基于光学原理的标校工具设计*

苏仁生

(国营长风机器厂， 甘肃 兰州 730070)

基于光学原理的标校工具设计*

苏仁生

(国营长风机器厂， 甘肃 兰州 730070)

制导雷达在储存一定期限或经过维修后，需按照雷达测试程序对各项参数进行全面测试。在制导雷达测试前要将雷达电轴与信号模拟器喇叭电轴相重合。现行的测试场地标校方法的电轴重合精度低，且操作麻烦。针对这一问题，基于光学原理成功研制了一种新型标校工具——激光校准环，使得两电轴校准直观简单、操作方便。文中详细阐述了激光校准环的原理及结构组成。该设计对同类结构设计和拓展领域设计具有一定的借鉴作用。

轴线重合；光学原理；雷达标校；结构设计

引 言

制导雷达等电子设备在服役期内要定期进行保养和测试，以保证电子设备处于完好状态。但是在雷达进行保养和测试时必须根据雷达测试要求进行制导雷达与雷达测试设备之间的场地架设，而场地架设最基本的要求就是要使制导雷达的电轴与雷达目标模拟器喇叭电轴相重合。传统的标校方法是人工拉直线，用视觉判断。标校工作操作麻烦且误差较大，对测试中的一些敏感参数产生一定影响，误差严重时有可能对测试结果造成误判。

为了提高制导雷达电轴与雷达目标模拟器喇叭电轴的重合准确度，且操作简单直观，就必须设计出一种标校工具，通过简单的操作、直观的界面，将制导雷达电轴与雷达目标模拟器喇叭电轴重合到设计允许的误差范围内。为了满足这一测试需求，基于光学成像原理，成功研制了制导雷达测试场地标校工具——激光校准环。本文将详细介绍制导雷达测试场地架设步骤、激光校准环原理分析及结构组成。供大家在同类结构设计和拓展领域设计中参考。

1 传统标校方法及误差分析

1.1 传统制导雷达标校方法

如图1所示，第1步将雷达目标模拟器在水平地面固定，并将雷达目标模拟器的喇叭中心距水平地面的高度调整到预设值。然后按照自身水平仪的指示，分别上下转动4个水平调整手轮，使水平仪水泡处在水平仪中心位置。第2步将制导雷达通过专用支架固定在专用平台上，并将制导雷达电轴距水平地面的高度调整到与雷达目标模拟器喇叭中心相同的预设高度上。分别上下转动4个水平调整手轮，使得两个方向上的水平仪水泡都处在水平仪中心位置。第3步调整雷达目标模拟器的方位手轮，让AO=BO，即雷达目标模拟器喇叭运行到左右极限时，喇叭中心点到制导雷达天线馈源中心点距离相等。第4步用手工拉直线的方法让C点与制导雷达上已知直线DE共线。

图1 制导雷达场地架设图

1.2 标校的误差分析

从制导雷达场地架设的4个步骤看，对电轴重合误差影响最大的是第4个步骤，误差的具体计算见图2。

图2 误差计算图

图2中DEC为理论3点共线，DE1C1为实际3点共线。DE、DC所标尺寸为图1中DE、DC的实际长度。按照人眼最小分辨角为1′的理论[1]，在正常光线照明情况下，可以分辨两条直线的间距EE1大约为0.2 mm，根据图中比例关系计算得出CC1大约为2 mm。所以采用这种方法的理论误差在2 mm左右，而且操作费时麻烦。随着制导雷达本身精度的不断提高，对制导雷达测试误差的要求也越来越严格，传统的标校方法已经不能满足新型制导雷达的测试要求。为此设计了激光校准环替代步骤4进行共线判断。

2 激光校准环的工作原理及工程计算

2.1 激光校准环的工作原理

激光校准环的工作原理见图3，图中A、C为两个激光发射器的光源点；OB为制导雷达电轴；O为雷达目标模拟器喇叭端面中心点。当两个激光发射器光源点围绕制导雷达电轴做360°旋转时，两个激光束将在雷达目标模拟器喇叭端面上照射出两个圆形光斑，根据光学原理和两个激光发射器做圆周运动的规律[2]，两个圆形光斑集中到直径足够小的圆形区域内时可以认定雷达目标模拟器喇叭电轴与被测制导雷达电轴基本重合。这种方法的理论误差由激光束光斑直径决定，如光斑直径为1 mm，则理论误差可以小到0.5～1 mm。激光束在喇叭端面照射形成光斑如图4所示。

图3 激光校准环工作原理图

图4 激光束在喇叭端面照射形成的光斑

2.2 判定圆直径的确定

根据光学原理和三角函数关系可以得出，判定圆直径的大小与制导雷达方位、俯仰角度允许误差及两个激光发射器光源点连线与雷达目标模拟器喇叭端面的距离等因素相关。详细计算见图5。

