大型相控阵雷达阵面平面度测量方法研究*

宋南海，梅启元，向 熠

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型相控阵雷达阵面平面度测量方法研究*

宋南海，梅启元，向 熠

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

阵面平面度是天线阵面设计的关键指标，其准确测量是指标校核的重要手段。文中从大型相控阵雷达的阵面平面度的测量需求出发，分析了现有常规测量手段在各型雷达中的适应性，并结合工程实际应用阐述了各方法在实际测量中的关键点，为同类应用时方法的选取和使用提供了依据。同时，针对现代大型相控阵雷达的设计特点，提出了平面度测量的未来趋势。

大型相控阵雷达；天线阵面；平面度；测量

引 言

相控阵天线是指由多个辐射单元排阵所构成的定向天线，其天线辐射单元的辐射激励和相位关系可控。在二维平面上规则或周期性排列若干辐射单元，形成平面阵天线[1]，目前大型相控阵多为此类。阵面平面度作为平面阵天线设计的一项关键指标，是指天线阵面的实际反射面与理想反射面的偏差[2]，该偏差会引起天线单元之间的相位误差，使得天线增益降低、副瓣电平增高，从而导致天线的波束指向精度变差。

天线阵面平面度的准确测量可以对天线阵面结构指标设计进行最终校核，同时为高精密在线装调提供调整依据，而且对于大型高精度短波相控阵雷达来说，精确的测量结果甚至还可用于对电信号相位差进行实时补偿或校准，即对整个天线系统的误差进行补偿，提高雷达的指向精度。因此，阵面平面度的测量方法对于雷达系统设计来说非常重要。

本文从雷达阵面平面度的测量需求出发，结合工程实际，对各种测量方法的原理、使用条件等进行了阐述，为后续应用提供参考。

1 阵面平面度测量需求

理论计算表明，天线性能与结构误差的均方根值有关，而并不决定于个别点的误差最大值[3]，因此，对于雷达阵面平面度的测量，一般是指阵面单元拟合平面的均方根值。

由电磁波辐射理论可知，采用规则排列的辐射单元，通过相位控制可以在某一方向上形成相长干涉，达到辐射增强的目的。而平面相控阵天线就是采用多个辐射单元规则排阵形成的平面阵结构，为提高雷达的辐射功率，常常采用增大天线口径也就是增加辐射单元数量的方法获得满足雷达所需的天线增益，以实现用户提出的技战术指标。

目前，远程预警类或测控类雷达的阵面规模有的已达数十米。根据波段的不同，阵面平面度要求也不一样，常规要求为阵面平面度(均方根)数毫米，如某大型相控阵雷达阵面口径30m，平面度要求3.8 mm[4]。而某些高精度短波段雷达(如X或毫米波段)，阵面口径没有减小，但平面度要求却大大提高，有的要求达到均方根0.5 mm以下。可见，大规模和高精度是目前大型相控阵雷达阵面平面度测量的两大特点，这也给平面度测量带来了挑战。

影响天线阵面平面度的因素包括天线阵面的制造误差、装配误差、大盘不水平或轮轨轨道不平、阵面在外载作用下的结构变形。结构变形误差决定于天线的工作条件和工作方式，它是结构设计时需要考虑的主要指标。外载荷一般为重力、温度、风载荷以及冰载荷。一般来说，重力载荷在不同仰角情况下是不一样的，因此，阵面平面度测量手段要能适应多种工况的需求。

另外，一般大型固定阵地相控阵雷达都是固定阵地布局，通过天线罩可以保证保精度工作的小环境要求，但是局部的空间限制可能会对平面度的测量带来不利影响。

2 阵面平面度测量技术

为保证天线阵面的精度，除了优化设计、精密制造以外，还需要精确测量，准确获得天线单元的实际位置，为安装调整工作提供依据。从目前的工程实际来看，常用的阵面平面度测量技术有双经纬仪、全站仪、工业摄影测量等。

2.1 经纬仪测量技术

经纬仪测量技术是指由两台或两台以上高精度电子经纬仪与计算机联机，根据角度空间前方交会测量原理来获取空间点的三维坐标，系统的尺度通过对基准尺的测量来确定，可实现高精度、无接触测量。由于在测量站上安装仪器时，不能保证垂直轴铅垂，因此在角度测量时，需要对角度测量值进行倾斜补偿，即进行电子补偿。目前，一些商业公司的测角标称精度能够达到0.5″。

单台经纬仪的主要用途是测量角度，而通过两台经纬仪就可以测量待测点的坐标。经纬仪测量系统的测量原理为空间前方交会，如图1所示。以双经纬仪系统为例，两台经纬仪位于A和B，以经纬仪A的中心(轴系交点)为坐标原点，A与B连线在水平面的投影为X轴，构成测量坐标系。

图1 经纬仪前方交会测距原理

A、B互瞄即分别观察目标P的观测值(水平方向值、竖直方向值)分别为：γAB、αAB、γBA、αBA、γAP、αAP、γBP、αBP。其中γAB、αAB分别表示经纬仪A瞄经纬仪B的水平角度值和竖直角度值，其余依此类推。

