地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望.pdf

天线阵面精度保证技术是实现地面相控阵雷达系统性能稳定可靠的关键技术之一 本文着力于装备研制和使用的全生命周期分析了天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度监测补偿等全流程的核心技术应用现状最后展望了该技术的未来发展方向 本文将为地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术的深入研究和工程应用提供新的思路和有益借鉴关键词:天线阵面精度保证全生命周期中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:李敏 地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望 火控雷达技术():/():.:引言地面相控阵雷达具备反应时间短、波束控制灵活、多目标处理等特点已成为国防领域中不可或缺的核心装备之一其天线阵面由若干阵元构成阵元的安装位置固定是一个涵盖了电磁场、热力学、机械设计等多种学科的复杂机械电子系统该系统通常在复杂、多变的环境下工作天线阵面的设计、加工、装配、测量、使用过程中的自重、振动、风载、温度等全生命周期各环节产生的偏差均会引起辐射信号的相位误差进而影响雷达天线波瓣增益、波束指向精度等关键技战术指标 因此控制和保证天线阵面的设计精度和平面度已成为关键技术之一其水平直接决定雷达系统性能和可靠性针对该问题国内外学者进行了大量研究文献火 控 雷 达 技 术第 卷数量众多为提升雷达系统性能起到了推进作用但大部分偏重于研究单一环节的精度最优和性能保证本文将着力于地面相控阵雷达装备研制和使用环节的全生命周期聚焦阵面精度保证技术重点对天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度检测补偿等全流程的核心关键技术进行综述和分析为该技术的深层次推广和工程应用提供解决方案和有益借鉴 设计仿真评估 阵面总体设计根据地面相控阵雷达装备装载方式和阵面总体设计情况主要分为固定式、机动式、及便携式等类型具体分类如图 所示本文不讨论便携式类型图 地面相控阵装备基于装载方式分类 固定式装备分为完全固定式和方位(或)俯仰可动式 完全固定式装备的天线阵面总体布局一般以设备大楼或天线楼等载体为依托天线阵面安装在载体的斜面上电子设备安装在载体内部 方位(或)俯仰可动式装备的天线阵面和阵面设备一般安装在高精度钢构天线骨架上电子设备安装在骨架内部天线骨架则安装于方位(或)俯仰可调的天线座上 典型的完全固定式装备如国内某大型固定式装备基于钢构骨架阵面口径超过 俄罗斯的沃罗涅日 (增强型)雷达基于米波段的相扫体制完全固定式阵面口径约 典型的方位(或)俯仰可动式装备如美国的 、等装备采用 频段相扫和机扫相结合阵面口径约 在阵面总体设计时为满足系统架构和结构布局、尺寸精度、环境适应性、维修性、包装、运输、吊装等需求需将天线阵面合理分块形成子阵简化和规范子阵外部电讯和结构接口形式每个子阵都具备完整的结构和电讯性能可独立工作作为阵面可更换基本单元机动式装备分为单车机动式和多车机动式 在机动运输、部署能力和战场生存能力等需求下其天线阵面的结构布局和工艺实现是关键工程技术之一 特别是针对大口径车载天线阵面的机动运输问题通常采用天线俯仰实现工作状态和运输状态间的快速转换以解决运输界限中的限高问题采用天线阵面折叠实现天线阵面展开和收拢以解决运输界限中的限宽问题 因此机动式装备的研究覆盖了单车单阵面、单车多阵面到两车集成、多车自动对接等热门方向 文献选择单车单阵面形式采用整体框架式骨架天线阵面尺寸为 (方位)(俯仰)文献与整体框架式不一样其单阵面由 