地面相控陣?yán)走_(dá)天線陣面精度保證技術(shù)綜述與展望

李 敏

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

地面相控陣?yán)走_(dá)具備反應(yīng)時間短、波束控制靈活、多目標(biāo)處理等特點,已成為國防領(lǐng)域中不可或缺的核心裝備之一[1];其天線陣面由若干陣元構(gòu)成,陣元的安裝位置固定,是一個涵蓋了電磁場、熱力學(xué)、機械設(shè)計等多種學(xué)科的復(fù)雜機械電子系統(tǒng)[2];該系統(tǒng)通常在復(fù)雜、多變的環(huán)境下工作,天線陣面的設(shè)計、加工、裝配、測量、使用過程中的自重、振動、風(fēng)載、溫度等全生命周期各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差均會引起輻射信號的相位誤差,進而影響雷達(dá)天線波瓣增益、波束指向精度等關(guān)鍵技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)[3]。因此,控制和保證天線陣面的設(shè)計精度和平面度已成為關(guān)鍵技術(shù)之一,其水平直接決定雷達(dá)系統(tǒng)性能和可靠性。

針對該問題,國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究,文獻(xiàn)數(shù)量眾多,為提升雷達(dá)系統(tǒng)性能起到了推進作用,但大部分偏重于研究單一環(huán)節(jié)的精度最優(yōu)和性能保證,本文將著力于地面相控陣?yán)走_(dá)裝備研制和使用環(huán)節(jié)的全生命周期,聚焦陣面精度保證技術(shù),重點對天線陣面設(shè)計仿真、制造過程精度實現(xiàn)、靜態(tài)精度測量調(diào)整、以及動態(tài)精度檢測補償?shù)热鞒痰暮诵年P(guān)鍵技術(shù)進行綜述和分析,為該技術(shù)的深層次推廣和工程應(yīng)用提供解決方案和有益借鑒。

1 設(shè)計仿真評估

1.1 陣面總體設(shè)計

根據(jù)地面相控陣?yán)走_(dá)裝備裝載方式和陣面總體設(shè)計情況,主要分為固定式、機動式、及便攜式等類型,具體分類如圖1所示,本文不討論便攜式類型。

圖1 地面相控陣裝備基于裝載方式分類

固定式裝備分為完全固定式和方位(或)俯仰可動式。完全固定式裝備的天線陣面總體布局一般以設(shè)備大樓或天線樓等載體為依托,天線陣面安裝在載體的斜面上,電子設(shè)備安裝在載體內(nèi)部。方位(或)俯仰可動式裝備的天線陣面和陣面設(shè)備一般安裝在高精度鋼構(gòu)天線骨架上,電子設(shè)備安裝在骨架內(nèi)部,天線骨架則安裝于方位(或)俯仰可調(diào)的天線座上。典型的完全固定式裝備如國內(nèi)某大型固定式裝備[4]基于鋼構(gòu)骨架,陣面口徑超過1000m2;俄羅斯的沃羅涅日-M(增強型)雷達(dá)基于米波段的相掃體制,完全固定式陣面口徑約1800m2。典型的方位(或)俯仰可動式裝備如美國的GBR-P、XBR等裝備,采用X頻段,相掃和機掃相結(jié)合,陣面口徑約120m2。在陣面總體設(shè)計時,為滿足系統(tǒng)架構(gòu)和結(jié)構(gòu)布局、尺寸精度、環(huán)境適應(yīng)性、維修性、包裝、運輸、吊裝等需求,需將天線陣面合理分塊形成子陣,簡化和規(guī)范子陣外部電訊和結(jié)構(gòu)接口形式,每個子陣都具備完整的結(jié)構(gòu)和電訊性能,可獨立工作,作為陣面可更換基本單元。