设水平角α=γAB-γAP，β=γBP-γBA，则通过三角关系可以求得P点的三维坐标：

式中：b为基线长，即经纬仪A和B的水平间距，可通过两台经纬仪对某一基准测量求得，也可以用高精度的测距系统直接测定；h为两台经纬仪的高差，且

由此可以看出，要想获取空间点的三维坐标值，必须首先建立测量坐标系，即要得到A、B站的坐标值。具体来说，就是要确定AB方向和距离基准。通常的方法是采用经纬仪对某一长度基准进行观测，进行系统定向。此项工作需要在观测条件较好的情况下进行。另外，仪器间进行精确互瞄之前必须先精确整平仪器。

经纬仪测量系统在几米至十几米测量范围内的测量精度可以达到±(0.02～0.10) mm，但是其精度取决于诸多因素：测角精度、系统定向精度、脚架的稳定性、外界条件、观测标志及观测员的操作技能等，室外测量时要尤其注意创造最佳条件[5]。工程实际应用中，经纬仪多用在大型射电望远镜天线阵面的安装测量中。虽然经纬仪测量精度高，但因为其单点测量、设站复杂以及对操作人员要求高的特点，在雷达天线阵面测量中仅有少量应用。

2.2 全站仪测量技术

全站仪在天线装调过程中使用广泛。将测距仪小型化并完全集成在经纬仪系统中，则获得了能同时测量角度和距离，快速测定目标点三维坐标的仪器，即全站仪。

全站仪的坐标测量原理为极坐标测量，如图2所示。以全站仪的设站点O为原点形成直角坐标系O-XYZ。设全站仪测量P点的观测值分别为：水平角α，垂直角β，斜距S，即可获得P点在测站坐标系下的坐标。

图2 极坐标测量原理

全站仪测距为红外测距，以棱镜和反射片为测距合作目标，通过相位法获得待测距离。目前商业公司推出的无棱镜测距全站仪的测距精度已经达到±1 mm。

提高系统精度的关键是对全站仪的系统误差进行修正和补偿。和经纬仪一样，全站仪的测量结果也需要进行大气折射率修正以得到精确的结果，但如果是针对天线阵面平面度的测量标定，则只需要知道喇叭单元之间的相对位置关系，大气修正不是必须的。

2.3 工业摄影测量

工业摄影测量是利用相机对被测目标拍摄像片，通过图像处理和摄影测量处理获取目标的几何形状和运动状态，其测量原理如图3所示。通过一台高分辨率相机对被测物在不同位置拍摄，得到物体的2张以上二维图像，经计算机图像匹配处理后得到精确的三维坐标。二维影像在像平面坐标系中是二维坐标值，但在摄影测量坐标系中可以利用摄影焦距参数将像点坐标转换成目标点的2个角度观测值，因而测量原理和经纬仪测量系统相似，均是三角形交会法。由于相机之间无法像经纬仪一样实现精确互瞄，通常采用光束法平差定向技术，即通过不同位置的相机对多个目标同时测量产生多余观测量，以解算出相机间的位置和姿态关系。

图3 摄影测量原理示意图

工业摄影测量是一种可以瞬间获取被测目标大量物理信息和几何信息的非接触测量方法，特别适合于测量点众多的动态目标，已经广泛应用于天线测量中。其典型精度是±10×10-6D，D为测量范围。早在1991年，美国GSI公司采用工业摄影测量对一个直径22 m的紧缩场反射面进行校准，表面测量精度为±0.018 mm，相对精度达到1∶106。

表1对文中提到的几种测量方法的特点进行了汇总。

表1 阵面平面度测量方法对比

3 天线阵面平面度测量实例

3.1 某雷达装调检测

某雷达天线口径30 m，阵面平面度要求3.8 mm。天线阵面通过调整机构安装到天线楼骨架上的过渡件上，以实现天线阵面的快速装调。

天线阵面的平面度通过两方面来保证：一方面通过全站仪瞄准天线楼上的过渡件，保证整个天线楼表面的所有过渡件共面，作为天线阵面安装的初步调整，同时位置精度符合要求；另一方面通过摄影摄像法对安装天线阵面的调整机构进行平面度复测，并在天线阵面安装完成后再次进行复测。

过渡件上表面设计有1 mm线宽的十字刻线槽，并用亮色油漆涂覆，可以作为全站仪瞄准的靶标。当测量显示过渡件不共面时，通过局部增加薄垫片的方法进行调整，依次完成天线阵面安装基准平面的调整。

过渡件装调完成后，将调整机构安装至过渡件上，测量调整机构上表面的平面度，并预调安装面的平面度至1 mm，再将所有天线子阵面安装到位，并用摄影摄像法测量整个天线阵面的平面度，确保其满足要求。测量时，靶标分别贴于调整机构表面和天线阵面上表面，而安装调整时，调整机构的调整量需要通过摄影测量结果进行反馈。调整机构及过渡件示意见图4。

