火控小知识：为何在射向测量上，雷达还是不及光学准确？

mathewwu

回应gurkha兄的问题：



上图是从视界约3度的望远镜头内观测一艘20千米距离上长度250米的战舰，绿色表示光学镜头密位分划方位中分线的宽度（即测向精度，约低于1密位），浅灰色表示Mk8/274等级雷达的测向精度（约为1.5-2密位宽度），深灰色表示Mk3/284等级雷达的测向精度（约为3-4密位宽度），黑色表示22电探/Wuerzburg D等级雷达的测向精度（约为35-50密位宽度）。

由于每1密位代表每1千米距离上方位误差为1米，20千米上35密位的方位误差就是20*35=700米，约3个战舰长度，所以黑色等级的雷达是不能作为火控测向设备使用的（三级的测距精度都比光学测距仪好），测向还是要依赖误差低于1密位的光学方位盘（即指挥仪望远镜）。而前两种雷达测向误差在20千米上是20*4=80米甚至更低，比光学方位盘是有不足，但还是比大型舰艇长度要小，所以根据回波标定目标开火射击的准头不会比全用光学测距测向差，这是因为雷达测距精度要比光学好得多。

既然如此，装备Mk3/284等级雷达的华盛顿与约克公爵在夜战时为什么开火以后还时不时要依赖光学方位盘测向？这是因为波长40cm级的雷达要达到3-4密位方位精度在当时是依赖波瓣切换技术(lobe switching)，但这样的方位精度换来的是分辨率的降低，如果两个回波之间距离差不足300-400米，方位差不足100-150密位，这种雷达是很难分辨两者之间的距离方位关系的，也就是说，它们多半分辨不出来集中弹着水柱与目标之间的差别，即使分辨得出水柱，也很难决定弹着MPI,因而无法进一步做出更精确的修正。由于这种雷达的原始测距精度只有50米上下的误差，所以弹着距离差比较不是问题（也有人认为它们可以侦测弹着水柱的距离误差，在此暂不讨论），但原始测向误差一开始就相对大，后续又没有更精确的定位修正就可能越差越大，所以才要动用照明弹使用光学方位盘测量射向。Mk8/274等级雷达这方面进步很大，所以基本可以不依靠光学设备测距测向与修正弹着，但射击效果最好还是能用人工目测确认。

P.S.如果有人要问为什么可以把雷达方位角与光学方位角放在一起比较，那是因为测向望远镜与天线的指向机构都是同一个；或者是同一精度等级的机械制品，这也就是为什么二战英美德日的战舰火控雷达天线几乎都装在光学测量设备（测距仪、方位盘、指挥仪）的回转塔楼顶上一体联动的缘故。

99aa2

其实MK8的性能要比MK3好许多。

gurkha

回复 mathewwu 的帖子

谢谢科普。
那如果波宽（beam width）大于测向精度，是否会有影响？如Mk3 Mod 0和2的波宽是5度或88密位。

mathewwu

回复 gurkha 的帖子

Mk3有3'x12'及6'x6'两种天线，前者波宽6度（106密位) 后者12度(213密位)，要使用波瓣切换才达到顶楼贴图那样的2及4密位的测向精度，否则测向精度也完全不能提供开火控解算。

gurkha

回复 mathewwu 的帖子

但如果一群目标恰好都落在这个波宽角度内， 那Mk3也是无法区分其中的单个特定目标的。

mathewwu

回复 gurkha 的帖子

使用波瓣切换时杂讯比会大增，使得分辨能力下降，即顶楼说的距离差不足300-400米，方位差不足100-150密位相邻目标会混在一块。这时要停用波瓣切换回复原始波宽扫描才能提高分辨能力。不过由于Mk3只有A型突波显示器，无法像地图一样在一个屏幕上同时显示目标距离与方位，要求雷达员抽象的分辨多个目标有困难。这也就是为何德国人很早就知道波瓣切换的好处，但衡量自己的技术条件与战术要求后还是只把火控雷达当作电波测距仪使用，因为虽然光学测距费时又不如雷达准确，但光学测向却只要一两秒，在夜战时即使没有月光，也可以凭借敌舰炮口焰准确测向。

P.S. 有人说夜间可以凭借敌舰一闪而过的炮口焰来光学测距，这对在大白天都需要花费10几秒才能有效完成的测距过程来说是非常困难的，夜间用光学测据的最佳时机是对着敌人的探照灯用装有散光滤镜的重合式测距仪。照明弹的光源也可以，前提是要能把照明弹朦到目标周边1千米以内。

gurkha

Mk3有两个A型示波器，分别用来测距和测向。测距的示波器中有一个目标尖型信号（见下图)，而测向的示波器中单个目标有两个尖型信号，测距操作员需将目标信号放在缺口当中，而同时测向操作员转动天线，使得两个尖型信号等高，这样就可以读取距离和方位了。

mathewwu

回复 gurkha 的帖子

谢谢楼上的好图。
gurkha兄如果有OP 657，可否麻烦查阅并澄清以下两点：

1.我手上由舰队部发的FF1 /S67-5(1945.4)雷达员操作手册只列出Mk3&Mk4有两具屏幕，没有提到第3具可以同时将距离与方位讯号合而为一显示（如你给出的图的(c)图）的屏幕。是否能查出有无这具屏幕以及安装的位置。
2.同书只指导如何测量弹着距离误差而完全不提如何测量弹着方位误差。不知OP 657有无更明确说明，或者给出(c)图的测量精度。再谢过。

