機(jī)場激光測云雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙 斌

(江蘇無線電廠有限公司，江蘇 南京 210022)

機(jī)場激光測云雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙 斌

(江蘇無線電廠有限公司，江蘇 南京 210022)

為保障飛行安全，做到24h不間斷地提供云底的高度，設(shè)計(jì)了機(jī)場激光測云雷達(dá)。該雷達(dá)通過發(fā)射接收激光回波，分析識(shí)別測量出云底高。通過主機(jī)箱外型的確定，設(shè)備防水密封方法的確立，光學(xué)玻璃的安裝，并考慮到主機(jī)箱對固定式和旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)形式的兼顧性，完成了機(jī)場激光測云雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)備既提高了氣象觀測的工作效率，也方便人員的使用和維護(hù)。

機(jī)場激光測云雷達(dá)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；光學(xué)模塊；光學(xué)玻璃；主機(jī)箱

激光測云底高是我國在氣象探測技術(shù)方面的新技術(shù)，可以在野外無人值守的狀態(tài)下連續(xù)工作，24h不間斷地提供云底高度數(shù)據(jù)，既能保證人眼安全，又有較強(qiáng)的探測力。傳統(tǒng)的云底高測量方法是靠人工放氣球、云霧燈等手段獲得具體數(shù)值，而激光測云雷達(dá)具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，不僅降低了工作強(qiáng)度，還提高了工作效率。在查閱了各方面的技術(shù)資料后，對國外相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)解剖，充分了解了激光測云的特性。在此基礎(chǔ)上從結(jié)構(gòu)、硬件、軟件等多方面進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。

1 設(shè)備組成及主要功能

機(jī)場激光測云雷達(dá)主要由兩大部分組成：室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備。

室內(nèi)設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理、軟件設(shè)計(jì))、UPS電源(保證電源供應(yīng)、穩(wěn)定的電壓)、調(diào)制解調(diào)器(數(shù)據(jù)接收)等3部分組成。以上設(shè)備都由專業(yè)的生產(chǎn)廠家提供，為成熟的配套產(chǎn)品，通過外購解決。

室外設(shè)備有兩種使用方式，所以采用兩種結(jié)構(gòu)形式：(1)固定式，只檢測固定位置、固定方向的云底高，由主機(jī)箱和立柱體組成。(2)旋轉(zhuǎn)式，可以檢測不同方向、不同位置的云底高，由主機(jī)箱和調(diào)角機(jī)構(gòu)(可俯仰調(diào)角和水平360°旋轉(zhuǎn))組成。

室外設(shè)備的硬件主要由光學(xué)模塊(包括激光發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、接收放大電路、光學(xué)窗口污染監(jiān)測電路,可以實(shí)時(shí)采集設(shè)備上空的云底高度，最高7 000m，最多可以測量4層云底高)、調(diào)制解調(diào)器板(數(shù)據(jù)發(fā)送)、控制主板(數(shù)據(jù)采集/處理)、攝像頭(旋轉(zhuǎn)式)和電源模塊等組成。室外設(shè)備的結(jié)構(gòu)件主要有主機(jī)箱(旋轉(zhuǎn)式加攝像頭罩)、立柱體(固定式)、調(diào)角機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)式)等。

2 主機(jī)箱的設(shè)計(jì)

2.1防水密封

機(jī)場激光測云雷達(dá)的主要部分在露天使用，決定了激光發(fā)射和接收部分、前臺(tái)處理部分都將面臨防水密封問題。因?yàn)榧す獍l(fā)射要透過光學(xué)玻璃鏡片，所以機(jī)箱要求既不能滲水也不能透氣。因?yàn)闈駳膺M(jìn)入機(jī)箱，在陽光照射下，將在光學(xué)玻璃上結(jié)露，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，即使少量結(jié)露也會(huì)影響到設(shè)備測量的準(zhǔn)確性。以上原因決定了激光測云雷達(dá)主機(jī)箱的密封性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

綜合考慮各種因素，選用鋁板焊接成型的方法制造箱體。箱蓋增加導(dǎo)流防水槽，箱體、箱蓋同時(shí)加工凹槽，裝雙層密封條，箱體加工導(dǎo)流緩沖槽。由于主機(jī)箱箱體上部成70°斜面的原因，造成淋雨時(shí)局部水流對機(jī)箱密封條的大力沖擊，長時(shí)間大暴雨的話會(huì)有細(xì)小滲透，而設(shè)置緩沖槽能有效減小水流，減輕水流對密封條的沖擊。密封條用邵氏硬度為18HA～20HA的發(fā)泡硅膠定制加工制造，以保證密封條的變型量，很好地解決了防水密封問題。

箱蓋采用兩把德國生產(chǎn)的不銹鋼方型鎖鎖緊，密封符合IP65和NEMA4標(biāo)準(zhǔn)，能適應(yīng)苛刻的環(huán)境。

光學(xué)玻璃鏡片和主機(jī)箱的粘接使用中藍(lán)晨光化工研究院國家有機(jī)硅研究中心生產(chǎn)的中性單組份室溫硫化半透明硅橡膠GD-433。

樣機(jī)在野外試驗(yàn)的過程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少問題，通過不斷設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終通過了淋雨試驗(yàn)(大橋機(jī)器廠淋雨試驗(yàn)室淋雨1h)。