图4 调整机构及过渡件示意图

本次装调采用的摄影测量系统精度优于0.1 mm。影响天线阵面装调平面度的因素除了摄影测量本身之外，还与调整环节的各项误差有关：测量过渡件共面的全站仪测量误差典型值0.2 mm，调整机构安装面的平面度1 mm，60个子阵面制造装配后的平面度1 mm，以及自重、温度引起的子阵面的不均匀性。最终实测平面度为3.3 mm。

该技术采用快速精密调整机构减少误差环节、避免误差累积，采用数字摄影测量方法，在保证阵面平面度的前提下，不仅降低了制造、装配要求，还能在雷达使用过程中对阵面平面度进行监测调整，消除阵面安装面可能产生的不均匀变形的影响，从而确保满足雷达全寿命周期内的精度要求。

3.2 某天线阵面平面度摄影测量

某雷达口径7 m × 7 m，要求准确测量出阵面各点的变形情况，拟合出阵面平面度。从力学仿真情况来看，靠近轴头位置处变形比较明显，靶标贴得较多，间距较小，要求测量的精度优于0.1mm。因此，采用v-stars/s摄影测量系统进行了平面度测量，所使用靶标直径6 mm，靶标个数约3 100个，贴于天线表面，采用4根基准尺，其互差为0.01 mm。要求测量上下平面的平面度与俯仰角度的关系，操作时在吊车上对待测天线进行拍照，然后进行数据处理。

测量结果云图如图5所示，结果表明，阵面中间产生向下的变形，使得左右阵面(两端俯仰轴)不在同一平面，经拟合计算，左右阵面最大夹角可达50″。

图5 某雷达天线阵面摄影测量结果

天线阵面的平面度为2.285 mm(峰峰值)、0.375 mm(均方根)。左阵面(站在阵面前方看阵面)的平面度为1.562 mm(峰峰值)、0.246 mm(均方根)。右阵面(站在阵面前方看阵面)的平面度为1.677mm(峰峰值)、0.287 mm(均方根)。

3.3 罩内阵面的平面度测量

一般大型相控阵雷达都配有天线罩，为雷达设备提供独立、封闭的空间，有效阻挡外界的风、雨、雪等环境因素对雷达设备的影响，并进行环境控制，给雷达提供良好的使用环境，确保雷达的精度。天线罩是用对雷达电磁波具有高透过率的材料制成，但是对可见光不透光。因此，在有天线罩的使用场合，由于天线罩的遮挡，常规的测量方法实施困难。例如，罩内阵面在不同俯仰角下的平面度测量，使用经纬仪、全站仪等就不太合适，测量仪器架设困难，很多测量点可视性差。此时，摄影测量是一个选择，但是对于口径较大的天线阵面，相机架设距离有限，需要多幅图像拼接成整个天线阵面，拼接误差将导致精度损失。

4 结束语

在大型相控阵雷达发展过程中，雷达口径不断增大，精度要求不断提高，对天线平面度的准确测量提出了越来越高的要求。根据要求、使用环境、场地等具体条件，选取合适的测量方法，对天线精度的最终调整和校核至关重要。

文中提到的几种方法均是离线测量的方法，不能做到平面度实时测量、误差实时修正。平面度误差的实时监测可以作为电信号相位补偿的输入，可以提高雷达精度，是雷达智能感知的关键一环。相位光电位置传感器和动态位移传感器结合[6]或者加速度传感器[7]可以进行天线阵面形变的实时测量，或者采用视觉测量手段[8]，采用图像处理的方法，可以对各个姿态雷达的阵面平面度进行实时采集。发展类似的在线实时高精度测量手段将是未来大型相控阵雷达平面度测量的趋势。

[1] 张祖稷, 金林, 束咸荣. 雷达天线技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[2] 叶尚辉, 李在贵. 天线结构设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1988.

[3] 张雪芹, 冯小明. 波导缝隙相阵天线阵面平面度误差分析[J]. 火控雷达技术, 2000, 29(4): 45-49.

[4] 赵希芳, 沈文军, 马利华. 大型天线阵面平面度分析与控制[J]. 电子机械工程, 2014, 30(2): 37-39.

[5] 李广云, 李宗春. 工业测量系统原理与应用[M]. 北京: 测绘出版社, 2011.

[6] 陈竹梅, 平丽浩, 徐东海, 等. 机载大尺寸天线平面度控制与测试研究[J]. 现代雷达, 2010, 32(4): 82-87.

[7] 王长武, 平丽浩. 雷达天线实时变形测试系统[J]. 现代雷达, 2006, 28(12): 90-91, 103.

[8] 孙军华, 张广军, 魏振忠, 等. 大型自由曲面移动式三维视觉测量系统[J]. 仪器仪表学报, 2006, 27(12): 1688-1691.

宋南海(1983-)，男，博士，工程师，主要从事大型相控阵雷达结构总体设计工作。

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