝配后的精度，只能做出最終符合性判斷;虛擬定位檢測法能夠?qū)Σ姹凼教炀€座裝配過程控制檢測，對天線座裝配有指導(dǎo)性。

3 結(jié)束語

本文針對精密測量雷達天線座軸系的正交精度測量，分析了兩種天線座結(jié)構(gòu)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點對比了兩種軸系精度檢測方法，對叉臂式天線座提出了一種新的虛擬定位檢測方法。該方法對測量環(huán)境要求低，并能有效測量雷達的軸系誤差。該方法在雷達裝配中可為操作人員提供數(shù)據(jù)支撐，在裝配前期發(fā)現(xiàn)問題并進行預(yù)防，節(jié)省測量時間，降低工作強度。

［1］ 平麗浩，黃普慶，張潤逵.編著.雷達結(jié)構(gòu)與工藝［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.Ping Lihao，Huang Puqing，Zhang Runkui.Radar structure and process［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007.

［2］ 吳 迤.測量雷達天線座軸系精度分析［J］.電子機械工程，2001，17(2):41-43.Wu Yi.Analysis on precision of axises of measuring radar＇s pedestal［J］.Electro-Mechanical Engineering，2001，17(2):41-43.

［3］ 王德純.精密跟蹤測量雷達技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Wang Dechun，Ding Jiahui，Chen Wangdong.The technology of precision tradning and instrumentation radar［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［4］ 趙建科，鄭中林.光電跟蹤經(jīng)緯儀水平軸和垂直軸垂直誤差測量［J］. 測試技術(shù)學(xué)報，2004，18(S1):87-90.Zhao Jianke，Zheng Zhonglin.The horizontal axial and vertical axial error measurement of the photoelectric tracking theodolites［J］.Journal of Test and Measurement Techol，2004，18(S1):87-90.

［5］ 何賜方，唐家才.形位誤差測量［M］.北京:中國計量出版社，1998.He Cifang，Tang Jiacai.Shape and position error measurement［M］.Beijing:Chino Metrology Publishing House，1998.

［6］ 吳風(fēng)高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.西安:西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.Wu Fenggao.Structural design for antenna pedestal［M］.Xi＇an:Northwest Telecommunication Engineering Institute Press，1986.