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1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：天线罩测试误差与补偿作者所在系部：电子与控制工程学院雷达，也被称为“无线电定位”，它能够通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标的方位、高度等信息。而雷达天线罩可以保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长其使用寿命。但天线罩在保护雷达的同时会对电磁波造成反射和折射，使其指向一个不真实的目标方向。本文针对上述的天线罩会对雷达测角造成影响的现象进行了原理剖析。搭建了适宜的暗室环境并对透过天线罩的电磁波进行了测试，最后对测试结果数据进行拟合并绘制出了图像。随后本文在理论分析与全面精细的天线罩测试数据
2、的基础上,研究了基于数据拟合方法的高效测试方法。并通过研究目前各种天线罩瞄准线误差补偿的方法，对比找出了一个较为精准的误差补偿方法。最终使用该方法并将补偿结果绘制出图像与补偿前图象进行对比,证明了该方法精准有效。关键词：雷达天线罩误差测试误差补偿AbstractRadar,alsoknownasradiopositioning,canilluminatethetargetandreceiveitsechobyemittingelectromagneticwaves,thusobtaininginformationabouttheorientationandheightofthetarget.T
3、heradarradomecanprotecttheantennasystemfromwindandrain,snow,ice,dustandsolarradiation,andreducethewear,corrosionandagingoftheantennasystem,andprolongitsservicelife.However,whileprotectingtheradar,theradomewillreflectandrefracttheelectromagneticwaves,makingitpointtoanunrealtargetdirection.Thispaperan
4、alyzestheprincipleofradaranglemeasurement.Thesuitabledarkchamberenvironmentisbuiltandtheelectromagneticwavespassingthroughtheantennacoveraretested,andfinallythetestresultdataismerged.Basedonthetheoreticalanalysisofdataandcomprehensiveantennapatchtestdata.Bystudyingvariousmethodsoferrorcompensation,w
5、efindamoreaccurateerrorcompensationmethod.Finallyusingthismethodandcomparingthecompensationresultswiththecompensationimage,itisprovedThismethodisaccurateandeffective.Keywords:Radarradomeerrortesterrorcompensation摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 国内外研究概况31.2 .1国外研究概况31.3 .2国内研究概况41.3 本文完成的主要工作内容41
6、.4 小结5第2章测角及误差原理62.1雷达测角原理62.2天线罩造成误差的原理7第3章天线罩简介103.1 天线罩分类103.2 天线罩电性能指标11第4章天线罩测试过程134.1测试的必要性134.2 天线罩测试流程134.3 机械臂简介154.4 测试及数据处理软件164.5 测试后得到的数据174.6 本章小结18第5章天线罩误差补偿205.1 天线罩瞄准线误差补偿的主要问题205.2 机械修磨补偿法205.3 数学补偿方法21第6章补偿结果236.1测试数据图236.2补偿后的测试数据图24第7章结论与展望267.1主要结论267.2研究展望26致谢错误!未定义书签。参考文献28天线
