大型相控陣雷達陣面平面度測量方法研究*

宋南海，梅啟元，向 熠

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

大型相控陣雷達陣面平面度測量方法研究*

宋南海，梅啟元，向 熠

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

陣面平面度是天線陣面設計的關鍵指標，其準確測量是指標校核的重要手段。文中從大型相控陣雷達的陣面平面度的測量需求出發(fā)，分析了現(xiàn)有常規(guī)測量手段在各型雷達中的適應性，并結合工程實際應用闡述了各方法在實際測量中的關鍵點，為同類應用時方法的選取和使用提供了依據(jù)。同時，針對現(xiàn)代大型相控陣雷達的設計特點，提出了平面度測量的未來趨勢。

大型相控陣雷達；天線陣面；平面度；測量

引 言

相控陣天線是指由多個輻射單元排陣所構成的定向天線，其天線輻射單元的輻射激勵和相位關系可控。在二維平面上規(guī)則或周期性排列若干輻射單元，形成平面陣天線[1]，目前大型相控陣多為此類。陣面平面度作為平面陣天線設計的一項關鍵指標，是指天線陣面的實際反射面與理想反射面的偏差[2]，該偏差會引起天線單元之間的相位誤差，使得天線增益降低、副瓣電平增高，從而導致天線的波束指向精度變差。

天線陣面平面度的準確測量可以對天線陣面結構指標設計進行最終校核，同時為高精密在線裝調提供調整依據(jù)，而且對于大型高精度短波相控陣雷達來說，精確的測量結果甚至還可用于對電信號相位差進行實時補償或校準，即對整個天線系統(tǒng)的誤差進行補償，提高雷達的指向精度。因此，陣面平面度的測量方法對于雷達系統(tǒng)設計來說非常重要。

本文從雷達陣面平面度的測量需求出發(fā)，結合工程實際，對各種測量方法的原理、使用條件等進行了闡述，為后續(xù)應用提供參考。

1 陣面平面度測量需求

理論計算表明，天線性能與結構誤差的均方根值有關，而并不決定于個別點的誤差最大值[3]，因此，對于雷達陣面平面度的測量，一般是指陣面單元擬合平面的均方根值。

由電磁波輻射理論可知，采用規(guī)則排列的輻射單元，通過相位控制可以在某一方向上形成相長干涉，達到輻射增強的目的。而平面相控陣天線就是采用多個輻射單元規(guī)則排陣形成的平面陣結構，為提高雷達的輻射功率，常常采用增大天線口徑也就是增加輻射單元數(shù)量的方法獲得滿足雷達所需的天線增益，以實現(xiàn)用戶提出的技戰(zhàn)術指標。

目前，遠程預警類或測控類雷達的陣面規(guī)模有的已達數(shù)十米。根據(jù)波段的不同，陣面平面度要求也不一樣，常規(guī)要求為陣面平面度(均方根)數(shù)毫米，如某大型相控陣雷達陣面口徑30m，平面度要求3.8 mm[4]。而某些高精度短波段雷達(如X或毫米波段)，陣面口徑沒有減小，但平面度要求卻大大提高，有的要求達到均方根0.5 mm以下?？梢?，大規(guī)模和高精度是目前大型相控陣雷達陣面平面度測量的兩大特點，這也給平面度測量帶來了挑戰(zhàn)。

影響天線陣面平面度的因素包括天線陣面的制造誤差、裝配誤差、大盤不水平或輪軌軌道不平、陣面在外載作用下的結構變形。結構變形誤差決定于天線的工作條件和工作方式，它是結構設計時需要考慮的主要指標。外載荷一般為重力、溫度、風載荷以及冰載荷。一般來說，重力載荷在不同仰角情況下是不一樣的，因此，陣面平面度測量手段要能適應多種工況的需求。