节塔天线背架和 根离散的行线源组成工作时天线阵面口径 运输时则通过收拢机构把展开高度达 的天线阵面沿高度方向收拢到 满足运输限宽要求 文献研究单车双阵面形式阵面由 路裂缝线源组成每根线源长度 由上、下骨架组成 某三坐标雷达天线阵面折展机构由三个部分组成两翼通过旋转铰链与中间单元铰接运输时两翼通过铰链与中间单元折叠通过适当地设置铰链尺寸位置使阵面之间存在适当的间隙避免损坏阵面 在多车多阵面对接方向文献提出了阵面主块安装于转台且由天线车运输边块另外采用天线运输车辆进行运输的方案同时采用楔形曲面定位连接技术实现天线主块与边块及边块与边块之间的快速拼装 为了进一步提高大口径天线的机动性针对多车的天线快速自动对接突破了数字化自动测量、伺服控制、天线位姿自动调节等关键技术实现固定天线与移动天线的对接精度控制在 以内 多车多阵面分布形式的结构或组成形式较灵活其结第 期李 敏:地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望构及相参的信号处理方式是该体制的突出特点可大大提高系统的抗干扰能力和战场生存力 阵面设计仿真现实工程中天线阵面存在着位移场、温度场、电磁场等多种物理场的作用这些工况相互耦合将导致阵面上天线单元的位置发生偏移或偏转从而影响天线性能 很多学者应用力学、热学、电磁等设计仿真技术通过建立虚拟模型来分析内在规律和验证各种工况在重量、厚度、温度、风载等参数约束下为天线阵面的工程设计和拓扑优化提供了可靠的依据兼顾阵面可设计和可制造性极大的降低了工程研制的风险 文献针对某单车双阵面结构通过力学仿真在最恶劣工况下(自重、正面/风载荷、低温 、高温 )的最大载荷变形量为 (设计指标为)且天线结构刚强度满足设计要求 文献针对阵面结构误差建立了结构与电磁耦合模型仿真计算得到阵面结构误差对天线增益的影响与天线阵面大小无明显关系/为满足天线电性能时的结构误差临界值(按增益损失 )天线增益指标受阵面平面度影响很明显阵元安装精度影响相对较小 文献建立了考虑安装误差下的相控阵雷达结构 电磁耦合模型讨论了安装误差、平面度、型面扭曲对相控阵雷达的性能影响安装误差与阵面平面度主要对旁瓣电平造成影响而型面扭曲主要影响雷达增益此外随着阵元数量的增加型面扭曲所带来的影响逐渐减弱 文献分析了波导缝隙相阵天线阵面的平面度误差的影响因素指出了天线性能与误差的均方根值有关而并不决定于个别点的误差最大值即均方根误差指标比各个点处对应的变形量误差更加重要 文献建立了天线阵机电热耦合有限元模型构建了优化数学模型计算调整机构最优调整量并使调整量公差最大化达到改善天线阵电性能、减轻加工安装难度、降低制造成本的目的 过程精度实现目前天线阵面的阵面精度过程实现方法主要有精密加工法、装配调整法和电子补偿法等三大类在精密加工方面天线骨架作为关键结构部件一般采用“金属板材折弯焊接或铆接去应力整体 精 密 加 工 表 面 处 理”的 工 艺 路 线 来 实现大型承力结构件采用热处理等方法充分去除内应力后通过精密加工技术来保证所有装配面和装配接口的尺寸精度和位置精度要求在装配调整方面针对大型固定式装备主要有过渡骨架结构形式和调整机构结构形式前者对载体的建设要求不高但对过渡骨架的要求高需保证制造和复装的精度后续只能通过局部垫片调整的方式精调阵面精度后者对载体的建设要求相对较高但装配和调整难度降低且调整灵活适用于非平面阵面 针对机动式装备某单车双阵面结构通过调整固定在天线框架上的螺柱高度优化天线阵面平面度 多阵面结构的平面度在调整到位后一般采用配做销孔、焊接固定等方式来保证多阵面的重复定位精度 文献给出了一种基于制造测量误差的阵面精度补偿方法工作前利用调整机构使天线阵面产生预变形通过反变形补偿使天线阵面正常工作时变形引起的增益损失最小化在电子补偿方面在装配等环节产生的结构变形基础上获取阵面的变形量通过调整天线单元激励电流的幅值相位来补偿天线阵电参数 