某雷达天线倾斜基准的设计和调试

某雷达天线倾斜基准的设计和调试

刘先莉

中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省合肥市230088

摘要：雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向;而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰角，或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标(方位、仰角和距离)中，有两个坐标(方位和仰角)的测量与天线的性能直接有关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。本文对雷达天线倾斜基准的设计和调试进行了详细的阐述和分析。

关键词：刘先莉-雷达天线；倾斜基准；设计；调试；

1、引言

主要参量雷达天线的主要参量有方向图、增益和有效面积。波束圆锥扫描技术在圆口径的抛物面天线(见反射面天线)上，使馈源侧向偏离焦点，形成一个与瞄准轴成一定角度的波束。然后，将馈源连续旋转，在空间形成圆锥形波束(图2)。当目标在瞄准轴上时，所有回波脉冲幅度相同，无误差信号。当目标偏离瞄准轴时，回波脉冲幅度产生起伏变化，形成与馈源旋转频率相同的交流误差信号。交流误差信号的大小决定于目标偏离瞄准轴的角度;交流误差信号的相位则决定于目标偏离瞄准轴的方向。

单脉冲和差波束技术用两个形状相同、指向不同却又部分重叠的锐波束同时接收目标回波信号时，根据二波束收到的回波信号幅度差别可判别目标偏离瞄准轴的方向与大小。这种方法在原理上能根据单次发射产生的回波信号判定目标偏离瞄准轴的方向和大小，故称为单脉冲技术。为了避免两路接收通道不一致引起误差，可在馈电网络中把上述二波束合成另外两个波束，即和波束及差波束。为了同时确定目标方位和仰角偏差，50年代初把四喇叭馈源置于抛物面焦点上，形成方位面内和仰角面内的差波束及公共的和波束，后来又研制出五喇叭、十二喇叭和其他多模馈源。

三坐标雷达天线在雷达天线连续旋转测量目标方位的同时，还能获得空中目标仰角全部信息的雷达，称为三坐标雷达。这种雷达的天线有多种波束体制。

V形波束测高体制这是40年代末出现的一种测高体制。用两部天线分别产生常规直立的和倾斜45°的两个余割平方波束。两天线同时旋转时，不同高度的飞机被两波束扫过的时间差不同，从而可获得目标高度信息(图3)。50年代末又出现两个反射体并成一体的V形波束测高雷达。但是,这种体制在仰角面上无分辨力,而且时间差与目标速度和方向有关,后来未断续发展。

相控阵雷达天线这种天线是固定不动的。由阵列中每一有源阵元所连接的移相器按照两维扫描所需的相移指令来移相，则波束可在一定的立体角内灵活扫描。相控阵天线的阵面多排列成圆形，以保持各向扫描特性的一致性并得到较低的副瓣。相控阵阵元数量极大，为降低造价可采用疏稀技术，使有源单元数目减少到几分之一。对相控阵可用馈线进行组合馈电，也可采用空间馈电(或称光学馈电)。空间馈电又分为透射式和反射式两类。

相控阵的扫描范围一般为±45°~±60°。为了减少垂直扫描范围，一般阵面上仰30°~45°;在方位面上使用三面或四面相控阵面才能得到360°覆盖范围。70年代中期又出现只用一个阵面就能得到全空域覆盖的圆顶相控阵。相控阵与自适应技术相结合是今后研究重点之一。

2、天气雷达天线座水平误差的测量

水平仪是一种测量小角度倾斜程度的仪器[1]。有读数装置供间接读数的气泡式水平仪,称为合像水平仪。它是利用棱镜将水准器中的气泡放大的方法,来提高读数的精确度,利用杠杆、微动螺杆这一套传动机构,提高读数的灵敏度。在合像水平仪中可精确读出倾斜0.01 mm/m时被测件的水平误差,合像水平仪的“精度”用符号“Acr”表示,即Acr=0.01/1000为无量纲数。我们使用的合象水平仪2支点的距离为165mm。水平调整时,旋转盘上的每格刻度为0.01mm,侧向上的每个刻度为旋转盘上刻度的100倍,即为1mm。所以合像水平仪读数包括水平仪侧面垂直刻度读数L1和刻度圆盘的读数L2,合像水平仪的实际读数计算公式为H=100L1+L2。利用合像水平仪测量天线座的水平误差,首先将合像水平仪放置在天线俯仰转台顶端的平面上,以方位旋转轴为中心向外辐射的方向上。同时保证水平仪与转台平面之间光洁、平整,使其在天线转动过程中,不出现晃动。控制雷达伺服系统,将雷达天线的方位和仰角都调到0°,此时通过转动度盘调节合像水平仪上的气泡位置,直至两气泡重合。记下水平仪刻度圆盘的读数L2和水平仪侧面垂直刻度读数L1,则合像水平仪的实际读数为H=100 L1+L2。此值即为雷达方位角为0°时雷达天线座的倾斜值。控制天线,将方位角增加一固定增量。由于水平误差,水准器中的气泡发生漂移,再旋转刻度盘使气泡重合。记录合像水平仪的实际读数以及该读数所对应的方位角。依此类推,重复以上步骤得到天线座在各个方位上合像水平仪两气泡重合时的实际读数,即雷达天线座各方位的倾斜值。