7、罩误差测试与补偿第1章绪论1.1 课题背景及研究意义Radiodetectionandranging,中文翻译是无线电测距与侦查，他的简写就是雷达的英文音译单词Radar1意为通过实际应用无线电的技术理论来对目标达成勘探方位与测量距离的目的。在第二次世界大战期间雷达首次出现，并且在二战中一经应用就帮助英国在反空袭战中成功搜寻到了德军的飞机，对推动战争进程起到了重要作用。因此，自二战以来，以美、俄、法、英等国为首，世界上的各个发达强国几乎均将大力研发雷达技术作为本国的技术研发重点之一。在雷达技术初次应用于实际的第二次世界大战初期时段,雷达的应用场景和预期目标基本上就是通讯部队期望利用雷达探测技术
8、来达到能够快速精准的探测到敌机的方位和距离并且根据其速度来判断敌机到达的时间的目的。而随着时间的推移，无线电技术也在不断的发展与进步，所以雷达技术也在伴随着不断的发展。因此，对于现代雷达的要求功能和预期目标也越来越精细，越来越全面，不但要求雷达能够迅速截取探测到目标，还要在接收到目标的信号之后将信号传递至信息处理系统，然后快速对目标的方位信息、距离信息、俯角信息、仰角信息、速度信息等进行测量。在此基础上还要对目标一边持续进行扫描监视一边不断保持跟踪，以期望实现对目标的测绘、导航、显示出目标的形状样貌等一系列最新的功能。而要想达到这些目标看似复杂,然而实际上雷达最基本的原理其实就是通过利用目标对
9、电磁波的反射与折射来发现目标,从而对传回的信号进行分析处理之后得到测定目标的包括距离与方位，角度在内的一系列空间位置坐标。并且，值得我们注意的是：测算目标的方位以及距离长期以来也一直都是雷达最重要且最为基础基本的功能之一,因此精确快速的测量到目标的方位角以及距离也是在整个雷达测探过程中的一个重要部分,与此同时,该过程也是雷达的天线在接收到目标的反馈信号之后随后将要进行的信息分析处理这一过程中的核心要点之一。随着现代高科技的发展，雷达也不再单纯的被应用于军事当中，目前雷达也被广泛的应用于民用，例如民用飞机与航海的导航、气象勘测等领域。任何一项技术都不会独自的发展，受到了雷达发展的影响，雷达天线罩
10、的应用前景也日趋开阔。雷达天线罩通常被用于保护天线罩内部的雷达天线系统，使其免遭于外界环境当中的风沙、腐蚀、辐射等恶劣损坏影响，从而使得其内部的雷达设备能够正常进行工作的一种防护设备。在天线罩的庇护下，外界恶劣条件不易干扰到罩内的雷达天线系统，辐射或者酸性环境对雷达天线所能成腐蚀以及磨损被天线罩大大减少。因此雷达天线的的工作环境就相比未加罩的状态更加稳定，这也就相当于天线罩延长了雷达天线的使用寿命，并且使得天线能够保持住可靠的工作性能。不仅如此，如果是安装在导弹上的雷达，天线罩还能够消除因为导弹高速飞行所可能给雷达带来的高温高压，空气动力负荷和风力矩等一系列问题，这就相当于减少了运动过程中的摩
11、擦力，那么因此原本需要用来驱动天线的功率就可以减少了。而功率需求降低了那么我们就可以减轻导弹的重量以及惯量了，可谓收益无穷。而对于一些大型的观测雷达，由于雷达天线罩体积庞大，日常的维护雷达天线设备的人员甚至还可以在天线罩内开展工作，这样无论是雷达天线还是工作人员都可以避免遭受外界恶劣环境的影响，不仅明显的延长了雷达工作器件的使用寿命还显著改善了在罩内进行相关操作人员的工作环境。用一种类比的方法来解释的话，在天线罩内部雷达天线的工作频段范围内，天线罩大致类似于一个可供目标所反射的电磁信号进行穿梭的透明窗户所起到的作用“叫雷达天线罩一般由高硅氧玻璃纤维、石英纤维等材料复合而成，这些材料不仅能够满足
12、天线罩所需的电性能要求，还能够提供优秀的力学性能支持。正是由于上述的雷达天线罩的种种优点，在雷达系统当中天线罩的地位显得相当重要,天线罩的性能优劣完全会直接影响到未来雷达能否准确的测量道目标的方位角度。然而，天线罩虽然保护了雷达天线不受腐蚀等影响,但是它也会对其造成一些不利的影响。比如受材料因素影响，雷达天线罩会在雷达进行收发电磁波的时候对雷达天线所辐射的电磁波产生物理干扰，如造成反射或者折射等，虽然可能只是很小的一部分，但是这也足以引起展现雷达电磁波方向性的旁瓣回波发生变化或者增加,进而对测量结果造成不良的偏差。而造成这种结果的原因通常都是由于雷达天线罩对电磁波的传输造成了插入相位延迟（即输
