一種天線罩瞄準線誤差測試的動態尋零方法*

吳秉橫，唐懿文，劉元云（　上海海事大學，上海　0306；　上海航天技術研究院第80研究所，上海　00090）

一種天線罩瞄準線誤差測試的動態尋零方法*

吳秉橫1，唐懿文2，劉元云2
（1上海海事大學，上海201306；2上海航天技術研究院第802研究所，上海200090）

瞄準線誤差的測試是評價天線罩電氣性能必不可少的環節。文中提出了一種自動電軸跟蹤的快速尋零方法。通過自動控制發射天線在掃描架上水平移動，跟蹤接收天線在天線罩影響下的波束指向偏轉，并記錄移動距離。利用文中提出的方法對天線罩瞄準線誤差進行測試，結果顯示，天線的掃描范圍減小了77%，測試時間僅為傳統方法的0.36倍。可以看出，文中提出的動態尋零方法可有效縮短發射天線的掃描范圍，提高測試速度。

天線罩；瞄準線誤差；動態尋零；測試系統

0　引言

雷達導引頭天線罩是防空導彈武器系統的重要組成部分之一。天線罩保護導引頭天線免受外部環境不利因素的干擾，但是天線罩壁會影響天線的輻射特性，造成電磁波傳輸損耗和天線波束指向偏移，降低了制導系統的作用距離和制導精度［1-2］。

天線罩的電氣性能測試一直是天線罩領域和微波測量領域亟待解決的一個問題，一般包括功率傳輸系數測試和瞄準線誤差測試兩部分，其中瞄準線誤差的測試一直是天線罩電氣性能測試重點研究的方向。

對于單脈沖體制的雷達導引頭，瞄準線誤差是指天線罩造成的波束指向偏差，即天線差方向圖零深位置的偏移［3-4］。瞄準線誤差的測試通常可采用基于電子定標法或尋零法的測試系統完成［5-6］。電子定標法測試系統需要建立接收電平與瞄準誤差的定標曲線，對于新研制的天線罩往往需要重新建立定標曲線，因此存在一定的不足［7-8］。尋零法測試相對電子定標法更接近天線罩的實際工作狀態，它通過發射天線的移動掃描或接收天線的小范圍旋轉掃描實現天線波束指向的定位［9-10］。采用發射天線尋零的方法測試效率較低；采用接收天線尋零的方法，對轉臺的尺寸和精度要求極高，實現較為困難［11］。

文中在發射天線尋零測試系統的基礎上，研究發射天線動態尋零掃描的方法，實現收發天線的自適應電軸對準，優化發射天線尋零軌跡，降低天線掃描范圍，有效提高了天線罩電氣性能測試效率。

1　瞄準線誤差測試原理及系統組成

1.1瞄準線誤差形成機理

高增益天線的近場可以等效為平面波輻射，當平面波穿過天線罩的罩壁時，由于入射角和天線罩法向壁厚的不同會造成不同的幅度和相位變化。天線罩引起的相位變化導致通過天線罩后電磁波的波前不再是距離天線口面等距離的平面，波束指向發生偏移，形成瞄準線誤差，如圖1所示天線罩瞄準線誤差的形成原理圖［12］。天線和天線罩之間相對位置的改變會造成瞄準線誤差的變化。導引頭天線在天線罩內一定的立體角內進行掃描，因此需要測量天線在多個掃描角下的天線罩瞄準誤差。

圖1　天線罩瞄準線誤差的形成原理

1.2系統組成

天線罩瞄準線誤差測試系統［13］布置于微波暗室內，系統主要由發射端模塊、接收端模塊和控制與處理模塊三部分組成，如圖2所示天線罩瞄準線誤差測試系統示意圖。計算機通過兩臺控制器實現對掃描架和轉臺的控制及狀態讀取，同時與矢量網絡分析儀連接，實時讀取測試原始數據并進行處理。

圖2　天線罩瞄準線誤差測試系統示意圖

1.3瞄準線誤差的尋零測試原理

單脈沖體制導引頭天線的歸一化差方向圖見圖3所示，方向圖零深位置對應的橫坐標代表了天線的波束指向。瞄準線誤差反映的是天線罩對該橫坐標對應角度的影響。

圖3　單脈沖天線的歸一化差方向圖

在天線罩測試系統中，當收發天線距離滿足測試要求時，掃描架帶動發射天線做平面運動可以近似等效為發射天線以接收天線為中心做極小角度的圓周運動，接收天線差通道接收的信號即為天線的差方向圖，這一過程定義為瞄準誤差測試的尋零。圖4給出了接收天線信號電平隨發射天線掃描架位置的變化曲線，記錄有罩和無罩情況下接收信號最小值對應的掃描架運動位置x1和x2，假設收發天線距離為D，則天線罩的瞄準線誤差為：

