某炮瞄雷達的軸系誤差分析

顧立彬　趙選榮

(中國電子科技集團公司第二十研究所　西安　710068)

0　引言

某炮瞄雷達的天線座結(jié)構(gòu)型式為俯仰-方位型，它接收警戒雷達指示的概略位置后，精確地跟蹤目標，并連續(xù)準確地測出目標方位，通過指揮系統(tǒng)給火炮傳達指令，對目標進行射擊。炮瞄雷達的指向精度直接影響火炮的命中概率。天線座的軸系誤差直接影響雷達的指向精度。

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

雷達的三軸是指幾何軸(機械軸)、光軸和電軸。機械軸是指通過天線中心，與俯仰軸垂直的軸線。光軸指光學瞄準鏡的物鏡中心線所對應的射線，用它來校正天線電軸與俯仰軸的垂直度，標定天線的方位角和俯仰角。電軸是指天線波瓣增益最大方向所對應的射線[1-2]。

1　天線座軸系誤差分析

方位-俯仰型天線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)動時，電軸在傾斜面XOZ′上轉(zhuǎn)動，設任一目標P，則有：

方位角誤差：ΔA≈α·tanE；

上式中：

A—天線電軸的真實方位角；

E—天線電軸的真實俯仰角；

A′—天線座方位軸轉(zhuǎn)角；

E′—天線座俯仰軸轉(zhuǎn)角；

ΔA—方位角誤差；

ΔE—俯仰角誤差；

α—俯仰軸實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。

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)動時，俯仰軸和電軸均在傾斜面(虛線表示)上轉(zhuǎn)動，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—方位軸實際位置與鉛垂線的空間夾角；

δ—俯仰軸對水平面的傾角；

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，電軸與機械軸的夾角為γ，當俯仰轉(zhuǎn)動時，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。

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

2　工程研制解決方法

由于設備的制造和安裝調(diào)整不準確，天線座的軸系誤差不可避免，結(jié)構(gòu)設計和調(diào)試中采取一些方法對其進行控制和調(diào)整，盡量縮小軸系誤差對指向精度的影響。

2.1　方位軸與俯仰軸的不正交性[4]

對于方位-俯仰型天線座，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)動公差(如跳動、油隙等)。加工公差是固有因素，可以通過設計進行控制或少量調(diào)整，轉(zhuǎn)動公差是隨機產(chǎn)生的，不能調(diào)整。計算公式為：

(單位：角秒)

上式中：δ—高度差，L—跨度；

工程研制時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對安裝底面的平行度、杯形件上與俯仰殼體的安裝面對方位軸承安裝面的平行度等。

2.2　水平調(diào)整剩余誤差

該天線座安裝于艦載平臺上，通過分別轉(zhuǎn)動一對楔形圓盤對天線座進行調(diào)平。如圖4所示：

兩調(diào)平盤斜面相切合、高端對低端相對放置，兩底面處于初始平行狀態(tài)。上盤順時針旋轉(zhuǎn)α角，上盤的最高點到M點，此時在任意點P處兩調(diào)平盤疊加的高度為：

對上式求β角的導數(shù)，并令其等于零：

得到：

由此可知：當上盤旋轉(zhuǎn)α角時，兩調(diào)平盤疊加高度的極值點在β1和β2處，分別為最高點和最低點，相位相差180°。兩個極值點調(diào)平盤疊加高度分別為Hp1和Hp2，調(diào)平盤調(diào)整水平誤差為γ，則有：

即：上調(diào)整盤旋轉(zhuǎn)角α就可消除安裝面水平度誤差為γ，其實際調(diào)整角度在β1和β2的對角線上，調(diào)平盤高點為β1處。

2.3　電軸與俯仰軸的不垂直性

天線的電軸應與俯仰軸垂直(既與天線的機械軸重合)，如果不垂直就會產(chǎn)生測角誤差。但是電軸與俯仰軸的垂直度不易直接測量，所以借助瞄準鏡(光學望遠鏡)為媒介來實現(xiàn)。

(1)調(diào)整光軸垂直于俯仰軸

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

(2)調(diào)整電軸與光軸一致性[5]

瞄準鏡安裝固定后，就可以以光軸為基準，調(diào)整電軸，使電軸平行于光軸。首先在遠離雷達的標校塔上放置一反射體(也可以通過氣象氣球懸吊反射體)，作為雷達跟蹤目標，反射體懸掛高度不宜過低，避免地雜波對雷達有較大干擾。其次，雷達開機并跟蹤發(fā)射體，此時讀瞄準鏡中反射體的位置坐標，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，通過在高頻箱與天線的安裝螺栓處墊墊片或銅皮調(diào)整電軸，使其平行于光軸。反射體在瞄準鏡中成像的位置坐標為P(X，Y)，瞄準鏡中單位為密位(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，天線中心到目標的距離；(雷達跟蹤目標后，可以直接讀出數(shù)據(jù))

在天線座方案設計時，就應提出天線座的軸系誤差指標，并分解指標到水平調(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。通過控制零件尺寸公差和形位公差，高精度測量儀器，合理地調(diào)整，達到天線座要求的軸系誤差指標。

3　結(jié)束語

本文首先介紹了天線座的三種軸系誤差，并分析了其對指向精度的影響。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)在多批次雷達研制調(diào)試中得到驗證，具有工程指導意義。

參考文獻:

[1]吳鳳高. 天線座結(jié)構(gòu)設計[M]. 西安: 西北電訊工程學院出版社, 1986.

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

[3]吳迤, 測量雷達天線座軸系精度分析[J]. 電子機械工程, 2001(2): 41-43.

[4]張潤逵. 雷達結(jié)構(gòu)與工藝(上冊)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

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