顧立彬　趙選榮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所　西安　710068)

0　引言

某炮瞄雷達(dá)的天線(xiàn)座結(jié)構(gòu)型式為俯仰-方位型，它接收警戒雷達(dá)指示的概略位置后，精確地跟蹤目標(biāo)，并連續(xù)準(zhǔn)確地測(cè)出目標(biāo)方位，通過(guò)指揮系統(tǒng)給火炮傳達(dá)指令，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊。炮瞄雷達(dá)的指向精度直接影響火炮的命中概率。天線(xiàn)座的軸系誤差直接影響雷達(dá)的指向精度。

雷達(dá)的指向精度反映了天線(xiàn)電軸轉(zhuǎn)到指令方向的準(zhǔn)確度。輸入指令方向與天線(xiàn)電軸之間的空間角定義為指向誤差[1]。方位-俯仰型天線(xiàn)座的軸系誤差直接影響指向精度。本文主要通過(guò)分析天線(xiàn)座的軸系誤差對(duì)指向精度的影響，進(jìn)而提出工程研制中常用的解決辦法。

雷達(dá)的三軸是指幾何軸(機(jī)械軸)、光軸和電軸。機(jī)械軸是指通過(guò)天線(xiàn)中心，與俯仰軸垂直的軸線(xiàn)。光軸指光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的物鏡中心線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的射線(xiàn)，用它來(lái)校正天線(xiàn)電軸與俯仰軸的垂直度，標(biāo)定天線(xiàn)的方位角和俯仰角。電軸是指天線(xiàn)波瓣增益最大方向所對(duì)應(yīng)的射線(xiàn)[1-2]。

1　天線(xiàn)座軸系誤差分析

方位-俯仰型天線(xiàn)座的軸系誤差包括方位軸與俯仰軸的不正交性、水平調(diào)整剩余誤差和電軸與俯仰軸的不垂直性三種。

1.1　方位軸與俯仰軸不正交性[1]

假定：方位軸鉛垂，電軸與俯仰軸垂直，方位軸與俯仰軸不垂直。如圖1所示，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電軸在傾斜面XOZ′上轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)任一目標(biāo)P，則有：

方位角誤差：ΔA≈α·tanE；

上式中：

A—天線(xiàn)電軸的真實(shí)方位角；

E—天線(xiàn)電軸的真實(shí)俯仰角；

A′—天線(xiàn)座方位軸轉(zhuǎn)角；

E′—天線(xiàn)座俯仰軸轉(zhuǎn)角；

ΔA—方位角誤差；

ΔE—俯仰角誤差；

α—俯仰軸實(shí)際位置與理想位置的空間夾角；

由上式可知，俯仰角誤差為二階微量，一般可以忽略不計(jì)。

1.2　水平調(diào)整剩余誤差[1]

假定：方位軸與俯仰軸垂直、電軸與俯仰軸垂直，方位軸不鉛垂。如圖2所示，方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，俯仰軸和電軸均在傾斜面(虛線(xiàn)表示)上轉(zhuǎn)動(dòng)，傾斜面與水平面成夾角β，則有：

方位角誤差：ΔA≈γ·tanE≈β·tanE·sinA；

俯仰角誤差：ΔE≈β·cosA；

上式中：

β—方位軸實(shí)際位置與鉛垂線(xiàn)的空間夾角；

δ—俯仰軸對(duì)水平面的傾角；

1.3　電軸與俯仰軸的不垂直性[1]

假定：方位軸鉛垂，方位軸與俯仰軸垂直，電軸與俯仰軸不垂直。如圖3所示，電軸與機(jī)械軸的夾角為γ，當(dāng)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方位角誤差(ΔA)和俯仰角誤差(ΔE)隨俯仰角變化而變化。

上式中：

γ—電軸與機(jī)械軸的空間夾角；

由上式可知，俯仰角誤差為二階微量，一般可以忽略不計(jì)。

由于三種誤差都與方位角和俯仰角有關(guān)系，最大值不可能同時(shí)出現(xiàn)，也可以采用均方根的計(jì)算方法定義天線(xiàn)座軸系誤差，作為天線(xiàn)座的軸系制造精度綜合指標(biāo)[3][4]，即：

2　工程研制解決方法

由于設(shè)備的制造和安裝調(diào)整不準(zhǔn)確，天線(xiàn)座的軸系誤差不可避免，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)試中采取一些方法對(duì)其進(jìn)行控制和調(diào)整，盡量縮小軸系誤差對(duì)指向精度的影響。

2.1　方位軸與俯仰軸的不正交性[4]

對(duì)于方位-俯仰型天線(xiàn)座，影響其方位軸和俯仰軸不正交的因素主要有兩種，一種是加工公差(如殼體的尺寸公差；形位公差：同軸度、平行度、垂直度等)，一種是軸承轉(zhuǎn)動(dòng)公差(如跳動(dòng)、油隙等)。加工公差是固有因素，可以通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制或少量調(diào)整，轉(zhuǎn)動(dòng)公差是隨機(jī)產(chǎn)生的，不能調(diào)整。計(jì)算公式為：

(單位：角秒)

上式中：δ—高度差，L—跨度；

工程研制時(shí)主要的控制尺寸和公差有：俯仰殼體兩側(cè)叉臂軸承座孔的尺寸公差和同軸度、俯仰殼體上俯仰軸線(xiàn)對(duì)安裝底面的平行度、杯形件上與俯仰殼體的安裝面對(duì)方位軸承安裝面的平行度等。