圖4　接收天線信號隨掃描架位置的變化曲線圖

不同天線掃描角的天線罩瞄準線誤差測試中，通常固定接收天線，將被測天線罩安裝于轉臺上，通過天線罩相對天線的轉動模擬天線掃描角的變化，進而獲取瞄準線誤差隨天線掃描角變化的曲線。

2　瞄準線誤差的動態尋零方法

2.1動態尋零原理

傳統的天線罩瞄準誤差測試的尋零通常將掃描架的尋零范圍設置為一個較大的定值，通過控制掃描架和轉臺的交替運動獲取各個天線掃描角差方向圖的零深位置，處理后得到天線罩的瞄準誤差。

文中提出一種動態尋零的方法，即不設置掃描架的尋零范圍，根據掃描架位置和接收信號實時判斷掃描架的運動方向，當已獲取某天線掃描角的零深位置，系統記錄零深位置，自動切換到下一個天線掃描角進行尋零測試。如圖5所示天線罩瞄準誤差動態尋零測試流程圖，其中零深判斷和零深位置預測是與傳統方法不同之處，也是系統實現的核心。

2.2控制算法及實現

圖6給出了動態尋零控制算法流程圖。在尋零開始時，首先讀取掃描架的位置，計算掃描架的移動方向和位置，控制掃描架運動，同時記錄接收的信號。當接收信號升高時，算法通知掃描架反向掃描。當信號由降低轉變為升高后，記錄已測信號最低點的掃描架位置，定義為零深位置。

圖5　天線罩瞄準誤差動態尋零測試流程圖

圖6　動態尋零控制算法流程圖

3　測試結果分析

將動態尋零方法應用于測試系統，記錄發射天線在尋零過程中在掃描架上的運動軌跡，如圖7所示。從圖中可以看出，傳統尋零和動態尋零兩種方法均可覆蓋天線的零深位置。采用傳統方法的測試系統中發射天線一直在掃描架坐標0～60 mm之間往返的運動，采用動態尋零方法則根據接收信號控制掃描架運動方向和距離，有效降低了尋零行程。

對比兩種方法的測試效率，傳統的尋零方法固定掃描架的運動距離，因此其對于不同天線掃描角時掃描架的尋零運動行程是固定的，而動態尋零法則即時判斷零深位置是否已獲得，尋零行程大幅度減小。圖8給出了不同天線掃描角的兩種方法的尋零行程。由圖中可以看出，采用傳統方法的發射天線尋零行程恒定為60 mm。完成（0°～35°）天線掃描角的測試，尋零總距離為2 160 mm。采用動態尋零法的掃描架尋零范圍不固定，行程在8～21 mm不等，掃描架尋零總距離495 mm。相對傳統方法，動態尋零方法可使掃描架運動距離降低77%。考慮到掃描架每次停車和起動額外花費約2 s，而采用傳統方法和動態尋零方法，系統停車分別為36次和62次，而掃描架尋零速度為0.35 mm/s，則采用兩種方法的測試時間分別為828 s和297.25 s。由此可以看出，采用動態尋零

圖7　發射天線的尋零軌跡

圖8　不同天線掃描角的尋零行程

方法的測試時間僅為傳統尋零方法的0.36倍，測試效率顯著提高。

4　結論

為解決天線罩瞄準誤差線測試中傳統尋零法掃描時間較長的問題，文中提出了一種自動電軸跟蹤的動態尋零方法，該方法可自動跟蹤在天線罩瞄準線誤差測試過程中，天線差方向圖零深位置的變化，顯著降低測試所需的尋零行程和時間。利用動態尋零方法與傳統尋零方法分別進行天線罩的瞄準線誤差測試，測試實驗證明動態尋零方法可以將測試時間縮短至采用傳統尋零方法所需時間的0.36倍，有效提高了天線罩瞄準線誤差的測試效率。

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A Dynamic Null-seeking Method in Radome Boresight Error Measurement

WU Bingheng1，TANG Yiwen2，LIU Yuanyun2
（1Shanghai Maritime University，Shanghai 200135，China；2No.802 Institute of SAST，Shanghai 200090，China）

Measurement of boresight error（BSE）is an essential step in assessing radome electrical property.A fast null-seeking method by automatic axial-tracking was represented in this paper.By this method，transmitting antenna lying on scanner was controlled automatically to move horizontally，tracking the beam shift of undertest receiving antenna influenced by radome automatically and recording the shift distance.The proposed dynamic null-seeking method was used to measure a radome BSE.The results show that the scanning distance decreases by 77%and the runtime is only 0.36 times of that got by traditional method.It can be seen that the dynamic null-seeking method can shorten scanning range of transmitting antenna significantly and accelerate measuring speed.

radome；boresight error（BSE）；dynamic null-seeking；measurement system

TN820.81

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.013

2015-02-07

吳秉橫（1982-），男，河北滄州人，講師，博士，研究方向：雷達和天線罩電氣設計。