13、入信号与输出信号的相位差）或者折射反射，这才使得天线罩令雷达电磁波束产生了变化与偏移。而电磁波波束主瓣偏移所造成的主要后果就是会造成雷达方向偏移,使得雷达对目标进行的跟踪瞄准误差增加。如果是固定位置的目标那么这种误差会相对小一些，但是如果目标是在时刻不断地进行着运动的（例如敌机），那么这时雷达就要时刻保持对彼此之间相对角度与距离都在不断地改变的目标的跟踪。所以目标所反馈的电磁波在传输到雷达天线罩时候的相对角度也会跟随着不停变化，因此通过天线罩的电磁波辐射并不会在同一角度与位置进入天线罩，这个入射的角度与位置会时刻变化。之前我们提到雷达所探测到的目标位置（即视在位置）和雷达的实际位置之间是存在着
14、一个角度偏差的U4I,而这个角度就是所谓的雷达天线罩所造成的瞄准线误差。而这个瞄准线误差会在雷达与目标相对位置变化的同时也发生着变化。如果某一时刻瞄准线误差超过了一定的限度,那么这就会导致实际对雷达的定位出现巨大误差。因此，我们需要尽可能的降低这种瞄准线误差【叫从而来提升雷达测试的精准度。本文根据雷达天线罩给雷达造成测试误差的原理,依托对天线罩进行详细的电气性能测量（例如天线罩介质材料的电性能测量，由于天线罩对电磁波在传输时引起反射从而造成的角度带来的瞄准误差曲线测量等）从而得到的数据，通过研究当前已经广泛应用的天线罩瞄准误差曲线的补偿方法，在整合天线罩测试数据的基础上，进行数据的理论分析,目
15、标研窕出基于数据拟合法的一种高效的雷达天线罩测试方法。并且通过实验测得数据与补偿后数据的对比验证来证明这种补偿方法是高效且可行的。1.2 国内外研究概况1.2.1 国外研究概况在20世纪的40年代，结合电磁波的传播特性，威洛比米勒凯迪和路易斯亚历山大特纳对穿过雷达天线罩进行传播的电磁波进行了研究。他们推导出了在平板天线上面的电磁波传播以及反射的公式，但是这种方法的局限性很大，缺乏通用性，因为使用这种方法时每一种不同结构的天线罩都必须分别的去推导与之相对应的公式。在20世纪的50年代末期,坤恩和巴勒斯在波场理论的基础上提出了等效传输线理论,该方法基于薄微带的假设，将波导等传输线等效为长线，引入了
16、模式电压和模式电流的概念，并利用微积分思想来推导出了传输线的模型，简化了原本需要在电磁波传输的过程中进行多次多层且复杂的平板求解问题的繁琐过程。在20世纪的60年代，伴随着计算机运算和建模能力的不断提高，有关于天线罩的相关理论研究成果也日益丰硕，大体的发展经过了如下几个阶段：首先是对于较为简单的平面雷达天线罩模型,吉尔康伊尔发明了可以对其传输特性进行分析与运算的二维射线跟踪法，这种方法将由天线信号源辐射出的电磁波视作一条射线，并把电磁波的反射面类比为源信号传播的镜像面，并通过几何关系准确地找到对应的路径。这种方法影响深远，在后来被人们广泛的应用到无线电波传输特性的研窕之中。在此之后，对于三维的
17、雷达天线罩模型,塔维斯基于之前的研究成果,又发明出了三维射线跟踪法来对其进行电性能的测量,并且将这种方法用作于对天线罩的宏观模型估算时所进行模拟测算处理问题当中的核心。后来，针对于三维的天线罩测量系统的电性能数值仿真问题，以帕里斯为首的研究人员们在进行近场远场转换时，利用表面积分技术和射线跟踪法，沿着天线罩罩体曲面对切向于电场和磁场方向的雷达电磁波进行了矢量积分，最终简单高效的口径积分-表面积分法得以问世。之后，瑞达克等人又基于高斯积分，通过分析口径积分以及应用平面波普理论,把天线罩表面作为等效辐射源,基于将其类比为对解决带罩的远场天线电性能测量问题来计算的思想提出了平面波谱-表面积分法。到了
18、20世纪80年代到上世纪末期期间，由于飞机、导弹等高速飞行的载体上，要求天线不能影响载体的动力学特性,因此天线罩的形状需要尽可能的做到能同其载体一起构成一个符合空气动力学的形状。这个时候研究天线罩的方法就随着要求的提升由简单的、精确度较低的传输线理论发展成为了复杂的、精确度高的全波分析理论了。全波理论的基础是不封闭空间下的格林函数，它相较于以往的传输线模型引入了空间的变换，不仅适用于任何形状、任意厚度的天线罩，还可以进一步拓宽理论上的适用范围。该方法也因此在后世成为了一种主流的天线罩的电性能分析理论。积分方程法属于全波分析理论中的一个分支，这种方法通常依靠于特定边界条件下雷达信号源所产生的电磁
