一种天线罩瞄准线误差测试的动态寻零方法*

吴秉横，唐懿文，刘元云（　上海海事大学，上海　0306；　上海航天技术研究院第80研究所，上海　00090）

一种天线罩瞄准线误差测试的动态寻零方法*

吴秉横1，唐懿文2，刘元云2
（1上海海事大学，上海201306；2上海航天技术研究院第802研究所，上海200090）

瞄准线误差的测试是评价天线罩电气性能必不可少的环节。文中提出了一种自动电轴跟踪的快速寻零方法。通过自动控制发射天线在扫描架上水平移动，跟踪接收天线在天线罩影响下的波束指向偏转，并记录移动距离。利用文中提出的方法对天线罩瞄准线误差进行测试，结果显示，天线的扫描范围减小了77%，测试时间仅为传统方法的0.36倍。可以看出，文中提出的动态寻零方法可有效缩短发射天线的扫描范围，提高测试速度。

天线罩；瞄准线误差；动态寻零；测试系统

0　引言

雷达导引头天线罩是防空导弹武器系统的重要组成部分之一。天线罩保护导引头天线免受外部环境不利因素的干扰，但是天线罩壁会影响天线的辐射特性，造成电磁波传输损耗和天线波束指向偏移，降低了制导系统的作用距离和制导精度［1-2］。

天线罩的电气性能测试一直是天线罩领域和微波测量领域亟待解决的一个问题，一般包括功率传输系数测试和瞄准线误差测试两部分，其中瞄准线误差的测试一直是天线罩电气性能测试重点研究的方向。

对于单脉冲体制的雷达导引头，瞄准线误差是指天线罩造成的波束指向偏差，即天线差方向图零深位置的偏移［3-4］。瞄准线误差的测试通常可采用基于电子定标法或寻零法的测试系统完成［5-6］。电子定标法测试系统需要建立接收电平与瞄准误差的定标曲线，对于新研制的天线罩往往需要重新建立定标曲线，因此存在一定的不足［7-8］。寻零法测试相对电子定标法更接近天线罩的实际工作状态，它通过发射天线的移动扫描或接收天线的小范围旋转扫描实现天线波束指向的定位［9-10］。采用发射天线寻零的方法测试效率较低；采用接收天线寻零的方法，对转台的尺寸和精度要求极高，实现较为困难［11］。

文中在发射天线寻零测试系统的基础上，研究发射天线动态寻零扫描的方法，实现收发天线的自适应电轴对准，优化发射天线寻零轨迹，降低天线扫描范围，有效提高了天线罩电气性能测试效率。

1　瞄准线误差测试原理及系统组成

1.1瞄准线误差形成机理

高增益天线的近场可以等效为平面波辐射，当平面波穿过天线罩的罩壁时，由于入射角和天线罩法向壁厚的不同会造成不同的幅度和相位变化。天线罩引起的相位变化导致通过天线罩后电磁波的波前不再是距离天线口面等距离的平面，波束指向发生偏移，形成瞄准线误差，如图1所示天线罩瞄准线误差的形成原理图［12］。天线和天线罩之间相对位置的改变会造成瞄准线误差的变化。导引头天线在天线罩内一定的立体角内进行扫描，因此需要测量天线在多个扫描角下的天线罩瞄准误差。

图1　天线罩瞄准线误差的形成原理

1.2系统组成

天线罩瞄准线误差测试系统［13］布置于微波暗室内，系统主要由发射端模块、接收端模块和控制与处理模块三部分组成，如图2所示天线罩瞄准线误差测试系统示意图。计算机通过两台控制器实现对扫描架和转台的控制及状态读取，同时与矢量网络分析仪连接，实时读取测试原始数据并进行处理。

图2　天线罩瞄准线误差测试系统示意图

1.3瞄准线误差的寻零测试原理

单脉冲体制导引头天线的归一化差方向图见图3所示，方向图零深位置对应的横坐标代表了天线的波束指向。瞄准线误差反映的是天线罩对该横坐标对应角度的影响。

图3　单脉冲天线的归一化差方向图

在天线罩测试系统中，当收发天线距离满足测试要求时，扫描架带动发射天线做平面运动可以近似等效为发射天线以接收天线为中心做极小角度的圆周运动，接收天线差通道接收的信号即为天线的差方向图，这一过程定义为瞄准误差测试的寻零。图4给出了接收天线信号电平随发射天线扫描架位置的变化曲线，记录有罩和无罩情况下接收信号最小值对应的扫描架运动位置x1和x2，假设收发天线距离为D，则天线罩的瞄准线误差为：