機動式裝備分為單車機動式和多車機動式。在機動運輸、部署能力和戰(zhàn)場生存能力等需求下,其天線陣面的結(jié)構(gòu)布局和工藝實現(xiàn)是關(guān)鍵工程技術(shù)之一。特別是針對大口徑車載天線陣面的機動運輸問題,通常采用天線俯仰實現(xiàn)工作狀態(tài)和運輸狀態(tài)間的快速轉(zhuǎn)換,以解決運輸界限中的限高問題;采用天線陣面折疊實現(xiàn)天線陣面展開和收攏,以解決運輸界限中的限寬問題。因此,機動式裝備的研究覆蓋了單車單陣面、單車多陣面,到兩車集成、多車自動對接等熱門方向。文獻(xiàn)[5]選擇單車單陣面形式,采用整體框架式骨架,天線陣面尺寸為6.4m(方位)×2.48m(俯仰)。文獻(xiàn)[6]與整體框架式不一樣,其單陣面由7節(jié)塔天線背架和21根離散的行線源組成,工作時天線陣面口徑15m×13m,運輸時則通過收攏機構(gòu)把展開高度達(dá)13m的天線陣面沿高度方向收攏到3m,滿足運輸限寬要求。文獻(xiàn)[7]研究單車雙陣面形式,陣面由30路裂縫線源組成,每根線源長度6m,由上、下骨架組成。某三坐標(biāo)雷達(dá)天線陣面折展機構(gòu)由三個部分組成[8],兩翼通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈與中間單元鉸接,運輸時兩翼通過鉸鏈與中間單元折疊,通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置鉸鏈尺寸位置使陣面之間存在適當(dāng)?shù)拈g隙,避免損壞陣面。在多車多陣面對接方向,文獻(xiàn)[9]提出了陣面主塊安裝于轉(zhuǎn)臺且由天線車運輸,邊塊另外采用天線運輸車輛進行運輸?shù)姆桨?同時采用楔形曲面定位連接技術(shù)實現(xiàn)天線主塊與邊塊及邊塊與邊塊之間的快速拼裝。為了進一步提高大口徑天線的機動性,針對多車的天線快速自動對接,突破了數(shù)字化自動測量、伺服控制、天線位姿自動調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)固定天線與移動天線的對接精度控制在0.5mm以內(nèi)[10-11]。多車多陣面分布形式的結(jié)構(gòu)或組成形式較靈活,其結(jié)構(gòu)及相參的信號處理方式是該體制的突出特點,可大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和戰(zhàn)場生存力[12]。

1.2 陣面設(shè)計仿真

現(xiàn)實工程中,天線陣面存在著位移場、溫度場、電磁場等多種物理場的作用,這些工況相互耦合,將導(dǎo)致陣面上天線單元的位置發(fā)生偏移或偏轉(zhuǎn),從而影響天線性能。很多學(xué)者應(yīng)用力學(xué)、熱學(xué)、電磁等設(shè)計仿真技術(shù),通過建立虛擬模型來分析內(nèi)在規(guī)律和驗證各種工況,在重量、厚度、溫度、風(fēng)載等參數(shù)約束下,為天線陣面的工程設(shè)計和拓?fù)鋬?yōu)化提供了可靠的依據(jù),兼顧陣面可設(shè)計和可制造性,極大的降低了工程研制的風(fēng)險。文獻(xiàn)[13]針對某單車雙陣面結(jié)構(gòu),通過力學(xué)仿真在最惡劣工況下(自重、正面32.6m/s風(fēng)載荷、低溫-40℃、高溫+50℃)的最大載荷變形量為6.5mm(設(shè)計指標(biāo)為7mm),且天線結(jié)構(gòu)剛強度滿足設(shè)計要求。文獻(xiàn)[14]針對陣面結(jié)構(gòu)誤差建立了結(jié)構(gòu)與電磁耦合模型,仿真計算得到,陣面結(jié)構(gòu)誤差對天線增益的影響與天線陣面大小無明顯關(guān)系;λ/20為滿足天線電性能時的結(jié)構(gòu)誤差臨界值(按增益損失<0.5dB);天線增益指標(biāo)受陣面平面度影響很明顯,陣元安裝精度影響相對較小。文獻(xiàn)[15]建立了考慮安裝誤差下的相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)-電磁耦合模型,討論了安裝誤差、平面度、型面扭曲對相控陣?yán)走_(dá)的性能影響,安裝誤差與陣面平面度主要對旁瓣電平造成影響,而型面扭曲主要影響雷達(dá)增益,此外隨著陣元數(shù)量的增加,型面扭曲所帶來的影響逐漸減弱。文獻(xiàn)[16]分析了波導(dǎo)縫隙相陣天線陣面的平面度誤差的影響因素,指出了天線性能與誤差的均方根值有關(guān),而并不決定于個別點的誤差最大值,即均方根誤差指標(biāo)比各個點處對應(yīng)的變形量誤差更加重要。文獻(xiàn)[17]建立了天線陣機電熱耦合有限元模型,構(gòu)建了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計算調(diào)整機構(gòu)最優(yōu)調(diào)整量,并使調(diào)整量公差最大化,達(dá)到改善天線陣電性能、減輕加工安裝難度、降低制造成本的目的。