3、天气雷达天线座水平误差的计算方法

通过对合像水平仪结构原理和刻度盘、刻度板读数产生过程的深入分析,参考相关资料,得到被测对象倾斜角度α的具体解析计算公式:  

α(弧度)=arctan(H×Acr)(1)  

α(角秒)=arctan(H×Acr)×3 600×180/π(2)  

式中,H为合像水平仪实际读数,根据合像水平仪的“精度”可得到,Acr=0.01/1000为无量纲数。由天线底座水平度的实际计算公式可以计算出天线底座某一方位上的水平误差β。    

β=(αl-αl+180)/2(3)      

式中,αl表示某一方位上的倾斜角度,αl+180表示与之对应的天线旋转180°后的倾斜角度。根据大量的实际测量和计算结果分析可知,雷达天线底座某一方位上的水平误差β(以角秒为单位)与对应的一条直线上2次合像水平仪实际读数之差近似,即公式(4)成立。

β(角秒)≈H1-H1+180(4)  

式中,Hl表示某一方位上合像水平仪实际读数,Hl+180表示与之对应天线旋转180°后合像水平仪实际读数。这样在调整雷达天线座水平时,就不必反复计算。调整完毕后,只需精确计算1次即可得到雷达天线座的水平误差值,方法简便。

4、雷达方位误差的调节方法

众所周知，在许多的船舶导航设备中，雷达占有举足轻重的地位，尤其航行在能见度不良的情况下，通过系统的雷达了望，可以有助于我们及早地采取合理的避碰措施。工作中，你也许曾遇到过这样尴尬的问题：明明位于船首偏右的物标，在雷达上却显示在船首偏左，更有甚者，位于船首的物标却显示在船尾方向，令人真假难辨，这给船舶避让带来极大的安全隐患，严重危及船舶安全。诸如此类情况，笔者曾遇到过两次。第一次因为值班水手未经驾驶员同意擅自动用雷达，出现以上情况；另一次在修船过程中因为船厂工人的疏忽，导致雷达出现方位误差，后来公司在新加坡安排专业人员上船维修才将故障修复。出现上述情况后，要对雷达进行修正，方法其实很简单，只是大多数产品说明书中都不曾介绍，只有专业人员精通此道，笔者有幸受到该专业人员的指导，现将解决方案介绍如下，以期在遇到类似情况时可自行解决，避免失误。  

首先确定误差大小（见步骤1-3），然后再进行调节（见步骤4-5）。具体步骤分述如下：（1）按下“AZI MODE”键，打开“相对运动首向上”显示模式。（2）在确定罗经无误差的情况下，用罗经观测某岸标（诸如锚泊船、防波堤或灯塔），假定该物标位于本轮右舷10°，同时用雷达观测该岸标，假定该物标位于本轮右舷15°。（3）比较两舷角，得知雷达测得的舷角比罗经测得的舷角大5°，也就是说，雷达指示的船首向比实际船首向小5°。（4）在雷达面板右上方的小键盘中按下“MENU”键，打开位于雷达荧光屏左侧中部的菜单界面；接着依次按下“＃”和“0”键，出现如图界面；选择菜单中第二项（2 BEARING），再次展开下一级子菜单。（5）按下“EBL”键，在雷达荧光屏将电子方位线移至此时荧光屏所显示的船首线右侧5°处，连续两次按下“SEL”键，你会发现船首线已与电子方位线重合了，表明大功告成。（6）重复步骤(1)、(2)和(3)，验证一下你的结果，如果仍然存在误差，证明你在观测物标方位的过程中出现了失误。为了避免因船首偏荡引起观测误差，建议选择在锚泊或靠泊时进行，另外应尽可能同时观测罗经方位和雷达方位。

5、结束语

本文介绍了某雷达天线倾斜基准的设计及安装调试,可对非机加工形成的基准面的设计及调试安装提供参考。

参考文献

[1]某机载伪装勘测雷达天线设计[J].金玉贵,李广忠.中国高新区.2017(06).

[2]基于工控机的机动式雷达天线自动架撤控制[J].卫国爱,李洪青,常以涛,王荣.空军雷达学院学报.2011(03).