另外，一般大型固定陣地相控陣雷達都是固定陣地布局，通過天線罩可以保證保精度工作的小環(huán)境要求，但是局部的空間限制可能會對平面度的測量帶來不利影響。

2 陣面平面度測量技術

為保證天線陣面的精度，除了優(yōu)化設計、精密制造以外，還需要精確測量，準確獲得天線單元的實際位置，為安裝調整工作提供依據(jù)。從目前的工程實際來看，常用的陣面平面度測量技術有雙經緯儀、全站儀、工業(yè)攝影測量等。

2.1 經緯儀測量技術

經緯儀測量技術是指由兩臺或兩臺以上高精度電子經緯儀與計算機聯(lián)機，根據(jù)角度空間前方交會測量原理來獲取空間點的三維坐標，系統(tǒng)的尺度通過對基準尺的測量來確定，可實現(xiàn)高精度、無接觸測量。由于在測量站上安裝儀器時，不能保證垂直軸鉛垂，因此在角度測量時，需要對角度測量值進行傾斜補償，即進行電子補償。目前，一些商業(yè)公司的測角標稱精度能夠達到0.5″。

單臺經緯儀的主要用途是測量角度，而通過兩臺經緯儀就可以測量待測點的坐標。經緯儀測量系統(tǒng)的測量原理為空間前方交會，如圖1所示。以雙經緯儀系統(tǒng)為例，兩臺經緯儀位于A和B，以經緯儀A的中心(軸系交點)為坐標原點，A與B連線在水平面的投影為X軸，構成測量坐標系。

圖1 經緯儀前方交會測距原理

A、B互瞄即分別觀察目標P的觀測值(水平方向值、豎直方向值)分別為：γAB、αAB、γBA、αBA、γAP、αAP、γBP、αBP。其中γAB、αAB分別表示經緯儀A瞄經緯儀B的水平角度值和豎直角度值，其余依此類推。

設水平角α=γAB-γAP，β=γBP-γBA，則通過三角關系可以求得P點的三維坐標：

式中：b為基線長，即經緯儀A和B的水平間距，可通過兩臺經緯儀對某一基準測量求得，也可以用高精度的測距系統(tǒng)直接測定；h為兩臺經緯儀的高差，且

由此可以看出，要想獲取空間點的三維坐標值，必須首先建立測量坐標系，即要得到A、B站的坐標值。具體來說，就是要確定AB方向和距離基準。通常的方法是采用經緯儀對某一長度基準進行觀測，進行系統(tǒng)定向。此項工作需要在觀測條件較好的情況下進行。另外，儀器間進行精確互瞄之前必須先精確整平儀器。

經緯儀測量系統(tǒng)在幾米至十幾米測量范圍內的測量精度可以達到±(0.02～0.10) mm，但是其精度取決于諸多因素：測角精度、系統(tǒng)定向精度、腳架的穩(wěn)定性、外界條件、觀測標志及觀測員的操作技能等，室外測量時要尤其注意創(chuàng)造最佳條件[5]。工程實際應用中，經緯儀多用在大型射電望遠鏡天線陣面的安裝測量中。雖然經緯儀測量精度高，但因為其單點測量、設站復雜以及對操作人員要求高的特點，在雷達天線陣面測量中僅有少量應用。

2.2 全站儀測量技術

全站儀在天線裝調過程中使用廣泛。將測距儀小型化并完全集成在經緯儀系統(tǒng)中，則獲得了能同時測量角度和距離，快速測定目標點三維坐標的儀器，即全站儀。

全站儀的坐標測量原理為極坐標測量，如圖2所示。以全站儀的設站點O為原點形成直角坐標系O-XYZ。設全站儀測量P點的觀測值分別為：水平角α，垂直角β，斜距S，即可獲得P點在測站坐標系下的坐標。

圖2 極坐標測量原理

全站儀測距為紅外測距，以棱鏡和反射片為測距合作目標，通過相位法獲得待測距離。目前商業(yè)公司推出的無棱鏡測距全站儀的測距精度已經達到±1 mm。

提高系統(tǒng)精度的關鍵是對全站儀的系統(tǒng)誤差進行修正和補償。和經緯儀一樣，全站儀的測量結果也需要進行大氣折射率修正以得到精確的結果，但如果是針對天線陣面平面度的測量標定，則只需要知道喇叭單元之間的相對位置關系，大氣修正不是必須的。