2.2外型

因?yàn)橹鳈C(jī)箱要解決太陽照射對激光器的直射問題，光學(xué)玻璃的安裝平面為70°斜面，采用厚度為8mm、口徑130mm的2塊K9光學(xué)玻璃分別作為發(fā)射和接收系統(tǒng)的窗口，其光學(xué)性能可以保證激光發(fā)射和接收系統(tǒng)的質(zhì)量，并具有85%以上的光譜透過率。激光探測發(fā)射和接收系統(tǒng)孔徑分離，有效孔徑102mm。

為保證光學(xué)玻璃的清潔和冬天除霜，在主機(jī)箱的背面加裝了風(fēng)扇和加熱器，將吹風(fēng)口的位置設(shè)置在主機(jī)箱的上方，使風(fēng)扇盒、加熱器和主機(jī)箱融為一體，整體協(xié)調(diào)，維修方便。

攝像頭(旋轉(zhuǎn)式)安裝于主機(jī)箱右側(cè)面，既使攝像頭和光學(xué)模塊互不干擾，又保證了攝像頭所拍攝到的畫面為光學(xué)模塊發(fā)射探測到的云。通過機(jī)箱內(nèi)部走線解決了數(shù)據(jù)傳輸及信號(hào)線會(huì)影響防水效果的問題，保證了攝像頭罩的密封。

主機(jī)箱通過正面開啟，維護(hù)修理設(shè)備。而安裝時(shí)，則在主機(jī)箱的背面進(jìn)行操作，使得主機(jī)箱可以安裝固定于立柱體(固定式)或調(diào)角機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)式)上。這樣的處理方式，使得在維護(hù)修理時(shí)，不需要拆裝設(shè)備，方便了日常的使用和維護(hù)。

在設(shè)計(jì)室外設(shè)備其余結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備野外使用的環(huán)境要求，重點(diǎn)解決防腐蝕的問題，使設(shè)備在長期的野外使用中能保持良好的使用性能并達(dá)到裝備年限。所有緊固件均采用不銹鋼材料制作，可增強(qiáng)設(shè)備的抗腐蝕性。

3 立柱體(固定式)和調(diào)角機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)式)的設(shè)計(jì)

3.1立柱體(固定式)

立柱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是解決主機(jī)箱和立柱體的連接問題，同時(shí)又能兼顧旋轉(zhuǎn)式的連接方式。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于保證主機(jī)箱日常使用時(shí)相對固定不動(dòng)地垂直指向天空，而在維護(hù)檢測時(shí)能根據(jù)需要平行指向硬目標(biāo)(實(shí)物)進(jìn)行校準(zhǔn)。此問題相對比較好解決，只需通過質(zhì)量計(jì)算找到主機(jī)箱的重心。將主機(jī)箱和立柱體與調(diào)角機(jī)構(gòu)的連接件，設(shè)置于主機(jī)箱的重心點(diǎn)，有利于旋轉(zhuǎn)式主機(jī)箱的轉(zhuǎn)動(dòng)。主機(jī)箱和立柱體之間采用主軸連接，使得主機(jī)箱可以安裝在立柱體(固定式)上，在去掉少量連接件后，主機(jī)箱就能裝入調(diào)角機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)式)。如此既能做到主機(jī)箱結(jié)構(gòu)的相對固定，同時(shí)又有很好的互換性，不至因?yàn)槭褂梅绞降牟煌?，而需改變主機(jī)箱的結(jié)構(gòu)。

3.2調(diào)角機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)式)

調(diào)角機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)由俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)和方位轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮兩部分的結(jié)合及轉(zhuǎn)動(dòng)精度。現(xiàn)有的各種雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方式相對比較成熟，可以借鑒引用，能夠滿足激光測云雷達(dá)對不同方向、不同位置的轉(zhuǎn)動(dòng)要求。

經(jīng)過各方的共同努力，完成了機(jī)場激光測云雷達(dá)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造，并按GJB 150A軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法，主要進(jìn)行了淋雨及鹽霧等環(huán)境試驗(yàn)，通過了使用方組織的設(shè)計(jì)定型。機(jī)場激光測云雷達(dá)的使用提高了氣象觀測員的工作效率，減輕了工作強(qiáng)度。該雷達(dá)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

ConstructionDesignofLaserRadarforHeightMeasuringofCloudAdoptedbyAirport

ZHAO Bin

(Jiangsu Radio Factory Co., Ltd.，Jiangsu Nanjing, 210022, China)

For the sake of safety, laser radar for height measuring of cloud provides 24 hours of measuring service. It proposes the construction design of laser radar for height measuring of cloud adopted by airport. This radar transmitts and receives the laser echo, analyzes and measures the height of cloud. This construction design includes the shape of the host box, the solutions for waterproof, optical glass installation, the host box both suitable for fixed and rotary. This not only improves the meteorological observation work efficiency, but also facilitates for use and maintenance.

Laser Radar for Height Measuring of Cloud Adopted by Airport; Construction Design; Optical Module; Optical Glass; the Host Box

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.020

2014-08-13

趙斌(1960—)，男，黑龍江牡丹江人，江蘇無線電廠有限公司工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TH765

B

2095-509X(2014)09-0083-02