基于光學(xué)原理的標(biāo)校工具設(shè)計(jì)*

蘇仁生

(國營長風(fēng)機(jī)器廠， 甘肅 蘭州 730070)

基于光學(xué)原理的標(biāo)校工具設(shè)計(jì)*

蘇仁生

(國營長風(fēng)機(jī)器廠， 甘肅 蘭州 730070)

制導(dǎo)雷達(dá)在儲存一定期限或經(jīng)過維修后，需按照雷達(dá)測試程序?qū)Ω黜?xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面測試。在制導(dǎo)雷達(dá)測試前要將雷達(dá)電軸與信號模擬器喇叭電軸相重合。現(xiàn)行的測試場地標(biāo)校方法的電軸重合精度低，且操作麻煩。針對這一問題，基于光學(xué)原理成功研制了一種新型標(biāo)校工具——激光校準(zhǔn)環(huán)，使得兩電軸校準(zhǔn)直觀簡單、操作方便。文中詳細(xì)闡述了激光校準(zhǔn)環(huán)的原理及結(jié)構(gòu)組成。該設(shè)計(jì)對同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拓展領(lǐng)域設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

軸線重合；光學(xué)原理；雷達(dá)標(biāo)校；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

制導(dǎo)雷達(dá)等電子設(shè)備在服役期內(nèi)要定期進(jìn)行保養(yǎng)和測試，以保證電子設(shè)備處于完好狀態(tài)。但是在雷達(dá)進(jìn)行保養(yǎng)和測試時(shí)必須根據(jù)雷達(dá)測試要求進(jìn)行制導(dǎo)雷達(dá)與雷達(dá)測試設(shè)備之間的場地架設(shè)，而場地架設(shè)最基本的要求就是要使制導(dǎo)雷達(dá)的電軸與雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭電軸相重合。傳統(tǒng)的標(biāo)校方法是人工拉直線，用視覺判斷。標(biāo)校工作操作麻煩且誤差較大，對測試中的一些敏感參數(shù)產(chǎn)生一定影響，誤差嚴(yán)重時(shí)有可能對測試結(jié)果造成誤判。

為了提高制導(dǎo)雷達(dá)電軸與雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭電軸的重合準(zhǔn)確度，且操作簡單直觀，就必須設(shè)計(jì)出一種標(biāo)校工具，通過簡單的操作、直觀的界面，將制導(dǎo)雷達(dá)電軸與雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭電軸重合到設(shè)計(jì)允許的誤差范圍內(nèi)。為了滿足這一測試需求，基于光學(xué)成像原理，成功研制了制導(dǎo)雷達(dá)測試場地標(biāo)校工具——激光校準(zhǔn)環(huán)。本文將詳細(xì)介紹制導(dǎo)雷達(dá)測試場地架設(shè)步驟、激光校準(zhǔn)環(huán)原理分析及結(jié)構(gòu)組成。供大家在同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拓展領(lǐng)域設(shè)計(jì)中參考。

1 傳統(tǒng)標(biāo)校方法及誤差分析

1.1 傳統(tǒng)制導(dǎo)雷達(dá)標(biāo)校方法

如圖1所示，第1步將雷達(dá)目標(biāo)模擬器在水平地面固定，并將雷達(dá)目標(biāo)模擬器的喇叭中心距水平地面的高度調(diào)整到預(yù)設(shè)值。然后按照自身水平儀的指示，分別上下轉(zhuǎn)動4個(gè)水平調(diào)整手輪，使水平儀水泡處在水平儀中心位置。第2步將制導(dǎo)雷達(dá)通過專用支架固定在專用平臺上，并將制導(dǎo)雷達(dá)電軸距水平地面的高度調(diào)整到與雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭中心相同的預(yù)設(shè)高度上。分別上下轉(zhuǎn)動4個(gè)水平調(diào)整手輪，使得兩個(gè)方向上的水平儀水泡都處在水平儀中心位置。第3步調(diào)整雷達(dá)目標(biāo)模擬器的方位手輪，讓AO=BO，即雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭運(yùn)行到左右極限時(shí)，喇叭中心點(diǎn)到制導(dǎo)雷達(dá)天線饋源中心點(diǎn)距離相等。第4步用手工拉直線的方法讓C點(diǎn)與制導(dǎo)雷達(dá)上已知直線DE共線。