2 過程精度實現(xiàn)

目前,天線陣面的陣面精度過程實現(xiàn)方法主要有精密加工法、裝配調(diào)整法和電子補償法等三大類。

在精密加工方面,天線骨架作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件,一般采用“金屬板材折彎→焊接或鉚接→去應(yīng)力→整體精密加工→表面處理”的工藝路線來實現(xiàn)[18-19],大型承力結(jié)構(gòu)件采用熱處理等方法充分去除內(nèi)應(yīng)力后,通過精密加工技術(shù)來保證所有裝配面和裝配接口的尺寸精度和位置精度要求。

在裝配調(diào)整方面,針對大型固定式裝備,主要有過渡骨架結(jié)構(gòu)形式和調(diào)整機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式[20],前者對載體的建設(shè)要求不高,但對過渡骨架的要求高,需保證制造和復(fù)裝的精度,后續(xù)只能通過局部墊片調(diào)整的方式精調(diào)陣面精度;后者對載體的建設(shè)要求相對較高,但裝配和調(diào)整難度降低,且調(diào)整靈活,適用于非平面陣面。針對機動式裝備,某單車雙陣面結(jié)構(gòu),通過調(diào)整固定在天線框架上的螺柱高度優(yōu)化天線陣面平面度[13]。多陣面結(jié)構(gòu)的平面度在調(diào)整到位后,一般采用配做銷孔、焊接固定等方式來保證多陣面的重復(fù)定位精度。文獻(xiàn)[17]給出了一種基于制造測量誤差的陣面精度補償方法,工作前利用調(diào)整機構(gòu)使天線陣面產(chǎn)生預(yù)變形,通過反變形補償使天線陣面正常工作時變形引起的增益損失最小化。

在電子補償方面,在裝配等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形基礎(chǔ)上,獲取陣面的變形量,通過調(diào)整天線單元激勵電流的幅值相位來補償天線陣電參數(shù)。文獻(xiàn)[21]通過一種補償陣列天線電流激勵幅值的方法,改善了單元位置誤差引起的電性能惡化問題。文獻(xiàn)[22]則對天線陣相位進行校正來改善天線的波瓣圖。

3 靜態(tài)精度測量

在過程精度實現(xiàn)過程中,需要采用靜態(tài)、離線精度測量方法進行不同姿態(tài)天線陣面精度檢測,指導(dǎo)陣面精度優(yōu)化調(diào)整。目前,天線陣面的平面度測量技術(shù)主要有經(jīng)緯儀、全站儀、工業(yè)攝影測量等方法。

經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)是一種實時、非接觸、移動式的大尺寸測量系統(tǒng),在幾米至幾十米測量范圍內(nèi)的測量精度可達(dá)±(0.02～0.1)mm,但由于其單點測量效率低(1min采集1～2個點)、設(shè)站復(fù)雜以及對操作人員要求高的特點,在相控陣?yán)走_(dá)天線陣面測量中有少量應(yīng)用[23]。