19、场，再根据场的叠加原理将信号源场与源场信号的分布情况相乘，最后对其进行积分从而求得总场分布。这种方法不仅理论原理简单易懂，适用范围广，而且计算也相当的简单精确。在本世纪初,无论是将连续方程离散化为代数方程组的矩量法亦或是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的有限元法，以及后面出现的以射线求轨迹为基础的几何光学法、以等效流为基础并应用副射线理论的物理光学法等高频方法，或者将研究高频低频的方法组合起来（例如阿卜杜勒将物理光学法与矩量法进行了结合）对天线罩的电性能进行分析研究的方法都得到了大力发展。而J.M.Song,C.C.Lu等提出了通过逐层聚合、转移、解散的方法解析出了直径仅为半米的天线罩
20、的电性能，可见这种方法相当精准，足以完成矩矢乘运算的多层快速多极子算法。1.2.2 国内研究概况国内对于天线罩电磁场的电性能研究问题相较于国外的发展起步较晚,从二十世纪八十年代才开始逐渐重视。十年后，在天线罩电信设计方法这本书中，作者对于天线罩的电性能测试流程进行了细致的讲解,并且对平板以及曲面形状的雷达线罩进行了细致研究，并对其电性能测量的计算方法进行了详细的推导，推导过程中主要应用了上文介绍过的平面波谱的表面积分法以及四端口微波反射网络理论。由于雷达天线的远区场对于口径波谱存在有很强的局部的依赖特性,万国宾教授等人基于这一点在本世纪初提出了有效近场的概念，并且针对于远场的计算他们又在此的基
21、础上发明了波谱射线法。后来，中电十四所的张强等人将物理光学法和矢量法进行混合,面对电大尺寸目标附近的电小尺寸目标的电磁问题，对包括线面结构在内的任意辐射体表面（如可旋转结构式的天线罩）进行电性能计算，所得到的推测验算结果精度大大提高，达到了与实际相符，并且很大程度上减少了计算量。近些年，我国的众多一流航空航天高校的教授们也都在对上述的这些领域进行研究。正是得益于这些专家学者的研究，伴随着最近几十年我国航空工业技术的发展,我国的机载雷达天线罩研制水平也得到了空前的快速发展。目前我国有关雷达天线罩的制造技术已经取得巨大突破,无论是实芯半波壁结构的天线罩还是蜂窝夹层结构甚至电抗加载结构的天线罩目前都
22、可以研制出来，可见取得的成绩斐然。1.3 本文完成的主要工作内容本文主要完成的工作内容包括：一、解读本课程设计选题的背景与意义，并对此前国内外有关于天线罩方面研究的历史和当前的研究现状进行了总结；二、研究了雷达测角的基本原理，在此基础上重点针对雷达天线罩的瞄准误差线对于雷达测角的影响进行原理剖析，从而体现出了进行补偿的重要性；三、搭建适宜的测试环境并在此暗室环境内对天线罩透过的电磁波进行测试，然后对测试结果数据进行拟合并绘制出图像；四、研究当前的几种主流天线罩瞄准线误差补偿方法，对比分析其优劣，找出其中较好的方法。最终实际应用该方法并将补偿结果绘制出图像与补偿前的对比；1.4 小结本章主要向读
23、者展示了雷达天线罩的必要性、国内外研究概况以及现状。并且介绍了天线罩对雷达产生误差的原理。由此我们可以得出结论即：要想减少天线罩造成的误差,首先要对天线罩进行详细的电性能测试，从而得到准确的数据。在天线罩的测试过程中,我们要对产生误差的原因进行分析,这可以让我们有针对性地去改善天线罩测试环境与方法,从而准确的掌握详细的天线罩电性能参数，并再此基础之上进行误差的补偿。第2章测角及误差原理2.1 雷达测角原理当电磁波在均匀介质中传播时会沿直线传输,雷达测角正是利用了这一点作为其最基本的物理原理。虽然在实际传播当中电磁波由于会受到大气密度、空气湿度等因素影响,导致电磁波其实并不是在理想的均匀介质中传
24、播，故而电磁波的传播路线不可避免的会发生偏折。然而如果目标距离雷达并不是非常远，这种误差的影响并不会很大，所以我们可以将其忽略不计，依然近似的认为电磁波是在沿着直线传播的。雷达的天线在工作时会向周围四面八方的空间中散发由雷达发射机产生的电磁波，电磁波会以光速在大气中进行传输，如果遇到了波束内的目标物体，就会被目标吸收截取以及折射反射一部分电磁波的，而这些被反射的电磁波又会被雷达探测收集到。之后雷达天线就会启动收发转换开关，并将目标折射返回的电磁波信号经由传输线反馈给接收机，并对其进行分析放大，从中计算出有用的信息，最后传递给显示屏幕。这就是雷达探测的基本原理。利用雷达天线在不同的角度会有不同的
