大阵面雷达天线高精度装配技术研究

张井泉，张克云，刘志龙

摘要：随着相控阵天线技术的发展，不同形式、不同波段以及各种规模的相控阵天线不断开发与应用，与之相适应的各种校准和测量方法也在不断发展。对于校准精度要求特别高的天线。

关键词：大阵面；雷达天线；高精度；装配技术

前言

通常认为，阵面等部件属于无源器件，具有一致性好、性能稳定等特点，一般不进行校准。而在天线装配、测试和使用等实际使用过程中，因生产工艺及装配连接器等的差异，未作校准将会影响天线阵面的一致性，从而影响天线性能。

1天线阵面安装精度测量与控制

1.1平面度测量原理

对于大型天线阵面精度测量，相比于传统的经纬仪、全站仪测量方法，数字摄影测量具有快速、高效、高精度的特点，适合大平面非接触测量[7]。原理是基于数码相机图像的三维重构，数学上是求解物体三维空间到数码相机二维CCD平面的映射关系。主体包括高分辨率数码相机、定向反光标志(靶标)和数据处理软件3部分。根据本天线阵面的结构特点及要求的测量精度，采用数字摄影测量系统对天线阵面安装过程中进行精度测量。

1.2测量过程

阵面平面度的测量过程可以概括如下：a)首先在天线阵面上线阵安装点附件粘贴反光标志(靶标)和编码标志；b)对天线阵面上粘贴的所有靶标进行拍照；C)对采集到的图像分析计算，并根据得到的靶标三维坐标拟合目标平面，确定天线线阵安装点螺柱的调整量；d)根据第(3)步中得到的调整尺寸对天线进行图5数字摄影测量设备组成及测量原理调整并重复测量，直到满足天线安装面的平面度小于0．5mm。

2激光跟踪仪在飞机总装配测量中的应用

以雷达天线面板底座测量为例：

2.1建站

以雷达天线面板底座的测量为例，在地面上选择4个地标点作为基站。要求4个点均匀地分布在飞机左右两侧，且两两不能共线。当激光跟踪仪位于飞机右侧时，首先建立站点1。对飞机上12框和57框右侧的点、55框下方的点进行测量，分别命名为R12、R57、M55，再对地面上的地标点进行测量。在测量过程中基站上的点固定不能移动，并进行顺序编号（1、2、3、4），并对每个点建立族。相应地，将激光跟踪仪设置在飞机左侧建立站点2。按顺序再次测量地面上的点，把相对应的点放入同一族中。对飞机上12框和57框左侧的点、12框下侧的点进行测量，分别命名L12、L57、M12。对站点1和站点2的同族点进行转站计算，并进行误差分析。

2.2建立坐标系

原点在机头正前方雷达罩顶点处，高度方向为Y向，其中向上为正；翼展方向为Z向，指向左翼为正；航向为X向，机头指向机尾方向为正。首先利用L12、R12、L57、R57这4个点构建平面PLN1为飞机的水平构造面；通过点M12向平面PLN1作垂线，垂线即为Z轴方向；利用点M12、M55在PLN1上投影的连线构造直线1，直线1即为X轴；构造原点O12，M12在PNL1面上的投影点向X轴反方向平移（由飞机结构位置决定）即为坐标原点O12。其中X轴为逆航向方向，Y轴为翼展向右方向，Z轴为垂直向上。

2.3天线面板底座的水平测量

测量地面4个点，并重新建族。建立站点3，并激活。将激光跟踪仪挪到合适位置，确保激光跟踪仪既能够同时测量地面4个点又能够测量飞机雷达天线面板上的点。将站点3与站点2进行转站计算，并进行误差分析。再对雷达天线面板底座上的4个测量点（LD1、LD2、LD3、LD4）进行测量。