全站儀在天線裝調(diào)過程中應(yīng)用廣泛,全站儀采用紅外測距,將測距儀小型化并集成在經(jīng)緯儀系統(tǒng)中,就能同時測量角度和距離,快速測量目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。在200m的范圍內(nèi),測量精度為±(0.2～1.0)mm。針對大型固定式天線陣面,為了實現(xiàn)子陣面姿態(tài)的精確調(diào)控,解決陣面天線面型檢測、重構(gòu)以及調(diào)整的難題,文獻(xiàn)[24]提出了基于模式重構(gòu)方法,通過建立子陣面斜率與調(diào)整機構(gòu)調(diào)整參數(shù)之間數(shù)學(xué)解析關(guān)系的方式來解決該問題;文獻(xiàn)[25]借助平面重構(gòu)技術(shù),以理想中心平面為基準(zhǔn),借助全站儀球坐標(biāo)測量原理對陣面輪廓要素進行提取,擬合實建平面輪廓,調(diào)整后陣面精度均方根由2.5mm提升至0.66mm。

工業(yè)攝影測量是一種瞬間可獲取被測目標(biāo)大量幾何信息的高精度、非接觸測量方法,典型精度是±10-5×D(D為測量范圍,達(dá)數(shù)百米,10m范圍內(nèi)測量精度達(dá)0.08mm)[26],特別適合測量點眾多的目標(biāo),測量現(xiàn)場工作量相對較少,目前已廣泛應(yīng)用于天線陣面精度測量。文獻(xiàn)[23]采用該方法測量7m×7m陣面,3100個點,均方根結(jié)果為0.375mm。當(dāng)大型天線陣面需要在不同俯仰角下測量,經(jīng)緯儀和全站儀均會存在架設(shè)困難、測量點可視性差等問題[27],攝影測量則是非常合適的方法。

4 動態(tài)監(jiān)測補償

針對具有高面型精度要求的天線陣面,在裝備交付后的服役環(huán)境下,如能準(zhǔn)確監(jiān)測陣面變形信息、實時修正補償誤差,可有效保證雷達(dá)性能的穩(wěn)定輸出。

動態(tài)監(jiān)測技術(shù),目前主要有光學(xué)成像法和基于應(yīng)變信息測量法兩大類。光學(xué)成像法有投影云紋干涉法、立體模式識別法等,其中,投影云紋干涉法通過測量被測結(jié)構(gòu)表面特定角度的投影條紋或干涉條紋獲得結(jié)構(gòu)的形變信息,立體模式識別法則通過對被測結(jié)構(gòu)表面的標(biāo)記點進行三維跟蹤來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)[28];目前工業(yè)光學(xué)成像法對戶外裝備的實用性不高?；趹?yīng)變信息測量法采用傳感器布局方式[29-30]進行天線陣面形變的實時測量,然后結(jié)合傳感器反饋數(shù)據(jù)和天線陣面應(yīng)變模型,實現(xiàn)天線陣面變形場的實時求解,具有數(shù)據(jù)獲取相對容易、測量過程不受構(gòu)件尺寸限制以及實時性好等優(yōu)點。文獻(xiàn)[31]通過在天線陣面敏感層中嵌入光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器實時測得應(yīng)變信息,采用模態(tài)疊加算法求解天線的變形量。文獻(xiàn)[32]在獲得應(yīng)變信息后,采用逆向有限元法和分塊擬合的策略,實現(xiàn)了天線陣面變形場的解算。文獻(xiàn)[33]按照一定規(guī)律布置陣面加速度傳感器,通過對加速度信號的二次積分得到了陣面相應(yīng)位置處的振動變形量,提供了一種在動態(tài)工況下雷達(dá)陣面變形量監(jiān)測的解決思路。