25、辐射能量期望这一特性,我们可以实现目标的角位置（即方位角与俯仰角）的测量。这也就是雷达天线的方向性，它会在不同方向分别把电磁能量聚集起来，就像是有很多个手电筒在黑暗射出光束，如果其中一个电磁波的波束轴（手电筒射出的光束）恰好对准了目标物体，那么这时候雷达所接收到的回波信号将会是最强的。如果天线的波束轴偏离了目标的位置，那么雷达在这个方向上释放的电磁波能够触碰到目标的数量就会减少，相应的雷达接收到的回波信号就会逐渐减弱。所以我们只需要判断并找出何方位下雷达接收到的电磁波回波是最强的,那么这个时候天线波束所指向的位置，即为目标所在的方向口。这就是雷达对于目标的角测量的最基本原理。雷达测角各方法之间
26、的性能优劣可以使用雷达测角的范围、速度与准确度等方面的比较来进行综合考量。下面我们就用单脉冲测角作为代表进行介绍：单脉冲雷达是一种相当精密并具有跟踪能力的雷达,因此它主要被用于高速运动目标的跟踪定位。单脉冲法顾名思义，它只需要捕捉到一个脉冲的回波信号，就可以进行角度的测量并让我们推算得到目标所在的角度位置方向等诸多信息。在单脉冲雷达的测角过程中，能够体现雷达天线方向性的最大花瓣状辐射波束（主瓣）会通过比较接收信号的幅度从而产生一个和波束以用来探测目标的距离并对其进行跟踪。并且由于单脉冲雷达的自跟踪天线会尽量使自身主瓣的方向位于零点方向，如果目标与主瓣方向存在偏差，它就会产生一个与旁瓣主瓣的电平
27、之差等大的差波束以用来维持目标的方位角和俯仰角与主瓣方向相同从而达到角跟踪的目的。如果目标所在方向正好与波束主瓣的方向相同，那么此时差波束所接收到的电平差值信号就会非常接近于零,所以即使这个时候所测信号存在着一定的起伏，也不会对最终单脉冲雷达所测得的角坐标的测量精度产生影响，这也是它的一个优点。在单脉冲雷达测角原理当中,信息处理系统通过对雷达天线所传回的电磁波信号进行分析对比，最终得到目标的角度位置等信息。当目标移动时，负责测量角度跟踪的差波束接收到的主瓣与旁瓣之间的电平差信号会由弱变强,而负责距离跟踪的和波束接收到的信号则会由强变弱。所以单脉冲雷达在对折射回的电磁信号进行成对的比较时，雷达所
28、输出的电平只依靠回波到达时候主瓣和旁瓣之间电平差的大小来进行判断。单脉冲雷达测角方法一般可以分成以下三种，即：比幅法、比相法以及和差法。下文主要介绍比相法的基本原理。相位法测角基本原理：当采用多个雷达天线进行回波探测的时候，由于存在路程差，所以回波到达不同的天线时测得的相位有时间差，也就由此产生了相位差。相位法测角正是利用了对相位差的比较作为其原理。我们首先假设现在目前有两个雷达天线，它们的间距为d,而在目标传输回天线的方向与天线阵元法线的夹角方向有一远场源目标(如图2-1所示)，其入射波可以视作平面波，相邻的阵元由于与目标的距离不同，因此存在着一段距离差AR,这段距离差导致两根天线接收的信号
29、存在由时间引起的相位差小，由此我们易推得：7?=dxsin6(2-1)2AR2疯sin。(2-2)式中，雷达波长；如果我们利用高精度相位计对他们的相位进行比较,就可以测出它们之间的相位差,从而得知目标真正的方向与位置。图2-1相位比较法雷达测角原理2.2 天线罩造成误差的原理雷达天线罩使得测角结果产生误差的原因：雷达天线罩会在雷达天线进行测角工作时对其所发射与接收的电磁波造成一定程度的干扰，最终影响电磁波的正常传播。天线罩使雷达测角结果产生误差的原因基本可以分为以下几种：1 .雷达天线接收或者发射的电磁波会在经过天线罩罩壁的时候在表面激起表面波。这个表面波的辐射能力越强，对于电磁波所产生的干扰
30、就越大，就会导致雷达天线所探测到的目标的方向的准确性就越低,信处所分析出的目标的方向与角度位置图像的失真变形也就会越严重。这种由于沿着不同介质界面之间进行传播而被激起的表面波的大小通常与和雷达天线的转角大小还有天线边缘与天线罩壁的距离有关。天线的转角越大，天线边缘和罩壁的距离越近，所形成的表面波就越大色其所造成的干扰也就会越大。2 .天线罩不同位置的形状可能是不同的，而天线罩罩壁的这些不同视角会导致电磁波的入射角偏移量发生变化。又由于雷达天线接收到的入射角角度的不同，会使得这些接收到的电磁波的插入相位被改变。所以，在电磁回波通过天线罩罩壁后它们的相位会相较于真实情况不同，即发生失真。这样，就最