图5 判定圆直径计算图

假设某型制导雷达相关测试参数方位与俯仰角度允许误差为3′；两个激光发射器光源点距离为700 mm；两个激光发射器光源点连线与雷达目标模拟器喇叭端面的距离为5 000 mm。

图中A点为激光发射器光源点，OB为制导雷达电轴，O为雷达目标模拟器喇叭端面中心点，α为激光束与制导雷达电轴的夹角。根据假设数据及各要素之间的三角函数关系计算得出：α=4.004°。α允许误差范围为±0.05°，分别用两个极限角度做射线，可以得到两个焦点C、D，两条射线与轴线的交点为O1、O2。当A点发出的激光束围绕OB转动，且α在允许误差范围内变动时，激光束将落在以max(OC,OD)为半径的圆内。判定圆直径可以初步设定为ΦD≤8.7 mm。现场使用时只要将两个激光发射器旋转数周，如果光斑始终落在判定圆内，就可以断定两轴线重合误差在允许范围内。

在实际工程应用时还要依据各行业的不同要求，针对AB及OB的具体公差范围，并用工差极限尺寸替代名义尺寸进行计算，最终确定合理的判定圆直径。

3 激光校准环的结构组成及各部件功能

激光校准环外形如图6所示，三维模型见图7。

图6 激光校准环外形图

图7 激光校准环三维模型图

激光校准环主要由安装环、滚动环、激光发射器组件等组成。安装环为整个激光校准环的基座，安装环上装有定位装置，可快速地将激光校准环定位到被测制导雷达上。安装环上装有水平仪，用来显示被测制导雷达的电轴是否处在水平状态。滚动环通过轴承和限位销钉连接到安装环上[3]。通过转动把手，可使滚动环做360°旋转。滚动环上装有两组激光发射器组件，用来产生旋转激光束。激光发射器组件安装在滚动环上，由激光发射器及可调整支架组成。激光发射器由激光二极管、光学透镜、调焦环等组成。具有光斑清晰、体积小、重量轻、功耗低等特点。

可调整支架能够微调激光发射器光源的方位、俯仰角度，用来消除结构件制造误差，保证激光发射器位置的准确性。

激光发射器的部分性能指标(供参考)：激光波长为635 nm；输出功率为0.5～30 mW；工作电压为DC 2.7～24V；工作电流≤450mA；光斑直径为1mm；工作温度为-10 ℃～75 ℃；储存温度为-40 ℃～85 ℃。

4 激光校准环的工程应用实例

激光校准环目前已经运用于某型制导雷达的标校中。传统的标校方法误差大于2 mm，标校时间需要20 min左右，而使用校准环进行标校，误差可以减小到0.5～1 mm，标校时间缩短到5 min左右，且操作简单，显示界面直观。激光校准环应用实例如下：

1)激光校准环在某型制导雷达上安装示意图见图8。

图8 在某型雷达上安装示意图

2)激光校准环在某型导弹上安装示意图见图9。

图9 在某型导弹上安装示意图

5 结束语

本文详细叙述了激光束围绕轴线旋转与相关轴线重合的原理及重合误差的分析方法。根据此原理和方法设计了某型制导雷达的激光校准环，使用该校准环进行标校与传统标校方法相比，明显缩短了标校时间，并提高了标校的精度。本文的设计思路可以应用到对相关轴线重合度有要求的不同领域和场合，据此开发出多种多样的设备，应用于各行各业。

[1] 姚进. 眼视光应用光学[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2011.

[2] 白廷柱, 金伟其. 光学成像原理与技术[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006.

[3] 邱成悌. 电子设备结构设计原理[M].南京: 南京大学出版社, 2001.

苏仁生(1958-)，男，长期从事机载、末制导雷达结构设计工作。

Design of Calibration Tool Based on Principle of Optics

SU Ren-sheng

(TheState-runChangfengMachineFactory，Lanzhou730070,China)

Guidance radar needs comprehensive test according to conventional testing procedures after the storage of a certain period of time or after maintenance. Radar axis and radar signal simulation horn axis must coincide before radar test. Accuracy of current calibration method is low and calibration operation is troublesome. To solve this problem, laser calibration loop which is a new type of calibration tool based on the principle of optics is designed. Using this tool, the two axis calibration becomes simple and intuitive and its operation is easy. The working principle and structure of the laser calibration loop are described in detail. The design has reference value for similar structure design and relevant designs in other domain.

axis coincidence; principle of optics; radar calibration; structure design

2013-03-04

TN249；TN959.2

A

1008-5300(2013)03-0026-03