2.4雷达天线面板底座的俯仰误差和方位误差的计算

1）俯仰误差的计算利用雷达天线面板底座上的4个测量点LD1、LD2、LD3、LD4构造雷达天线安装平面，命名为LDPM。雷达天线安装平面与飞机构造水平面的垂直度误差，为俯仰误差（飞机坐标系，向上取正值、向下取负值）。因此，雷达天线安装平面的俯仰角即为雷达天线面板与飞机对称中心面的夹角。将面与面的夹角转换为线与线的夹角进行计算，利用雷达天线面板平面LDPM与坐标系XOY平面构造一条交线，命名为FYL，FYL与Y轴的夹角即为俯仰角。2）方位误差的计算利用雷达天线面板底座上的4个测量点LD1、LD2、LD3、LD4构造雷达天线的安装平面，命名LDPM。雷达天线安装平面与飞机对称面的垂直度误差，为方位误差（飞机坐标系，向右取正值、向左取负值）。因此，雷达天线安装平面的方位角即为雷达天线面板与飞机水平构造面的夹角。将面与面的夹角转换为线与线的夹角进行计算，利用雷达天线面板平面LDPM与坐标系XOZ平面构造一条交线，命名为FWL，FWL与Z轴的夹角即为方位角。

3激光跟踪仪结果误差分析

3.1测量误差

激光跟踪仪测量精度为10+5μm/m，即假设测量距离为10m，测量误差为：10μm+10μm×5μm=0.06mm由于厂房内实际场地位置的限制，一般测量距离不超过5m，误差为10μm+5μm×5μm=0.035mm。

3.2计算误差

转站的计算过程是要找到一组变换参数（R，T），使︱R×P测量+T-P理论︱的值最小，该计算采用最小二乘法，计算过程存在误差，该误差包括在转站误差中。

3.3地标点的变化误差

地标点嵌入在混凝土地面中，混凝土的热膨胀系数为0.8-1.2×10-5μm/m/℃。按此计算，在距离为10m，温度变化10℃时，混凝土可变形0.8～1.2mm。在转站计算中，使用温度补偿方法可以部分地克服温度变化的影响，但不可能完全消除温度对测量的影响。实际测量时，温度变化不会超过5℃，转站距离不会超过10m，因此混凝土的最大变形量为0.4～0.6mm。综合考虑各因素的影响，确定跟踪仪的最大转站误差为0.3mm。该容差保证在地标点包容的区域内，测量点综合误差不会超过0.3mm，从而保证了测量的精度。转站过程中如果有测量点的转站误差大于0.3mm，表明该地标点出现了异常变化，必须弃用该点而选用其他满足容差要求的地标点来进行转站计算。实际使用时，各检测点的转站误差误差范围一般为0～0.2mm，转换为角度误差为2.3'。综上所述，激光跟踪仪完全满足飞机机载设备装配精度的最小测量误差要求。在总装配过程中使用激光跟踪仪进行测量后得到了一致好评。与传统的测量方法相比，激光跟踪仪不仅测量精度高，测量速度也有很大提升，能在短时间内采集大量数据信息，并可以直接对数据进行处理，输出测量报告。一般只需要一名计算机操作员和一名手持反射镜的工作人员就可以完成整个测量过程，大大提高工作效率，节省了资源。

结束语

天线阵面结构精度对天线副瓣电平、天线增益与波束指向有至关重要的影响。文中通过从随机误差与系统误差两方面分析了结构精度对天线极化特性的影响，并针对某大型高架车载雷达天线阵面的结构精度指标要求，采用仿真分析、数字近景摄影测量等手段，在天线阵面结构的设计、装配、测量与调整的过程中全程控制，保证天线阵面最终平面度控制在0．4ram内，满足安装精度的指标要求。本文研究内容可为更大型天线阵面保精度设计提供有益的可借鉴性经验。

参考文献：

[1]邵春生．相控阵雷达研究现状与发展趋势[J].现代雷达，2016，38(6)：1一12．

[2]赵希芳，沈文军，马利华．大型天线阵面平面度分析与控制[J]．电子机械工程，2014，30(2)：37—39．