圖1 制導(dǎo)雷達(dá)場地架設(shè)圖

1.2 標(biāo)校的誤差分析

從制導(dǎo)雷達(dá)場地架設(shè)的4個(gè)步驟看，對電軸重合誤差影響最大的是第4個(gè)步驟，誤差的具體計(jì)算見圖2。

圖2 誤差計(jì)算圖

圖2中DEC為理論3點(diǎn)共線，DE1C1為實(shí)際3點(diǎn)共線。DE、DC所標(biāo)尺寸為圖1中DE、DC的實(shí)際長度。按照人眼最小分辨角為1′的理論[1]，在正常光線照明情況下，可以分辨兩條直線的間距EE1大約為0.2 mm，根據(jù)圖中比例關(guān)系計(jì)算得出CC1大約為2 mm。所以采用這種方法的理論誤差在2 mm左右，而且操作費(fèi)時(shí)麻煩。隨著制導(dǎo)雷達(dá)本身精度的不斷提高，對制導(dǎo)雷達(dá)測試誤差的要求也越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的標(biāo)校方法已經(jīng)不能滿足新型制導(dǎo)雷達(dá)的測試要求。為此設(shè)計(jì)了激光校準(zhǔn)環(huán)替代步驟4進(jìn)行共線判斷。

2 激光校準(zhǔn)環(huán)的工作原理及工程計(jì)算

2.1 激光校準(zhǔn)環(huán)的工作原理

激光校準(zhǔn)環(huán)的工作原理見圖3，圖中A、C為兩個(gè)激光發(fā)射器的光源點(diǎn)；OB為制導(dǎo)雷達(dá)電軸；O為雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭端面中心點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)激光發(fā)射器光源點(diǎn)圍繞制導(dǎo)雷達(dá)電軸做360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)激光束將在雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭端面上照射出兩個(gè)圓形光斑，根據(jù)光學(xué)原理和兩個(gè)激光發(fā)射器做圓周運(yùn)動的規(guī)律[2]，兩個(gè)圓形光斑集中到直徑足夠小的圓形區(qū)域內(nèi)時(shí)可以認(rèn)定雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭電軸與被測制導(dǎo)雷達(dá)電軸基本重合。這種方法的理論誤差由激光束光斑直徑?jīng)Q定，如光斑直徑為1 mm，則理論誤差可以小到0.5～1 mm。激光束在喇叭端面照射形成光斑如圖4所示。

圖3 激光校準(zhǔn)環(huán)工作原理圖

圖4 激光束在喇叭端面照射形成的光斑

2.2 判定圓直徑的確定

根據(jù)光學(xué)原理和三角函數(shù)關(guān)系可以得出，判定圓直徑的大小與制導(dǎo)雷達(dá)方位、俯仰角度允許誤差及兩個(gè)激光發(fā)射器光源點(diǎn)連線與雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭端面的距離等因素相關(guān)。詳細(xì)計(jì)算見圖5。

圖5 判定圓直徑計(jì)算圖

假設(shè)某型制導(dǎo)雷達(dá)相關(guān)測試參數(shù)方位與俯仰角度允許誤差為3′；兩個(gè)激光發(fā)射器光源點(diǎn)距離為700 mm；兩個(gè)激光發(fā)射器光源點(diǎn)連線與雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭端面的距離為5 000 mm。

圖中A點(diǎn)為激光發(fā)射器光源點(diǎn)，OB為制導(dǎo)雷達(dá)電軸，O為雷達(dá)目標(biāo)模擬器喇叭端面中心點(diǎn)，α為激光束與制導(dǎo)雷達(dá)電軸的夾角。根據(jù)假設(shè)數(shù)據(jù)及各要素之間的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算得出：α=4.004°。α允許誤差范圍為±0.05°，分別用兩個(gè)極限角度做射線，可以得到兩個(gè)焦點(diǎn)C、D，兩條射線與軸線的交點(diǎn)為O1、O2。當(dāng)A點(diǎn)發(fā)出的激光束圍繞OB轉(zhuǎn)動，且α在允許誤差范圍內(nèi)變動時(shí)，激光束將落在以max(OC,OD)為半徑的圓內(nèi)。判定圓直徑可以初步設(shè)定為ΦD≤8.7 mm?，F(xiàn)場使用時(shí)只要將兩個(gè)激光發(fā)射器旋轉(zhuǎn)數(shù)周，如果光斑始終落在判定圓內(nèi)，就可以斷定兩軸線重合誤差在允許范圍內(nèi)。