誤差補償技術(shù),按照作用原理的不同分為兩大類:一類是基于電磁原理的電補償技術(shù),基本原理是根據(jù)天線陣面的變形量,推算激勵電流相位和幅值修正量[31,34-35],按照調(diào)整目標(biāo)不同可分為相位補償法和幅相補償法;其中,相位補償法是根據(jù)輻射單元位姿變化量反算單元激勵電流相位的修正量,可實現(xiàn)天線最大輻射方向上的性能補償,但對副瓣補償效果不明顯[31];幅相補償法是根據(jù)單元位姿的變化反推激勵電流幅值和相位的修正量,可以兼顧主瓣和副瓣補償[34-35]。另一類是基于主動控制的結(jié)構(gòu)補償技術(shù),原理是利用補償機構(gòu)(如作動器等執(zhí)行機構(gòu))調(diào)整天線陣面形態(tài)或抑制陣面振動,達(dá)到間接補償天線電性能的目的[36-37];美國GBT 110m×100m口徑天線將整個陣面分割為兩千多個小陣面,采用2209個作動器實現(xiàn)大仰角下的陣面保型[38];文獻(xiàn)[39]研究的高頻天線陣面精度的設(shè)計指標(biāo)優(yōu)于1mm,若按照硬連接模式將無法實現(xiàn),引入了高精度調(diào)整機構(gòu)后,兼顧各誤差環(huán)節(jié),實現(xiàn)了天線陣面多工況下的設(shè)計精度要求,實時調(diào)整。此外,針對天線陣面大幅度的動態(tài)變形問題,文獻(xiàn)[40]將相位補償法和結(jié)構(gòu)補償法相結(jié)合,提出了一種調(diào)整陣面動態(tài)變形的形性混合補償法,利用結(jié)構(gòu)補償改善陣面精度,進一步利用電補償修正天線電性能。

5 結(jié)束語

地面相控陣?yán)走_(dá)天線陣面精度保證是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程技術(shù),涉及到微波、機械、制造、測量、控制、計算機等多個專業(yè)學(xué)科[41]。本文按照裝備生命周期維度,針對天線陣面總體設(shè)計、工藝制造、精度檢測、服役監(jiān)測等各階段的精度保證關(guān)鍵技術(shù)進行了綜述,從上述分析可看到,該技術(shù)未來發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下四方面。

1)為匹配作戰(zhàn)需求的變化,地面裝備天線陣面正朝著口徑極大化和面型高精度發(fā)展。固定式裝備的陣面口徑達(dá)數(shù)千平方米,機動式裝備從單車單陣面逐步發(fā)展到多車多陣面協(xié)同,機動性要求需要越高;高頻天線對陣面精度要求高,傳統(tǒng)的多層結(jié)構(gòu)硬連接模式已無法滿足設(shè)計精度需求,動態(tài)調(diào)整和補償是趨勢。

2)為保證天線電性能的穩(wěn)定性,陣面精度保證設(shè)計需面向裝備的全生命周期。特別是針對面型高精度需求,精度保證方法從前端的設(shè)計仿真驗證,過程技術(shù)保證,到交付后的動態(tài)調(diào)整技術(shù)應(yīng)用,需全過程設(shè)計與控制,如圖2所示。

圖2 地面相控陣裝備陣面精度保證面向全壽命周期

3)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下,更深入的采用電訊/結(jié)構(gòu)等仿真手段協(xié)同天線陣面高質(zhì)高效設(shè)計是發(fā)展趨勢。借助于數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù),陣面機電熱多場耦合模型準(zhǔn)確建模、仿真計算算法效能提升等是未來研究的方向。

4)面向復(fù)雜的服役環(huán)境,天線陣面變形動態(tài)監(jiān)測補償技術(shù)是裝備服役后精度保證的關(guān)鍵。特別是針對大口徑、輕薄、高精度天線等的應(yīng)用需求,結(jié)構(gòu)補償法與電補償法有機結(jié)合應(yīng)用是必然,傳感器、變形場、執(zhí)行機構(gòu)、補償量等環(huán)節(jié)還存在眾多基礎(chǔ)技術(shù)需要研究和突破。這也是未來雷達(dá)智慧感知的內(nèi)生要求。

最后,本文圍繞地面相控陣?yán)走_(dá)天線陣面精度保證技術(shù)主題進行了綜述,分析了天線陣面設(shè)計仿真、制造過程精度實現(xiàn)、靜態(tài)精度測量調(diào)整、以及動態(tài)精度檢測補償?shù)热鞒痰暮诵年P(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀,展望了該技術(shù)未來發(fā)展方向,為系統(tǒng)方案的全局設(shè)計和實現(xiàn)落地提供了新的思路和有益參考。