某車載雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

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(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

風(fēng)廓線雷達是獲取高空風(fēng)和低空急流活動特征，探測湍流、大氣穩(wěn)定度、中尺度大氣，并能夠提供高時空密度氣象信息的探測設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、水文水利、大氣監(jiān)測和軍事氣象等方面，有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

出于現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)展的需要，風(fēng)廓線雷達作為伴隨保障氣象裝備，其實戰(zhàn)機動性能要求隨之也越來越高。為此，在充分借鑒、繼承現(xiàn)有機動雷達技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于“工業(yè)化”設(shè)計、“商品化”設(shè)計的理念，研制了一種新型高集成、高機動車載風(fēng)廓線雷達。該雷達具有系統(tǒng)單車集成、高精度輕質(zhì)化天線陣面、全液壓自動架設(shè)系統(tǒng)，以及多種運輸方式兼容等優(yōu)點。

1 設(shè)計要求

設(shè)計了機動式對流層風(fēng)廓線雷達，其由相控陣天線陣面、T/R組件、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、終端設(shè)備、底盤車，以及輔助設(shè)備等組成。

設(shè)計要求如下所述。

天線陣面：3.5 m×3.5 m(長×寬)。

天線重量：1.6 t。

風(fēng)速：八級風(fēng)以下能正常工作，十級風(fēng)不會導(dǎo)致永久變形或破壞(生存)。

雷達車架設(shè)/撤收時間：≤30 min/2人。

所有設(shè)備安裝于1輛越野載車上；公路、鐵路等多種運輸方式兼容。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

為了提高雷達機動性，需對雷達系統(tǒng)各單元進行小型化、集成化設(shè)計，縮減運輸單元數(shù)量。針對該雷達單車集成設(shè)計的要求，應(yīng)用一體化設(shè)計理念，將雷達天線、電子設(shè)備方艙、電子機柜、自動架設(shè)系統(tǒng)(伺服控制系統(tǒng)、調(diào)平系統(tǒng)和天線折疊機構(gòu))、電站單元、底盤車和工作平臺等設(shè)備布置于1個運輸單元。雷達結(jié)構(gòu)單元系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 雷達單元系統(tǒng)組成

2.2 總體布局設(shè)計

總體布局設(shè)計不是樂高式積木形的拼接，而是規(guī)劃各種邊界條件(運輸要求、系統(tǒng)組成和外形包絡(luò)等)自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計，這是決定車載雷達的結(jié)構(gòu)方案成敗的關(guān)鍵[2]。

機動式風(fēng)廓線雷達對機動性和運輸兼容性均有較高的要求，但二者又互相制約，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。為此在總體布局方案中，應(yīng)用一體化的理念進行設(shè)計。一是將天線陣面分塊，折疊運輸設(shè)計[3]。即天線沿寬度方向等分為2塊，運輸時，一塊固定于方艙的頂部，另一塊折疊后依附在方艙的側(cè)部；工作時，通過天線展開機構(gòu)將折疊天線從90° (與水平面成90°)展開到0°，并與固定天線拼接成1套完整的相控陣天線。二是雷達車工作平臺與底盤車固定方式設(shè)計為快鎖機構(gòu)(蘑菇頭式鎖緊)，調(diào)平撐腿通過支臂與底盤車大梁直接相連。當(dāng)需要鐵路運輸時，撐腿收回，松開快鎖機構(gòu)，平臺及其以上的設(shè)備可整體快速吊裝分離，置于鐵路運輸平臺，工作平臺和底盤車2個運輸單元都滿足鐵路運輸要求。結(jié)構(gòu)總體布局及工作/運輸狀態(tài)分別如圖2和圖3所示。

該雷達結(jié)構(gòu)總體布局具有如下特點：

a.工作平臺上集成了雷達系統(tǒng)各單元設(shè)備，布局緊湊，雷達車集成度高。

圖2 結(jié)構(gòu)總體布局

圖3 雷達車工作/運輸狀態(tài)

b.液壓伺服控制系統(tǒng)邏輯控制撐腿調(diào)平和天線展/收，雷達車實現(xiàn)自動架設(shè)且高機動，系統(tǒng)安全可靠。

c.電子設(shè)備方艙分區(qū)設(shè)計，即分為電子設(shè)備區(qū)和操作人員工作區(qū)，人機工程優(yōu)越。

d.雷達天線折疊設(shè)計后，雷達車運輸高度 <4 m，滿足公路運輸限界要求；且鐵路運輸時，可快速分離。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高精度輕質(zhì)化天線陣面

天線陣面是雷達的核心部分，陣面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的作用是保證相控陣天線電性能的實現(xiàn)，也是整個雷達結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。在天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，全面貫徹了“商品化”設(shè)計理念，在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低成本[4]。