2.3 工業(yè)攝影測量

工業(yè)攝影測量是利用相機對被測目標拍攝像片，通過圖像處理和攝影測量處理獲取目標的幾何形狀和運動狀態(tài)，其測量原理如圖3所示。通過一臺高分辨率相機對被測物在不同位置拍攝，得到物體的2張以上二維圖像，經計算機圖像匹配處理后得到精確的三維坐標。二維影像在像平面坐標系中是二維坐標值，但在攝影測量坐標系中可以利用攝影焦距參數(shù)將像點坐標轉換成目標點的2個角度觀測值，因而測量原理和經緯儀測量系統(tǒng)相似，均是三角形交會法。由于相機之間無法像經緯儀一樣實現(xiàn)精確互瞄，通常采用光束法平差定向技術，即通過不同位置的相機對多個目標同時測量產生多余觀測量，以解算出相機間的位置和姿態(tài)關系。

圖3 攝影測量原理示意圖

工業(yè)攝影測量是一種可以瞬間獲取被測目標大量物理信息和幾何信息的非接觸測量方法，特別適合于測量點眾多的動態(tài)目標，已經廣泛應用于天線測量中。其典型精度是±10×10-6D，D為測量范圍。早在1991年，美國GSI公司采用工業(yè)攝影測量對一個直徑22 m的緊縮場反射面進行校準，表面測量精度為±0.018 mm，相對精度達到1∶106。

表1對文中提到的幾種測量方法的特點進行了匯總。

表1 陣面平面度測量方法對比

3 天線陣面平面度測量實例

3.1 某雷達裝調檢測

某雷達天線口徑30 m，陣面平面度要求3.8 mm。天線陣面通過調整機構安裝到天線樓骨架上的過渡件上，以實現(xiàn)天線陣面的快速裝調。

天線陣面的平面度通過兩方面來保證：一方面通過全站儀瞄準天線樓上的過渡件，保證整個天線樓表面的所有過渡件共面，作為天線陣面安裝的初步調整，同時位置精度符合要求；另一方面通過攝影攝像法對安裝天線陣面的調整機構進行平面度復測，并在天線陣面安裝完成后再次進行復測。

過渡件上表面設計有1 mm線寬的十字刻線槽，并用亮色油漆涂覆，可以作為全站儀瞄準的靶標。當測量顯示過渡件不共面時，通過局部增加薄墊片的方法進行調整，依次完成天線陣面安裝基準平面的調整。

過渡件裝調完成后，將調整機構安裝至過渡件上，測量調整機構上表面的平面度，并預調安裝面的平面度至1 mm，再將所有天線子陣面安裝到位，并用攝影攝像法測量整個天線陣面的平面度，確保其滿足要求。測量時，靶標分別貼于調整機構表面和天線陣面上表面，而安裝調整時，調整機構的調整量需要通過攝影測量結果進行反饋。調整機構及過渡件示意見圖4。

圖4 調整機構及過渡件示意圖

本次裝調采用的攝影測量系統(tǒng)精度優(yōu)于0.1 mm。影響天線陣面裝調平面度的因素除了攝影測量本身之外，還與調整環(huán)節(jié)的各項誤差有關：測量過渡件共面的全站儀測量誤差典型值0.2 mm，調整機構安裝面的平面度1 mm，60個子陣面制造裝配后的平面度1 mm，以及自重、溫度引起的子陣面的不均勻性。最終實測平面度為3.3 mm。

該技術采用快速精密調整機構減少誤差環(huán)節(jié)、避免誤差累積，采用數(shù)字攝影測量方法，在保證陣面平面度的前提下，不僅降低了制造、裝配要求，還能在雷達使用過程中對陣面平面度進行監(jiān)測調整，消除陣面安裝面可能產生的不均勻變形的影響，從而確保滿足雷達全壽命周期內的精度要求。