图4　接收天线信号随扫描架位置的变化曲线图

不同天线扫描角的天线罩瞄准线误差测试中，通常固定接收天线，将被测天线罩安装于转台上，通过天线罩相对天线的转动模拟天线扫描角的变化，进而获取瞄准线误差随天线扫描角变化的曲线。

2　瞄准线误差的动态寻零方法

2.1动态寻零原理

传统的天线罩瞄准误差测试的寻零通常将扫描架的寻零范围设置为一个较大的定值，通过控制扫描架和转台的交替运动获取各个天线扫描角差方向图的零深位置，处理后得到天线罩的瞄准误差。

文中提出一种动态寻零的方法，即不设置扫描架的寻零范围，根据扫描架位置和接收信号实时判断扫描架的运动方向，当已获取某天线扫描角的零深位置，系统记录零深位置，自动切换到下一个天线扫描角进行寻零测试。如图5所示天线罩瞄准误差动态寻零测试流程图，其中零深判断和零深位置预测是与传统方法不同之处，也是系统实现的核心。

2.2控制算法及实现

图6给出了动态寻零控制算法流程图。在寻零开始时，首先读取扫描架的位置，计算扫描架的移动方向和位置，控制扫描架运动，同时记录接收的信号。当接收信号升高时，算法通知扫描架反向扫描。当信号由降低转变为升高后，记录已测信号最低点的扫描架位置，定义为零深位置。

图5　天线罩瞄准误差动态寻零测试流程图

图6　动态寻零控制算法流程图

3　测试结果分析

将动态寻零方法应用于测试系统，记录发射天线在寻零过程中在扫描架上的运动轨迹，如图7所示。从图中可以看出，传统寻零和动态寻零两种方法均可覆盖天线的零深位置。采用传统方法的测试系统中发射天线一直在扫描架坐标0～60 mm之间往返的运动，采用动态寻零方法则根据接收信号控制扫描架运动方向和距离，有效降低了寻零行程。

对比两种方法的测试效率，传统的寻零方法固定扫描架的运动距离，因此其对于不同天线扫描角时扫描架的寻零运动行程是固定的，而动态寻零法则即时判断零深位置是否已获得，寻零行程大幅度减小。图8给出了不同天线扫描角的两种方法的寻零行程。由图中可以看出，采用传统方法的发射天线寻零行程恒定为60 mm。完成（0°～35°）天线扫描角的测试，寻零总距离为2 160 mm。采用动态寻零法的扫描架寻零范围不固定，行程在8～21 mm不等，扫描架寻零总距离495 mm。相对传统方法，动态寻零方法可使扫描架运动距离降低77%。考虑到扫描架每次停车和起动额外花费约2 s，而采用传统方法和动态寻零方法，系统停车分别为36次和62次，而扫描架寻零速度为0.35 mm/s，则采用两种方法的测试时间分别为828 s和297.25 s。由此可以看出，采用动态寻零

图7　发射天线的寻零轨迹

图8　不同天线扫描角的寻零行程

方法的测试时间仅为传统寻零方法的0.36倍，测试效率显著提高。

4　结论

为解决天线罩瞄准误差线测试中传统寻零法扫描时间较长的问题，文中提出了一种自动电轴跟踪的动态寻零方法，该方法可自动跟踪在天线罩瞄准线误差测试过程中，天线差方向图零深位置的变化，显著降低测试所需的寻零行程和时间。利用动态寻零方法与传统寻零方法分别进行天线罩的瞄准线误差测试，测试实验证明动态寻零方法可以将测试时间缩短至采用传统寻零方法所需时间的0.36倍，有效提高了天线罩瞄准线误差的测试效率。

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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

吴秉横（1982-），男，河北沧州人，讲师，博士，研究方向：雷达和天线罩电气设计。