31、终将会致使雷达所测得的目标角度位置方向与实际不同并使单脉冲天线的差方向图中心零点处电场与最大值处电场之比（即零点深度）增加，并使主瓣旁瓣的宽度和电平改变。3 .当目标折射返回的电磁波通过天线罩罩壁时，天线罩将不可避免的对其中通过的部分电磁波进行折射与吸收，无法完全做到同窗口一样。并且，在天线罩罩壁的不同位置,由于其材料密度不一样，形状亦不同，导致在天线罩不同位置的折射系数和吸收系数也都不尽相同。这样就会使得穿过天线罩的电磁波能量形成一定量的损耗，这同样也是不可避免的电磁波在天线罩当中的传输损耗。这种损耗不仅会浪费能量，影响天线增益，使系统噪声温度增加，也会造成目标的角度方向的测量失真与错位。4
32、 .在天线罩表面的高频能量会和天线口径（即垂直于接收或入射的电磁波方向并且能够有效的截获电磁波能量的有效面积）之间会发生多次反射。当天线的口径平行于或者接近平行于天线罩表面的时候,天线口径会和天线罩表面所拥有的电磁波能量之间会进行很多次反射与折射，最终导致天线主瓣轴线发生偏移，使得雷达测量的视在目标位置发生变化，也就是说这种反射也同样会造成雷达测角时显示图形的畸变。5 .由于罩壁条件不同，即，除了天线罩外形的不对称除了会造成入射角变化，还会因为发生极化使得天线罩让雷达在测角的时候产生交叉瞄准误差，并且不止这一种原因，如果是不垂直，并且水平方向发生了极化的话，由于电磁波在入射时在天线罩上下对称的
33、两个部分处垂直方向以及水平方向所发生的极化分量存在差异,那么即使这个天线罩的外形是完全对称的，那么也是有可能造成这种误差的。在上面所陈述的这些原因之中，当数以天线罩罩壁对电磁波造成的插入相位的不同而造成的额外相位误差所造成的相位失真以及天线罩对入射电磁波进行反射、吸收所造成的不可避免的能量损耗对于最终雷达所测得的方位角度图的失真影响最严重。这两种原因所造成的雷达天线方位角度图的偏移,最终将会使得装备了天线罩后雷达天线所用于瞄准的主瓣电轴发生偏移,这对于雷达的探测来说影响是很大的,就如同我们看水下的物体一样,由于发生了折射使得雷达所测量的目标角度与目标原本的真实角度存在着一个偏转角度。，这个A。
34、的大小一般被称为天线罩的瞄准线误差。如下图2-2所示即为天线罩瞄准线误差。产生的原理图：视在目标目标19导弹俯仰角；q目标视线角；q视在目标视线角；天线的跟踪误差;天线轴和弹轴间的夹角，即天线转角；目标视线与弹轴间的夹角，即视角.图2-2瞄准线误差原理如上图所示，以导弹上的雷达为例。由于各部位罩壁条件之间的差异，电磁信号在接收或者发射时经过天线罩后通过了不同的介质，因此对于电磁波来说,经过不同的视角,造成的雷达主瓣电轴的受偏移程度也是不同的阿，我们现在将雷达天线罩的瞄准线误差随视在误差变化而变化的函数关系记为。=F().由于电磁波经过罩壁曲面并不规则，造成的信号变化率也就会不同，所以这个函数关
35、系并不是线性的，故而天线罩的瞄准线误差受视角变化而变化的曲线斜率也在不断地变化,而这个曲线在某一角度的斜率即为对应的天线罩瞄准线误差斜率，记为K。当曲线导数为正值时，雷达天线转动的角速度向量与目标视在转动角速度之比会被有效降低，同时会增加单脉冲雷达AGC控制的系统时间常数,降低雷达测量系统的动态跟踪难度，使得实际位置与理论目标位置偏差程度减少。而当曲线导数为负值时，则雷达天线自身的有效角转动速度与目标视在角转动速度之比会增大,同时减少AGC时间常数，增大雷达系统的跟踪难度，使目标理论与实际之间的角度偏差增加。第3章天线罩简介3.1 天线罩分类天线罩种类繁多，由于雷达的不断发展，雷达天线罩的应用
36、范围及其广泛，由于它们之间各自的使用目的就业领域并不相同,就导致了它们各自的辐射系统以及性能特性要求也都各不相同。所以不同的天线罩的罩壁结构形式也都不同，它们之间的外形差异可能很大，故而天线罩拥有多种分类方法。如果按照天线罩的应用地点上分类可以划分为在航天器航空器上面安装使用的航空型和在地面以及海洋上使用的地面（含舰载）型两大类，并且其中的地面天线罩我们又可以根据他的成型方式来分为充气天线罩和刚性天线罩两类网。如果按照天线罩的罩壁结构分类，天线罩可分为仅有一层外壁的均匀单壁结构、具有两层罩壁并且中间存在空隙的夹层结构和利用杆件组成的结构体系来承受重量的空间骨架结构三大类。其中单层实心壁包括薄壁
