王慶東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

一種天線反射面測(cè)量新方法*

王慶東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

為了更加便利地實(shí)現(xiàn)對(duì)天線反射面的測(cè)量，在傳統(tǒng)測(cè)量方法經(jīng)緯儀鋼帶尺法的基礎(chǔ)上，引入了角度前方交會(huì)的測(cè)量原理，即將兩臺(tái)經(jīng)緯儀與天線反射面旋轉(zhuǎn)軸同軸布置組成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，利用激光經(jīng)緯儀發(fā)射的同軸激光束在天線反射面上形成光斑，用另一臺(tái)經(jīng)緯儀觀測(cè)光斑并讀出俯仰角度。俯仰角度測(cè)量值換算后即可得出該點(diǎn)的法向偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線反射面的測(cè)量。新測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線反射面的無接觸測(cè)量。

天線反射面；測(cè)量；激光經(jīng)緯儀

引 言

對(duì)于天線反射面由平面曲線繞天線旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的天線，其傳統(tǒng)測(cè)量方法為經(jīng)緯儀鋼帶尺法。方法具體為：經(jīng)緯儀布置于天線旋轉(zhuǎn)軸并調(diào)整同軸，鋼帶尺通過反射面中心緊貼反射面并沿鋼帶尺上的標(biāo)線在反射面上逐個(gè)做標(biāo)記，經(jīng)緯儀測(cè)量各目標(biāo)的俯仰角度并記錄，最終通過計(jì)算各點(diǎn)的角度誤差值得出天線反射面的精度[1]。

激光經(jīng)緯儀采用一條激光束作為可見參考線，其光軸與望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸重合，這樣可以用激光光斑指示照準(zhǔn)的目標(biāo)位置，而這一激光束所指的水平方向及豎直方向的角度同樣可以通過經(jīng)緯儀的水平度盤及垂直度盤讀出[2]。

根據(jù)激光經(jīng)緯儀發(fā)射同軸激光束并在天線反射面上形成可見光斑的特點(diǎn)，可以將光斑作為測(cè)量合作目標(biāo)，采用角度前方交會(huì)的測(cè)量原理，用另一臺(tái)經(jīng)緯儀觀測(cè)目標(biāo)并讀出其角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線反射面的測(cè)量。

1 測(cè)量原理

1.1 經(jīng)緯儀鋼帶尺法簡(jiǎn)介

如圖1所示，被測(cè)量點(diǎn)P由鋼帶尺轉(zhuǎn)移至反射面上，理論坐標(biāo)通過反射面曲線方程及已知帶尺弧長(zhǎng)l求得。經(jīng)緯儀A架設(shè)在反射面旋轉(zhuǎn)軸線上，高度h已知，因此經(jīng)緯儀的理論垂直角a即可求得。用實(shí)際觀測(cè)值與理論值進(jìn)行比較，即可得到P點(diǎn)偏差[3]。

1.2 新方法的測(cè)量原理

新方法和經(jīng)緯儀鋼帶尺法的主要區(qū)別在于：用一臺(tái)激光經(jīng)緯儀代替鋼帶尺；用激光束在反射面上形成的光斑代替用鋼帶尺在反射面上作的測(cè)量標(biāo)記。如圖2所示，兩臺(tái)經(jīng)緯儀采取與天線旋轉(zhuǎn)軸同軸布置的方式，O點(diǎn)為曲線坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖1 經(jīng)緯儀鋼帶尺法原理圖

圖2 新方法的測(cè)量原理圖

由于經(jīng)緯儀與天線曲線共用一個(gè)直角坐標(biāo)系，且高度Ha、Hb已知，因此可通過曲線上某點(diǎn)數(shù)據(jù)Pi(Xi,Zi)得出激光經(jīng)緯儀的理論俯仰角bi。測(cè)量時(shí)調(diào)整激光經(jīng)緯儀的俯仰角為bi，讓同軸激光束在反射面上形成光斑，用另一臺(tái)經(jīng)緯儀讀出光斑處的實(shí)際俯仰角ai′，通過計(jì)算即可得出該點(diǎn)的法向偏差。具體過程如下。

1.3 理論俯仰角解算

取天線曲線中一點(diǎn)Pi(Xi,Zi)，可解算得到激光經(jīng)緯儀的理論俯仰角bi。

式中：Xi為Pi點(diǎn)之X軸向長(zhǎng)度，mm；Zi為Pi點(diǎn)之Z軸向長(zhǎng)度，mm；Hb為激光經(jīng)緯儀儀器中心與坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離，mm。

1.4 法向偏差解算

測(cè)量時(shí)，激光經(jīng)緯儀按理論角度bi將激光束投射到反射面上形成光斑，然后用光學(xué)經(jīng)緯儀讀出光斑的俯仰角ai′，將ai′代入下列公式即可解算出光斑Pi之法向偏差。

式中：Ha為兩臺(tái)經(jīng)緯儀中心高度差，mm；ai′是光學(xué)經(jīng)緯儀的實(shí)測(cè)俯仰角，度；bi是激光經(jīng)緯儀的理論俯仰角，度；Xi是點(diǎn)Pi的X軸向理論坐標(biāo)，mm；α是點(diǎn)Pi的法向角，度。

2 系統(tǒng)誤差分析

2.1 系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：激光經(jīng)緯儀激光束與視準(zhǔn)軸的同軸度偏差，設(shè)備標(biāo)定為5″；經(jīng)緯儀強(qiáng)制對(duì)中偏差，單臺(tái)儀器對(duì)中偏差0.1 mm[4]；經(jīng)緯儀儀器中心高度偏差，高度測(cè)定采用室內(nèi)平臺(tái)高度尺法量取，精度優(yōu)于0.05 mm[3]。此外還有視覺誤差，經(jīng)緯儀指標(biāo)差等。