文献通过一种补偿阵列天线电流激励幅值的方法改善了单元位置误差引起的电性能恶化问题 文献则对天线阵相位进行校正来改善天线的波瓣图 静态精度测量在过程精度实现过程中需要采用静态、离线精度测量方法进行不同姿态天线阵面精度检测指导阵面精度优化调整 目前天线阵面的平面度测量技术主要有经纬仪、全站仪、工业摄影测量等方法经纬仪测量系统是一种实时、非接触、移动式的大尺寸测量系统在几米至几十米测量范围内的测量精度可达 ()但由于其单点测量效率低(采集 个点)、设站复杂以及对操作人员要求高的特点在相控阵雷达天线阵面测量中有少量应用全站仪在天线装调过程中应用广泛全站仪采用红外测距将测距仪小型化并集成在经纬仪系统中就能同时测量角度和距离快速测量目标点的三维坐标 在 的范围内测量精度为 ()针对大型固定式天线阵面为了实现子阵面姿态的精确调控解决阵面天线面型检测、重构以及调整的难题文献提出了基于模式重构方法通过建立子阵面斜率与调整机构调整参数之间火 控 雷 达 技 术第 卷数学解析关系的方式来解决该问题文献借助平面重构技术以理想中心平面为基准借助全站仪球坐标测量原理对阵面轮廓要素进行提取拟合实建平面轮廓调整后阵面精度均方根由 提升至 工业摄影测量是一种瞬间可获取被测目标大量几何信息的高精度、非接触测量方法典型精度是 (为测量范围达数百米 范围内测量精度达 )特别适合测量点众多的目标测量现场工作量相对较少目前已广泛应用于天线阵面精度测量 文献采用该方法测量 阵面 个点均方根结果为 当大型天线阵面需要在不同俯仰角下测量经纬仪和全站仪均会存在架设困难、测量点可视性差等问题摄影测量则是非常合适的方法 动态监测补偿针对具有高面型精度要求的天线阵面在装备交付后的服役环境下如能准确监测阵面变形信息、实时修正补偿误差可有效保证雷达性能的稳定输出动态监测技术目前主要有光学成像法和基于应变信息测量法两大类 光学成像法有投影云纹干涉法、立体模式识别法等其中投影云纹干涉法通过测量被测结构表面特定角度的投影条纹或干涉条纹获得结构的形变信息立体模式识别法则通过对被测结构表面的标记点进行三维跟踪来监测结构的变形状态目前工业光学成像法对户外装备的实用性不高 基于应变信息测量法采用传感器布局方式进行天线阵面形变的实时测量然后结合传感器反馈数据和天线阵面应变模型实现天线阵面变形场的实时求解具有数据获取相对容易、测量过程不受构件尺寸限制以及实时性好等优点 文献通过在天线阵面敏感层中嵌入光纤 光栅应变传感器实时测得应变信息采用模态叠加算法求解天线的变形量 文献在获得应变信息后采用逆向有限元法和分块拟合的策略实现了天线阵面变形场的解算 文献按照一定规律布置阵面加速度传感器通过对加速度信号的二次积分得到了阵面相应位置处的振动变形量提供了一种在动态工况下雷达阵面变形量监测的解决思路误差补偿技术按照作用原理的不同分为两大类:一类是基于电磁原理的电补偿技术基本原理是根据天线阵面的变形量推算激励电流相位和幅值修正量按照调整目标不同可分为相位补偿法和幅相补偿法其中相位补偿法是根据辐射单元位姿变化量反算单元激励电流相位的修正量可实现天线最大辐射方向上的性能补偿但对副瓣补偿效果不明显幅相补偿法是根据单元位姿的变化反推激励电流幅值和相位的修正量可以兼顾主瓣和副瓣补偿 另一类是基于主动控制的结构补偿技术原理是利用补偿机构(如作动器等执行机构)调整天线阵面形态或抑制阵面振动达到间接补偿天线电性能的目的美国 口径天线将整个阵面分割为两千多个小阵面采用 个作动器实现大仰角下的阵面保型文献研究的高频天线阵面精度的设计指标优于 若按照硬连接模式将无法实现引入了高精度调整机构后兼顾各误差环节实现了天线阵面多工况下的设计精度要求实时调整 此外针对天线阵面大幅度的动态变形问题文献将相位补偿法和结构补偿法相结合提出了一种调整阵面动态变形的形性混合补偿法利用结构补偿改善阵面精度进一步利用电补偿修正天线电性能 