37、和半波壁，夹层壁结构包括如图3-1所示的A型夹层、B型夹层、C型夹层以及多层夹层壁结构WL由于电磁场矢量的跃变所遵从条件的不同,某些天线罩会在传输介质内部嵌入金属丝,从而达到改善其传输性能特性的目的。金属加载结构B夹层结构单层结构A夹层结构如果根据天线罩接收到的辐射波与罩壁法线的夹角的角度（入射角）不同来分类，可以分为垂直入射天线罩和倾斜入射角天线罩。对于辐射出电磁波的中入射角度小于30的，我们称为垂直入射天线罩。而对于入射角度大于三十度的（一般为三十度到七十五度），我们称为大入射角天线罩。后者的电气性能比前者大为降低。（夹层结构图3T几种常见的天线罩结构3.2 天线罩电性能指标(1)透波率透
38、波率是与雷达天线的最大工作距离关系紧密的一项参数,它也被称为电磁波的传输功率效率。因此在天线罩的设计过程中通常将其视为最首要考虑的性能参数。透波率是指给雷达天线加了天线罩之后,天线罩内的信号发射源在某个方向发射的天线远场功率密度,比上没有天线罩时，该信号源在该方向发射的远场功率密度。如果我们设雷达天线加了天线罩之后在远区场的最远投射距离下的极限辐射功率为Pi,那么Pi与在不加罩情况下雷达天线在远区场达到最远投射时的辐射功率P2的比即为透波率To表达式为：PXT=(3-1)P2一般对天线罩的要求是透波率达到90%以上，而通常影响透波率高低的因素主要有天线罩表面的覆盖材料的介电常数、天线罩罩壁的厚
39、度和罩壁之间芯层的厚度等等。因此在设计天线罩时应该在结构强度和其他环境条件允许的前提下尽可能地薄,一为节省成本,二为降低损耗。在实际的测试过程中，如果我们不易求得极限辐射功率的话可以使用电平来对透波率进行测算。首先设不加雷达天线罩时雷达天线所接收的远场辐射电平为Ai(dB),再设加了雷达天线罩时候雷达天线所接收到的远场辐射电平为A2(dB),那么此时透波率的表达式为：-AT=IO,0(3-2)(2)插入相位移由于天线罩罩壁并不均匀，所以雷达在测角时会造成插入相位移，这会导致天线增益受到损失，雷达释放的波束宽度增加造成结果失真，确定目标方位的主瓣波束电轴偏转以及旁瓣抬高，从而严重影响雷达的准确性
40、。所以插入相位移足以作为一项参数来显示天线罩对通过其内部的电磁波相位所造成的影响严重程度。目前国际上有两种经典成熟的用来检测插入相位移的方法：即单喇叭干涉仪法(也称反射法)和双喇叭双通道微波相位电桥法。插入相位移的测量方法为：在天线罩外选某一点，测试出在该点处天线罩内部的信号源所辐射出的电磁波的相位6I,然后测试出没有加上天线罩时同一个雷达信号源所辐射出的电磁波在该点的插入相位2.最后将二者做差，即IPD=,-2(3-3)(3)相位不一致性当带雷达天线罩进行测试的时候，由于天线罩罩体外表形状不对称，薄厚也不均匀，所以当我们利用天线阵列进行电磁波的角度方位测量时,天线阵列中的天线单元会因此而导致
41、接收到的入射角度不同,进而使得不同天线阵列元之间接收反馈到的相位是不一致的。并且在实际的测试过程中，阵列天线中的不同单元之间还会相互对电磁波信号进行遮挡和反射，这种效应会不断叠加，最终改变反馈给信处的电流大小。因此我们通常使用相位不一致性这一参数的大小来体现带了天线罩之后的雷达天线的信号接收性能。(4)瞄准误差天线罩的瞄准误差是用来显示单脉冲雷达天线在雷达加有天线罩时的差波束零点指向与雷达不加天线罩时候的差波束零点所在方位之间的角度差的。差波束零点指向的偏移量即为天线罩对雷达天线探测目标造成误差的大小变化量。可以用公式表示为：设未加雷达天线罩时，雷达天线的主瓣电轴(即此波束内辐射量最大的方位)
42、为设加了天线罩后雷达天线主瓣的最大辐射方向为O2。之后将两种情况下天线罩主瓣电轴的角度的做差，所得的结果即为天线罩的瞄准误差，即BSE=2-,(3-4)第4章天线罩测试过程4.1 测试的必要性在研发雷达天线罩的过程当中，对其进行电性能测量是一个相当必要的环节。这是由于在进行天线罩设计的过程当中,我们首先必须要能够尽可能精确地做到了解构成天线罩罩壁的材料的各项属性参数。比如天线罩的结构强度能否达标，是否可以对抗高温高压,以及对于电磁波的透过率如何等情况。比如在天线罩的工作频段内，构成天线罩罩壁的材料的相关介电常数以及对应的损耗角正切,这些数据不仅需要我们对常温下的天线罩进行测试还要知道天线罩在较