綜合上述誤差，參考某9 m口徑天線曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得出其系統(tǒng)誤差為0.2 mm。

2.2 激光束同軸度偏差的修正

激光束同軸度偏差是系統(tǒng)誤差的主要因素，天線口徑越大影響越明顯?？紤]到激光束同軸度偏差只有俯仰方向的偏差分量對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，因此可采取下述方法進(jìn)行修正。

如圖3所示，在室內(nèi)找一僻靜處架設(shè)測(cè)量系統(tǒng)。首先檢驗(yàn)并校正經(jīng)緯儀各指標(biāo)差，調(diào)整系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸鉛垂并將經(jīng)緯儀精密整平。選擇前方約50 m處一垂直面，激光經(jīng)緯儀盤左調(diào)整俯仰角為90°并在垂直面上形成光斑，光學(xué)經(jīng)緯儀按盤左盤右方法取出光斑的俯仰角度值α1。激光經(jīng)緯儀再盤右調(diào)整俯仰角為270°并在垂直面上形成光斑，光學(xué)經(jīng)緯儀按盤左盤右方法取出光斑的俯仰角度值α2。以上過程需重復(fù)多次。

圖3 激光束同軸度偏差的修正方法

假設(shè)激光束與視準(zhǔn)軸在俯仰方向的同軸度偏差值為β，應(yīng)有公式：

分別代入角度值α1、α2即可求出激光束在俯仰方向的同軸度偏差值β。經(jīng)過估算，在對(duì)激光束同軸度偏差進(jìn)行修正后，對(duì)某9 m口徑天線進(jìn)行測(cè)量時(shí)其系統(tǒng)精度應(yīng)優(yōu)于0.1 mm。

3 應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀鋼帶尺法對(duì)于不同曲線、不同口徑天線的測(cè)量，需要定制不同長(zhǎng)度和不同標(biāo)記分布的鋼帶尺。正因?yàn)殇搸С叩膶Ｓ眯詫?dǎo)致經(jīng)緯儀鋼帶尺法適用性較差。而新方法用激光經(jīng)緯儀代替鋼帶尺，用激光光斑代替鋼帶尺所作的標(biāo)記，依據(jù)角度前方交會(huì)的測(cè)量原理對(duì)天線反射面進(jìn)行測(cè)量。因此可輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)不同曲線、不同口徑天線的測(cè)量，理論上可實(shí)現(xiàn)100 m口徑天線的測(cè)量(激光經(jīng)緯儀同軸激光束的有效照射距離為50 m)。

新方法目前采用普通光學(xué)經(jīng)緯儀，測(cè)量時(shí)依然采用手動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)，人工讀數(shù)，逐點(diǎn)觀測(cè)的方法，工作效率無法繼續(xù)提高。而相關(guān)文獻(xiàn)表明，工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域中采用的電子經(jīng)緯儀TM3000L和TM3000V均采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。其中TM3000L有一個(gè)激光目標(biāo)投射器，用于在被測(cè)物的表面標(biāo)志出目標(biāo)點(diǎn)。TM3000V為攝像經(jīng)緯儀，它內(nèi)置一小型CCD攝像機(jī)，可自動(dòng)捕獲目標(biāo)并記錄視準(zhǔn)軸的方位俯仰角。如果采用TM3000L代替激光經(jīng)緯儀，按預(yù)設(shè)角度在天線反射面上自動(dòng)逐一投射激光光斑，用攝像經(jīng)緯儀自動(dòng)捕獲并逐一記錄其俯仰角，所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至電腦并被軟件自動(dòng)處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線反射面的自動(dòng)測(cè)量，極大地提高了測(cè)量工作效率。

4 結(jié)束語

本文以提高測(cè)量便利性為切入點(diǎn)，闡明了一種新的測(cè)量方法。新方法以傳統(tǒng)測(cè)量方法為基礎(chǔ)，通過角度前方垂直交會(huì)的方式，實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)便且適用性強(qiáng)的天線反射面測(cè)量方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無接觸測(cè)量。在采取誤差修正措施后，有效地提高了系統(tǒng)精度。在引入先進(jìn)測(cè)量設(shè)備后，工作效率也有望得到極大的提高。

[1] 濮龍珍, 周云霞, 杜和泉, 等. GJB 2679—96 雷達(dá)天線分系統(tǒng)性能測(cè)試方法：面天線尺寸[S]. 1996: 1-8.

[2] 劉海波, 賈敏強(qiáng), 郭利民, 等. 利用JSJ-ⅡZ系統(tǒng)對(duì)激光經(jīng)緯儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)[J]. 計(jì)量技術(shù), 2007(1): 45-47.

[3] 張萬才, 陳宏輝. 一種旋轉(zhuǎn)面天線的測(cè)量方法[J]. 無線電通信技術(shù), 2006, 32(5): 36-37.

[4] 李宗春. 天線幾何量測(cè)量理論及其應(yīng)用[M]. 北京: 測(cè)繪出版社, 2009.

A New Method for Measurement of Antenna Reflector

WANG Qing-dong

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

For more convenient measurement of antenna reflector, the measurement principle of forward intersection is introduced based on traditional method of theodolite steel-belt ruler. The new method forms a measurement system by two theodolites aligned in the center axis of antenna reflector. The light spot on the antenna reflector is formed by the coaxial laser beam of one laser theodolite, while the pitching angle is got by the other theodolite testing the spot. The deviation of the spot can be calculated by the measured value of the pitching angle, then realizing the measurement of the antenna reflector. The new method is simple and adaptable, and realizes contactless measurement of antenna reflector.

antenna reflector; measurement; laser theodolite

2014-09-24

TN82；TB92

A

1008-5300(2014)06-0034-02

王慶東(1973-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€工藝。