精密测量雷达轴系正交精度检测方法研究

陈 戈，糜 敏，杨 林

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

轴系精度是测量雷达天线座的重要技术指标之一，该精度会直接影响测量雷达的测角精度。因此，在加工及装配过程中测量并控制轴系精度，对于保证天线座测角精度十分重要。

测量雷达天线座常用结构形式为燕尾式结构和叉臂式结构，两类天线座结构形式俯仰部分有较大不同。两者结构形式的差异，保证轴系精度所采用的方法及测量手段也有所不同。

目前普遍采用的轴系精度检测方法是利用水银盘、五棱镜等测量装置对天线座轴系精度进行最终评估。该方法对环境要求较高，需在无震动源、噪声源环境下进行测量，无震动源、噪声源环境是一种绝对理想的环境。一般天线座轴系精度要求在25 s内，振动源、噪声源对轴系正交误差高影响约4 s左右［1］。为了减少环境因素对轴系精度的影响，本文提出了一种新的虚拟定位检测方法。该方法能克服对测量环境苛刻要求。该方法在雷达装配中可为操作人员提供数据支撑，在装配前期发现问题并进行预防，节省测量时间，降低工作强度。

1 天线座轴系精度

燕尾式结构天线座采用俯仰为双短轴、双悬臂结构，如图1所示。左右俯仰轴安装孔在俯仰箱两侧，通过机加工保证左右俯仰轴保持同轴和等高，同时满足俯仰轴与方位轴的垂直度。

图1 软件架构图

叉臂式天线座结构形式，如图2所示。天线座方位转台左右支臂上的轴承支座与天线阵面两侧的短轴形成简支梁形式，俯仰轴系采用组合轴形式，俯仰轴承的支撑跨距大，并且天线质量较大。通过修配左右支臂底部的垫板，保证左右俯仰轴保持同轴和等高，同时满足俯仰轴与方位轴的垂直度［2］。

图2 叉臂式结构天线座

天线座的轴系精度主要有:方位轴与大地的垂直度γ;俯仰轴与方位轴的垂直度δ;天线电轴与俯仰轴的垂直度κ［1］。通常将γ、δ、κ三项误差的均方根值作为天线座轴系精度的综合指标。其中俯仰轴与方位轴的垂直度δ即轴系正交精度［3-4］。

2 轴系正交精度检测方法

2.1 燕尾式结构天线座轴系精度检测方法

目前，检测燕尾式结构天线座俯仰轴和方位轴的垂直度，常用方法为使用自准直光管配合水银盘、五棱镜完成。该方法原理为建立标准基准面，利用自准直光管在反光镜中投影反射像的角度差检测。

用水银盘、五棱镜测量方法要求检测环境无震动源、噪声源，对燕尾式结构天线座装配后的精度，只能做出最终符合性判断。

2.2 叉臂式结构天线座轴系精度检测方法

为保证叉臂式结构天线座左右轴的等高及同轴要求，通常需配磨左右支臂底板的垫板。根据该类型天线座结构特点，提出了一套新的测量方法—虚拟定位检测法。

虚拟定位检测法是建立一条平行于大地的俯仰轴虚拟的公共轴线，将天线箱体上左右轴头空间位置确立，检测出天线座俯仰轴与俯仰公共轴线偏差量并加以修正。检测示意图如图3所示。

图3 测量示意图

具体检测方法为:

1)将测微准直光管放置在被测天线座体外，在天线座俯仰轴的一端将测微准直光管的基准水平轴线建立，并保证基准水平轴线通过天线方位旋转中心。

2)在俯仰左右轴的被测轴孔中放置专用靶架，保证靶架中心通过轴心线，且靶架平面与轴心线垂直。

3)通过微调机构，调整靶架上的目标分划板1#、2#、3#、4#四块，使目标分划板的中心和俯仰轴内径基准同轴，以靶心体现孔的中心。

4)将目标分划板1#、4#连线作为测微光管仪器的定位基准轴，后旋转天线座180°后建目标分划板4#、1#基准，消除天线座不水平度。

5)观察目标分划板1#和目标分划板4#的高差。如果有差别，通过测微鼓轮将仪器十字线与分划板中心相重合读出偏差值，通过对叉臂转台上平面修磨调整。

6)调整好后，如仪器中心和1#、4#分划板中心重合，则证明光管与目标分划板1#和4#确立了公共轴线基准视线。

7)利用确立的公共轴线基准视线观察1#、2#和3#、4#两轴头的轴心线测得差值△Ⅰ和△Ⅱ，根据式(1)计算出相应的倾斜调整量，结合反变形的修磨系数，配磨垫板。

式中:H为倾斜修磨量;Δ为与基准轴线差值;a为1#、2#或3#、4#垫板长度;L 为 1#、2#或 3#、4#目标分划板距离。

8)X方向将左右轴头轴心线向测微准直光管建立的基准水平轴线调整至最小值，通过测微准直光管观察1#、2#和3#、4#分划板的轴线和基准轴线的偏差，利用测微鼓轮测出结果，结合Y方向1#、2#和3#、4#的差值，通过式(2)、式(3)、式(4)、式(5)，计算获得左轴及右轴的测量值，取最大值作为静态轴系误差值［5］。

式中:L为1#、2#或3#、4#目标分划板距离;a为左轴或右轴的长度;Δx为1#、2#或3#、4#和基准轴线X 方向的差值;Δy为1#、2#或3#、4#和基准轴线 Y方向的差值;θ'i为左轴的轴系误差值;θ″i为右轴的轴系误差值。

9)考虑到天线箱体非球体结构，上下前后重量不等，会产生相应的变形，导致俯仰轴挠度的变化。为测出最大的动态轴系误差，用上述测量方法，通过转动天线箱体俯仰角度，测出0°～90°的雷达俯仰工作行程中动态的轴系正交最大值。

2.3 测量方法误差分析

俯仰轴和方位轴正交精度测量误差的影响因素主要有以下几点:一是自准直平行光管光轴与俯仰轴不重合引起的误差;二是自准直平行光管光轴与天线方位旋转中心不相交引起的误差;三是仪器、测量装置本身误差;四是瞄准、读数不稳定等视觉误差［6］。

自准直平行光管光轴与俯仰轴不重合引起的误差、自准直平行光管光轴与天线方位旋转中心不相交引起的误差、瞄准、读数不稳定等视觉误差等与测量者有直接关系，属于人为因素，可通过技术培训提高测量人员操作技能。仪器、测量装置本身误差属于测量系统固有误差，测量仪器的精度在固定周期内需专业鉴定，测量仪器误差在0.5 s内。对于天线座轴系正交精度，测量仪器固有误差可忽略不计。

2.4 小结

1)燕尾式天线座和叉臂式天线座结构形式的不同，保证轴系精度所采用的加工、装配方法及测量手段也有所不同。

2)水银盘、五棱镜测量方法要求检测环境无震动源、噪声源;虚拟定位检测法克服了对测量环境的苛刻要求。

3)水银盘、五棱镜测量方法对燕尾式天线座装配后的精度，只能做出最终符合性判断;虚拟定位检测法能够对叉臂式天线座装配过程控制检测，对天线座装配有指导性。

3 结束语

本文针对精密测量雷达天线座轴系的正交精度测量，分析了两种天线座结构，并根据结构特点对比了两种轴系精度检测方法，对叉臂式天线座提出了一种新的虚拟定位检测方法。该方法对测量环境要求低，并能有效测量雷达的轴系误差。该方法在雷达装配中可为操作人员提供数据支撑，在装配前期发现问题并进行预防，节省测量时间，降低工作强度。

［1］ 平丽浩，黄普庆，张润逵.编著.雷达结构与工艺［M］.北京:电子工业出版社，2007.Ping Lihao，Huang Puqing，Zhang Runkui.Radar structure and process［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007.

［2］ 吴 迤.测量雷达天线座轴系精度分析［J］.电子机械工程，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］ 王德纯.精密跟踪测量雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Wang Dechun，Ding Jiahui，Chen Wangdong.The technology of precision tradning and instrumentation radar［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［4］ 赵建科，郑中林.光电跟踪经纬仪水平轴和垂直轴垂直误差测量［J］. 测试技术学报，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］ 何赐方，唐家才.形位误差测量［M］.北京:中国计量出版社，1998.He Cifang，Tang Jiacai.Shape and position error measurement［M］.Beijing:Chino Metrology Publishing House，1998.

［6］ 吴风高.天线座结构设计［M］.西安:西北电讯工程学院出版社，1986.Wu Fenggao.Structural design for antenna pedestal［M］.Xi＇an:Northwest Telecommunication Engineering Institute Press，1986.