在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)還要依據(jù)各行業(yè)的不同要求，針對AB及OB的具體公差范圍，并用工差極限尺寸替代名義尺寸進(jìn)行計(jì)算，最終確定合理的判定圓直徑。

3 激光校準(zhǔn)環(huán)的結(jié)構(gòu)組成及各部件功能

激光校準(zhǔn)環(huán)外形如圖6所示，三維模型見圖7。

圖6 激光校準(zhǔn)環(huán)外形圖

圖7 激光校準(zhǔn)環(huán)三維模型圖

激光校準(zhǔn)環(huán)主要由安裝環(huán)、滾動環(huán)、激光發(fā)射器組件等組成。安裝環(huán)為整個(gè)激光校準(zhǔn)環(huán)的基座，安裝環(huán)上裝有定位裝置，可快速地將激光校準(zhǔn)環(huán)定位到被測制導(dǎo)雷達(dá)上。安裝環(huán)上裝有水平儀，用來顯示被測制導(dǎo)雷達(dá)的電軸是否處在水平狀態(tài)。滾動環(huán)通過軸承和限位銷釘連接到安裝環(huán)上[3]。通過轉(zhuǎn)動把手，可使?jié)L動環(huán)做360°旋轉(zhuǎn)。滾動環(huán)上裝有兩組激光發(fā)射器組件，用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)激光束。激光發(fā)射器組件安裝在滾動環(huán)上，由激光發(fā)射器及可調(diào)整支架組成。激光發(fā)射器由激光二極管、光學(xué)透鏡、調(diào)焦環(huán)等組成。具有光斑清晰、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。

可調(diào)整支架能夠微調(diào)激光發(fā)射器光源的方位、俯仰角度，用來消除結(jié)構(gòu)件制造誤差，保證激光發(fā)射器位置的準(zhǔn)確性。

激光發(fā)射器的部分性能指標(biāo)(供參考)：激光波長為635 nm；輸出功率為0.5～30 mW；工作電壓為DC 2.7～24V；工作電流≤450mA；光斑直徑為1mm；工作溫度為-10 ℃～75 ℃；儲存溫度為-40 ℃～85 ℃。

4 激光校準(zhǔn)環(huán)的工程應(yīng)用實(shí)例

激光校準(zhǔn)環(huán)目前已經(jīng)運(yùn)用于某型制導(dǎo)雷達(dá)的標(biāo)校中。傳統(tǒng)的標(biāo)校方法誤差大于2 mm，標(biāo)校時(shí)間需要20 min左右，而使用校準(zhǔn)環(huán)進(jìn)行標(biāo)校，誤差可以減小到0.5～1 mm，標(biāo)校時(shí)間縮短到5 min左右，且操作簡單，顯示界面直觀。激光校準(zhǔn)環(huán)應(yīng)用實(shí)例如下：

1)激光校準(zhǔn)環(huán)在某型制導(dǎo)雷達(dá)上安裝示意圖見圖8。

圖8 在某型雷達(dá)上安裝示意圖

2)激光校準(zhǔn)環(huán)在某型導(dǎo)彈上安裝示意圖見圖9。

圖9 在某型導(dǎo)彈上安裝示意圖

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)敘述了激光束圍繞軸線旋轉(zhuǎn)與相關(guān)軸線重合的原理及重合誤差的分析方法。根據(jù)此原理和方法設(shè)計(jì)了某型制導(dǎo)雷達(dá)的激光校準(zhǔn)環(huán)，使用該校準(zhǔn)環(huán)進(jìn)行標(biāo)校與傳統(tǒng)標(biāo)校方法相比，明顯縮短了標(biāo)校時(shí)間，并提高了標(biāo)校的精度。本文的設(shè)計(jì)思路可以應(yīng)用到對相關(guān)軸線重合度有要求的不同領(lǐng)域和場合，據(jù)此開發(fā)出多種多樣的設(shè)備，應(yīng)用于各行各業(yè)。

[1] 姚進(jìn). 眼視光應(yīng)用光學(xué)[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2011.

[2] 白廷柱, 金偉其. 光學(xué)成像原理與技術(shù)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006.

[3] 邱成悌. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京: 南京大學(xué)出版社, 2001.

蘇仁生(1958-)，男，長期從事機(jī)載、末制導(dǎo)雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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