3.2 某天線陣面平面度攝影測量

某雷達口徑7 m × 7 m，要求準確測量出陣面各點的變形情況，擬合出陣面平面度。從力學仿真情況來看，靠近軸頭位置處變形比較明顯，靶標貼得較多，間距較小，要求測量的精度優(yōu)于0.1mm。因此，采用v-stars/s攝影測量系統(tǒng)進行了平面度測量，所使用靶標直徑6 mm，靶標個數(shù)約3 100個，貼于天線表面，采用4根基準尺，其互差為0.01 mm。要求測量上下平面的平面度與俯仰角度的關系，操作時在吊車上對待測天線進行拍照，然后進行數(shù)據(jù)處理。

測量結果云圖如圖5所示，結果表明，陣面中間產生向下的變形，使得左右陣面(兩端俯仰軸)不在同一平面，經擬合計算，左右陣面最大夾角可達50″。

圖5 某雷達天線陣面攝影測量結果

天線陣面的平面度為2.285 mm(峰峰值)、0.375 mm(均方根)。左陣面(站在陣面前方看陣面)的平面度為1.562 mm(峰峰值)、0.246 mm(均方根)。右陣面(站在陣面前方看陣面)的平面度為1.677mm(峰峰值)、0.287 mm(均方根)。

3.3 罩內陣面的平面度測量

一般大型相控陣雷達都配有天線罩，為雷達設備提供獨立、封閉的空間，有效阻擋外界的風、雨、雪等環(huán)境因素對雷達設備的影響，并進行環(huán)境控制，給雷達提供良好的使用環(huán)境，確保雷達的精度。天線罩是用對雷達電磁波具有高透過率的材料制成，但是對可見光不透光。因此，在有天線罩的使用場合，由于天線罩的遮擋，常規(guī)的測量方法實施困難。例如，罩內陣面在不同俯仰角下的平面度測量，使用經緯儀、全站儀等就不太合適，測量儀器架設困難，很多測量點可視性差。此時，攝影測量是一個選擇，但是對于口徑較大的天線陣面，相機架設距離有限，需要多幅圖像拼接成整個天線陣面，拼接誤差將導致精度損失。

4 結束語

在大型相控陣雷達發(fā)展過程中，雷達口徑不斷增大，精度要求不斷提高，對天線平面度的準確測量提出了越來越高的要求。根據(jù)要求、使用環(huán)境、場地等具體條件，選取合適的測量方法，對天線精度的最終調整和校核至關重要。

文中提到的幾種方法均是離線測量的方法，不能做到平面度實時測量、誤差實時修正。平面度誤差的實時監(jiān)測可以作為電信號相位補償?shù)妮斎?，可以提高雷達精度，是雷達智能感知的關鍵一環(huán)。相位光電位置傳感器和動態(tài)位移傳感器結合[6]或者加速度傳感器[7]可以進行天線陣面形變的實時測量，或者采用視覺測量手段[8]，采用圖像處理的方法，可以對各個姿態(tài)雷達的陣面平面度進行實時采集。發(fā)展類似的在線實時高精度測量手段將是未來大型相控陣雷達平面度測量的趨勢。

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宋南海(1983-)，男，博士，工程師，主要從事大型相控陣雷達結構總體設計工作。

Research on Antenna Array Flatness Measurement for Large Phased Array Radar

SONG Nan-hai，MEI Qi-yuan，XIANG Yi

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The flatness of antenna array is a key parameter in antenna design, and its accurate measurement is an important mean for parameter check. In this paper the antenna flatness measurement requirements of large phased array radar are expatiated, and the general measurement methods for various radars as well as the key points of these methods applied in practice are discussed, providing reference for similar application. Meanwhile, the trend of development of flatness measurement methods is also described for modern large phased array radar.

large phased array radar; antenna array; flatness; measurement

2015-02-10

TN821+.8

A

1008-5300(2015)03-0038-04