2.2　水平調(diào)整剩余誤差

該天線(xiàn)座安裝于艦載平臺(tái)上，通過(guò)分別轉(zhuǎn)動(dòng)一對(duì)楔形圓盤(pán)對(duì)天線(xiàn)座進(jìn)行調(diào)平。如圖4所示：

兩調(diào)平盤(pán)斜面相切合、高端對(duì)低端相對(duì)放置，兩底面處于初始平行狀態(tài)。上盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角，上盤(pán)的最高點(diǎn)到M點(diǎn)，此時(shí)在任意點(diǎn)P處兩調(diào)平盤(pán)疊加的高度為：

對(duì)上式求β角的導(dǎo)數(shù)，并令其等于零：

得到：

由此可知：當(dāng)上盤(pán)旋轉(zhuǎn)α角時(shí)，兩調(diào)平盤(pán)疊加高度的極值點(diǎn)在β1和β2處，分別為最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，相位相差180°。兩個(gè)極值點(diǎn)調(diào)平盤(pán)疊加高度分別為Hp1和Hp2，調(diào)平盤(pán)調(diào)整水平誤差為γ，則有：

即：上調(diào)整盤(pán)旋轉(zhuǎn)角α就可消除安裝面水平度誤差為γ，其實(shí)際調(diào)整角度在β1和β2的對(duì)角線(xiàn)上，調(diào)平盤(pán)高點(diǎn)為β1處。

2.3　電軸與俯仰軸的不垂直性

天線(xiàn)的電軸應(yīng)與俯仰軸垂直(既與天線(xiàn)的機(jī)械軸重合)，如果不垂直就會(huì)產(chǎn)生測(cè)角誤差。但是電軸與俯仰軸的垂直度不易直接測(cè)量，所以借助瞄準(zhǔn)鏡(光學(xué)望遠(yuǎn)鏡)為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(1)調(diào)整光軸垂直于俯仰軸

首先將天線(xiàn)座調(diào)平，在俯仰軸的一端安裝工裝，工裝上存來(lái)調(diào)整螺栓，利用水平儀和千分表，使工裝上的兩個(gè)基準(zhǔn)平面，一個(gè)面垂直于方位軸(水平)，另一個(gè)面垂直于俯仰軸。其次將基準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡(方形)安裝于兩個(gè)基準(zhǔn)平面上，這樣就保證了基準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡分劃板上十字線(xiàn)垂直線(xiàn)和水平線(xiàn)分別于方位軸和俯仰軸平行。最后，利用靶標(biāo)圖為媒介安裝并調(diào)節(jié)瞄準(zhǔn)鏡，使瞄準(zhǔn)鏡分劃板上十字線(xiàn)與基準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡分劃板上的十字線(xiàn)平行，原理如圖5所示：

(2)調(diào)整電軸與光軸一致性[5]

瞄準(zhǔn)鏡安裝固定后，就可以以光軸為基準(zhǔn)，調(diào)整電軸，使電軸平行于光軸。首先在遠(yuǎn)離雷達(dá)的標(biāo)校塔上放置一反射體(也可以通過(guò)氣象氣球懸吊反射體)，作為雷達(dá)跟蹤目標(biāo)，反射體懸掛高度不宜過(guò)低，避免地雜波對(duì)雷達(dá)有較大干擾。其次，雷達(dá)開(kāi)機(jī)并跟蹤發(fā)射體，此時(shí)讀瞄準(zhǔn)鏡中反射體的位置坐標(biāo)，判斷光軸和電軸是否平行，如圖2所示。如果光軸和電軸不平行，通過(guò)在高頻箱與天線(xiàn)的安裝螺栓處墊墊片或銅皮調(diào)整電軸，使其平行于光軸。反射體在瞄準(zhǔn)鏡中成像的位置坐標(biāo)為P(X，Y)，瞄準(zhǔn)鏡中單位為密位(1°≈16.67mil)則有，

上式中：

l—光軸距電軸的水平距離；

h—光軸距電軸的垂直距離；

R—斜距，天線(xiàn)中心到目標(biāo)的距離；(雷達(dá)跟蹤目標(biāo)后，可以直接讀出數(shù)據(jù))

在天線(xiàn)座方案設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)提出天線(xiàn)座的軸系誤差指標(biāo)，并分解指標(biāo)到水平調(diào)整剩余誤差、方位軸與俯仰軸的不正交誤差和電軸與俯仰軸的不垂直誤差。通過(guò)控制零件尺寸公差和形位公差，高精度測(cè)量?jī)x器，合理地調(diào)整，達(dá)到天線(xiàn)座要求的軸系誤差指標(biāo)。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了天線(xiàn)座的三種軸系誤差，并分析了其對(duì)指向精度的影響。其次分別就每一種軸系誤差，介紹其工程研制中常用解決辦法。該方法已經(jīng)在多批次雷達(dá)研制調(diào)試中得到驗(yàn)證，具有工程指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

[1]吳鳳高. 天線(xiàn)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1986.

[2]吳頤雷, 張大智. 一種新的雷達(dá)電軸匹配調(diào)整方法[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航, 2012(1): 42-45.

[3]吳迤, 測(cè)量雷達(dá)天線(xiàn)座軸系精度分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2001(2): 41-43.

[4]張潤(rùn)逵. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(上冊(cè))[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[5]鄧安, 某雷達(dá)光軸采用CCD系統(tǒng)光電標(biāo)校精度分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2003(19): 34-37.