該雷達天線陣面采用相控陣體制，天線陣面主要由行/列天線單元、反射板、天線骨架和天線罩等組成。其中，天線單元為印制半波陣子天線，輻射單元和功分網(wǎng)絡(luò)集成一體化設(shè)計，由N行×M列組成，行和列天線單元的輻射單元呈90°垂直交叉排列，布置于反射板的正面。

天線骨架作為天線陣面的承力結(jié)構(gòu)件，既需要保證天線單元安裝后的精度要求，同時，為方便天線陣面折疊設(shè)計，需要進行輕質(zhì)化設(shè)計。

為滿足以上需求，提出了天線骨架分層設(shè)計理念和天線高精度拼接設(shè)計方法。天線陣面結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，陣面拼接如圖5所示。

圖4 天線骨架結(jié)構(gòu)組成示意

圖5 天線拼接結(jié)構(gòu)示意

將雷達天線骨架進行分層設(shè)計，即分為鋼骨架層、天線單元安裝層、反射板及天線罩。作為主要承力件，鋼骨架由型鋼和折彎鋼板等焊接而成，通過龍門銑床精加工來保證天線陣列單元線源間距的精度要求；天線單元安裝層采用拉制鋁型材鉚接成型方案，制造成本低，加工變形誤差小，外觀線條流暢。既能輕質(zhì)化又能降低成本，適合批量生產(chǎn)。

為保證固定天線和折疊天線拼接后的精度要求，采用1組液壓展開油缸同步驅(qū)動天線展開與折疊動作，展開到位后通過接近開關(guān)和限位塊分別實現(xiàn)電限位(當(dāng)天線陣面某一狀態(tài)到位時，相應(yīng)的接近開關(guān)被點亮)和機械限位，來保證拼接精度。同時展開油缸內(nèi)部機械自鎖，確保陣面拼接后的精度能長時間保持。

3.2 自動架設(shè)系統(tǒng)

架設(shè)系統(tǒng)中的調(diào)平撐腿和折疊機構(gòu)在雷達系統(tǒng)起到了承上啟下的作用，不僅承擔(dān)了雷達天線的架撤任務(wù)，還是雷達車穩(wěn)定性的可靠保證[5]。

考慮執(zhí)行元件的尺寸和重量，自動架設(shè)系統(tǒng)采用了1套全液壓伺服控制系統(tǒng)。架設(shè)流程如圖6所示。

圖6 架設(shè)流程

自動架設(shè)時，系統(tǒng)加電后，電機啟動，帶動液壓齒輪泵工作，通過電液比例閥、電磁換向閥和溢流閥等高精度控制元件，實現(xiàn)雷達車的自動調(diào)平和天線展收。伺服控制系統(tǒng)采用基于雙軸水平傳感器、接近開關(guān)和比例放大模塊等多種檢測元件反饋的PLC控制技術(shù)，操作人員可通過人機界面實現(xiàn)雷達車“一鍵式”架設(shè)與撤收；同時架撤過程中各動作執(zhí)行軟件互聯(lián)互鎖，提高了系統(tǒng)控制精度與安全性。

為提高系統(tǒng)安全性和可靠性，液壓系統(tǒng)預(yù)設(shè)了2種應(yīng)急操作模式。即液壓泵站或者伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可通過手動泵或者電磁換向閥上的手動操作手柄，手動實現(xiàn)雷達車調(diào)平撐腿的伸縮和天線展收。

4 仿真分析

風(fēng)載荷是雷達工作時主要承受的負載之一，其帶來的天線變形是影響雷達性能指標的重要因素。其數(shù)值按如下方式確定[6]：

F風(fēng)=CxqA

(1)

Cx為風(fēng)力系數(shù)；F風(fēng)為風(fēng)載荷；A為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積；q為動壓頭，q=v2/16，v為風(fēng)速。

折疊天線在展收過程中，與水平面成90°時，迎風(fēng)面積最大。在十級風(fēng)載荷工況下，采用有限元分析軟件ANSYS進行力學(xué)分析，展開油缸采用桿單元，薄鋼板及型材采用殼單元，天線單元質(zhì)量等效為集中均布載荷。

有限元分析結(jié)果如圖7所示，最大等效應(yīng)力為68.8 MPa，位于折疊天線的支耳處，最大變形量為0.4 mm，位于折疊天線的外側(cè)。從仿真結(jié)果可以看出，折疊機構(gòu)和天線骨架滿足安全使用要求。

圖7 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

結(jié)合某型機動式對流層風(fēng)廓線雷達的研制，從指標要求、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)和力學(xué)仿真分析等方面進行了闡述，對總體布局設(shè)計、高精度天線陣面和自動架設(shè)系統(tǒng)做了較為詳細的設(shè)計分析，實現(xiàn)了雷達的結(jié)構(gòu)設(shè)計指標要求。雷達整機工程實施并試用表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其綜合指標滿足總體設(shè)計要求，對類似雷達的研制工作具有一定的參考意義。