结束语地面相控阵雷达天线阵面精度保证是一项复杂的系统工程技术涉及到微波、机械、制造、测量、控制、计算机等多个专业学科 本文按照装备生命周期维度针对天线阵面总体设计、工艺制造、精度检测、服役监测等各阶段的精度保证关键技术进行了综述从上述分析可看到该技术未来发展方向主要体现在以下四方面)为匹配作战需求的变化地面装备天线阵面正朝着口径极大化和面型高精度发展 固定式装备的阵面口径达数千平方米机动式装备从单车单阵面逐步发展到多车多阵面协同机动性要求需要越高高频天线对阵面精度要求高传统的多层结构硬连接模式已无法满足设计精度需求动态调整和补偿是趋势)为保证天线电性能的稳定性阵面精度保证设计需面向装备的全生命周期 特别是针对面型高精度需求精度保证方法从前端的设计仿真验证过程技术保证到交付后的动态调整技术应用需全过程设计与控制如图 所示第 期李 敏:地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望图 地面相控阵装备阵面精度保证面向全寿命周期 )在数字化转型背景下更深入的采用电讯/结构等仿真手段协同天线阵面高质高效设计是发展趋势 借助于数字孪生等数字技术阵面机电热多场耦合模型准确建模、仿真计算算法效能提升等是未来研究的方向)面向复杂的服役环境天线阵面变形动态监测补偿技术是装备服役后精度保证的关键 特别是针对大口径、轻薄、高精度天线等的应用需求结构补偿法与电补偿法有机结合应用是必然传感器、变形场、执行机构、补偿量等环节还存在众多基础技术需要研究和突破 这也是未来雷达智慧感知的内生要求最后本文围绕地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术主题进行了综述分析了天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度检测补偿等全流程的核心关键技术应用现状展望了该技术未来发展方向为系统方案的全局设计和实现落地提供了新的思路和有益参考参考文献:唐宝富钟剑锋顾叶青.有源相控阵雷达天线结构设计.西安:西安电子科技大学出版社.顾叶青姚晔王超.有源相控阵天线集成设计.电子机械工程():.冷国俊保宏杜敬利等.大型相控阵雷达高维离散变量拓扑优化.机械工程学报():.张根煊查金水胡劲松.大型相控阵雷达阵面结构设计研究.雷达科学与技术():.赵承三孙艳龙张晋等.某型机动式三坐标雷达结构总体设计.电子机械工程():.孟国军陈建平杜勇等.大口径米波雷达高机动技术研究与实现.机械与电子():.丁庆文.地面高机动雷达整机装配工艺的研究.成组技术与生产现代化():.:.张继成刘继兴.大型天线阵面快速拼装结构设计及优化.工业建筑(增刊):.彭高亮薛渊刘世伟.大型雷达天线自动对接关键技术研究进展.空天防御():.唐为民.机动雷达大型天线自动对接技术的研究.雷达科学与技术():.陈根华.分布式阵列米波雷达高精度测角问题研究.西安:西安电子科技大学.苏力争李智刘继鹏等.大型相控阵雷达天线阵面结构精度分析及控制.火控雷达技术():.胡雪梅康明魁王伟等.六边形相控阵天线阵面误差的影响分析.北京航空航天大学学报():.火 控 雷 达 技 术第 卷 ():.张雪芹冯小明.波导缝隙相阵天线阵面平面度误差分析.火控雷达技术():.郭水生姜潮唐宝富等.一种天线阵面精度补偿优化方法.现代雷达():.江海东雷党刚杨靖辉等.地面雷达天线骨架制造工艺技术.电子工艺技术():.张德明.大型高精度平面天线骨架制造工艺研究 .电 子 机 械 工 程():.徐正.大型固定式相控阵雷达阵面安装方式研究 .电 子 机 械 工 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