43、为极端温度（高温）下的数据1卬。所以,在天线罩设计完成之后我们首先就要对它进行一系列的测试来验证该天线罩的电性能能否达到我们的预期设计目标，以确保项目产品的可靠性。天线罩电气性能的测量通常要包括天线罩介质材料的电性能的测量，以及存在模拟介质屏蔽下的电磁波传输、反射情况和造成的相位插入差的测量。最后推测出有天线罩的存在下雷达电磁波的传输、反射所受到的影响程度以及导致的瞄准线误差大小三个方面，下文将着重介绍天线罩的测试流程。天线罩的测试流程主要包括暗室测试环境的调试、机械臂的操作校准等方面，并举一款平板天线罩的实例来进行测试验证,从而为后续实际生产中的天线罩电性能测试起到指导帮助。4.2 天线罩测
44、试流程以常用的测试方法搜零法为例,该测试方法的测试环境为暗室,并且由天线罩转台（本文由机械臂来控制天线罩的转动），雷达天线，用来放置支撑发射测试电磁波天线使其能够始终保持对接收天线的瞄准的双坐标寻零支架（通常应为一个以接收天线为中心的球面结构体），用来精准跟随的反馈控制伺服系统，以及相关的一系列电子线路和显示操控设备组成。闭环寻零测试法川组成图如图4-1所示。首先搭建用于测试的暗室环境，一般都是选取一个很大的完全封闭房间，并在房间外侧结构使用大量的利于传导的金属材料进行包裹，从而达到与外界环境隔离的效果。在房间的内侧完全使用吸波材料进行覆盖。这样可以有效降低电磁波受到其他环境因素的影响进行反射
45、从而对实验结果造成干扰。不仅如此暗室还能保证足够的空间大小，使天线罩在测试时的发射天线与接收天线达到足够的距离,使得发射天线的电磁波在传递到接收天线时像远场的电磁波一样是一个平面波的状态。待测天线和天级罩(A擅军系统图4T闭环搜零测试法示意图环境搭建完毕之后首先进行不带罩测试，先将放有雷达的支架对准接收天线摆放，由调制器发送指令给射频源雷达天线发射测试用的电磁信号，电磁信号发射出之后对准目标接收天线，并锁定目标位置，待测天线接收电磁波之后将信号传递给传递网络以及伺服系统。测试完一组数据后由机械臂充当转台控制器驱动接收天线运转到下个角度，在多个电磁波频率点以及多个角度的目标位置进行多组测试。最终
46、将测试结果记录下来。然后进行带罩测试，要保证与不带罩测试唯一的变量就是加了天线罩，其他情况不能改变。由于天线罩对电磁波传输的干扰,单脉冲雷达发射天线的主瓣瞄准电轴一定会和之前的测试结果存在偏移，当偏移出现后，检测与上次同样条件下输出信号的偏离大小，并将误差数据给到随动控制系统。经过一系列信息处理之后，信处会把测得的位置坐标转换为角度坐标记录下来,随即系统将会控制天线的差方向趋近于零位并调整寻零器支架使发射天线再次对准接收天线。在这个过程中，无论是由机械臂控制的天线罩的运动状态和每一个角度位置,还是经由伺服系统调整过的发射天线电轴变化情况，这些数据都会由记录器记下，并且经过对带罩和无罩情况下雷达
47、差方向图的零点深度位置变化对比以及一系列的公式计算最终得出加了天线罩之后的瞄准线误差变化曲线。而我们只需要截取其中任意一点就可以求出该时刻的天线罩瞄准线误差斜率了。为了保证测试结果的精度,负责发射信号的雷达天线和负责接收电磁波信号的雷达天线（即待测天线）之间应保持足够的间距，这样才能让天线所发射的电磁波传输模式近似于的远距离情况下的条件。通常情况下发射天线与接收天线之间的距离要符合公式：C八2在上述公式中天线在各个频点下的波长;D天线口径；h一一发射天线的离地高度。4.3 机械臂简介如图4-2所示，工业机器人由以下几部分构成：可以转动的机械手臂、负责控制机械臂转动的机器人控制平台、编辑机械臂运
48、动逻辑的编程器、把机械臂和控制器连接起来的电缆、相关的控制编程软件，可以查阅的附加文献。图4-2机械臂组成图图4-2中为机械手为机器人控制器为手持式编程器为连接电缆操纵机械臂需要借助如图4-3所示的手持编辑器来完成：图4-3库卡smartPAD手持编辑器前部首先按调出连接管理器的钥匙开关，因为只有当钥匙插入时才能转动开关，然后选择运行方式并按下启动键启动程序。之后首先以轴作为坐标系，让机械臂按照轴来进行运动然后调整运动的倍率，只要按手持编辑器右侧的正负按键即可调整大小。机械臂共有包括Al到A6在内的六个轴，根据主菜单里的显示，按下正或负运行键，就能让相对应的轴朝坐标系的正方向或者反方向运动也可以使其沿着之前所选定的坐标系的轴进行旋转运动，变换姿态以及转角方向。4.4 测试及数据处理软件为了保证机械臂所测得的数据能够高速的进行数据传输并且可以让测试者在显示屏上迅速的看到测试的结果，其使用了以模块化的局域网为基础的测试标准，并且融合了GPIB仪器的高性能优点的LXl外总线作为其用于通信的总线。操作者需要使用由一组构成规范和组