gurkha

回复 mathewwu 的帖子

十分抱歉，我手中并没有OP 657，这张图来自于这篇文章：Fast Battleship Gunnery During WWII: A Gunnary Revolution ( Brad D.Fischer and W.J. Jurens)。不过，我会试图联系下作者，看看他是否能给出答案 。再歉。

mathewwu

回复 gurkha 的帖子

谢谢。这两位都是BB研究的大老，很希望你能得到他们的回应，也想搞到这篇文章，可惜Warship International那两期已绝版了。
Jurens也参予Friedman那本谈火控的"Naval Firepower"一书的写作，该书倒是很清楚的指出Mk3与284都只有"limited beam definition"，以及波瓣切换容易丢失目标(p.219)。

gurkha

回复 mathewwu 的帖子

这二期你可以联系下出版社，好像官网上还有。具体可以询问下Mr. David M. Sullivan (dsulli7875@aol.com)

mathewwu

回复 gurkha 的帖子

咦？难道有山寨官网？我看到的网站说没了啊！再去看仔细。

Thanks, anyway!

gurkha

回复 mathewwu 的帖子

官网应该在这里：

http://www.warship.org/backis.htm

gurkha

回复 mathewwu 的帖子

以下是作者之一Bill Jurens的回复:

Actually, Brad Fischer, the co-author, was the radar expert, but I think I can answer coherently anyway.   The old Mark 3 versions seem to have used two (and sometimes three)  displays, one showing range -- that's the picture shown in the article -- with another showing deflection and yet another showing error in elevation.   The train operator  had no range information, and used a simple display to move the antenna until the return signal was either a) at its maximum intensity, or b) dropping off equally in intensity to either side.    Some units were equipped with an elevation control as well, not needed for surface fire control but useful when attempting to track aircraft.   

These radars were evolving rapidly during the war and were installed on a variety of ships, so I suspect there were quite a number of variations regarding how the various displays were physically arranged.    Illustration 'c' that you attached is also just a range display, though it includes a few additional ship returns that were more or less along the line of sight.

I will have to see if I can find my copy of ORD 657 again.   I have a file number for it, but when I went to the file cabinet, it is missing, meaning it is probably laying around on a desktop somewhere.   I will, over the next few days, take a few minutes to try and find it.   My impression and recollection, however, was that there was really no effective way to measure deflection errors accurately.   That's one important reason why optical equipment was retained even after radar rangefinding became common.    It was, incidentally, still the case in the 1980's when I worked on the Iowa class Gunnery Improvement Program.   Radar could do a much better job of rangefinding, but optics had no difficulty beating radar in deflection spotting.

mathewwu

回复 gurkha 的帖子

太好啦！我可以继续保持对Mk3雷达的认知，即是使用两具A型显示器对应距离与方位测量，同时对方位测量的精度仍不及光学这两项结论。继续你契而不舍的精神来照亮同好吧。

Bill Jurens居然参予了1980年代衣阿华的炮术改进计划？记得你曾经问过我有关turret whipping的问题，IIRC, 应是Jurens在那时候探讨过这个问题，但没有发现炮塔有明显的校准问题，还有发炮先后的问题各时期各姐妹舰貌似并不一致，这也与炮塔谐振相关，或许可以一并请教他。

oldcat

单个雷达波束的宽度做不到太小
这个是常识

想提高测角精度就需要用多波束叠合的技术
但是当年的技术难以小型化


话说过来
现在的x波段火控雷达单波束常见的波束宽度也就3度

laoziluanlai

有沒有試過兩艘艦都測距，比如己方A、B兩艦相互測距，然後再測距敵艦C，這樣確定三者距離后再計算各自方位角，這樣至少在夜戰中、或者敵艦炮口焰不顯著的時候，不是更有效率？

mathewwu

laoziluanlai 发表于 2015-3-8 03:33
有沒有試過兩艘艦都測距，比如己方A、B兩艦相互測距，然後再測距敵艦C，這樣確定三者距離后再計算各自方位 ...

多一事不如少一事，一个人就办得到的不要依赖别人。

IreneFan

求教马老，看起来美国快速战列舰都没有把主炮塔级别的光学测距仪放到桅楼这种很高的地方。是不是说明测向上，小号的光学测距仪就已经可以满足要求了？

mathewwu

IreneFan 发表于 2015-3-9 15:03
求教马老，看起来美国快速战列舰都没有把主炮塔级别的光学测距仪放到桅楼这种很高的地方。是不是说明测向上 ...

如果15米级的光学测距仪测距数据经计算后可以首轮跨射，那么大米立马就会把主炮塔的测距仪放到桅顶取代8米的。如果3万米测距误差前者450米后者700米，横竖都要修正，修正逻辑可不是算比值的，大家都可能在3-4轮之间完成。再者，炮塔和后备指挥仪上的测距仪也不是放好看的备份，在标准光学火控程序里一样要测距，然后取多数平均值才作为距离数据输入计算机的。至于测向，除非测距仪是集成在指挥仪上的，像大和或衣阿华那样，否则像长门或俾斯麦，方位或方向是由方位盘即指挥仪方向瞄准镜来测定的。