某車載雷達結構總體設計

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(安徽四創電子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

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

出于現代戰爭發展的需要，風廓線雷達作為伴隨保障氣象裝備，其實戰機動性能要求隨之也越來越高。為此，在充分借鑒、繼承現有機動雷達技術的基礎上，基于“工業化”設計、“商品化”設計的理念，研制了一種新型高集成、高機動車載風廓線雷達。該雷達具有系統單車集成、高精度輕質化天線陣面、全液壓自動架設系統，以及多種運輸方式兼容等優點。

1 設計要求

設計了機動式對流層風廓線雷達，其由相控陣天線陣面、T/R組件、數據處理設備、終端設備、底盤車，以及輔助設備等組成。

設計要求如下所述。

天線陣面：3.5 m×3.5 m(長×寬)。

天線重量：1.6 t。

風速：八級風以下能正常工作，十級風不會導致永久變形或破壞(生存)。

雷達車架設/撤收時間：≤30 min/2人。

所有設備安裝于1輛越野載車上；公路、鐵路等多種運輸方式兼容。

2 結構總體設計

2.1 系統組成

為了提高雷達機動性，需對雷達系統各單元進行小型化、集成化設計，縮減運輸單元數量。針對該雷達單車集成設計的要求，應用一體化設計理念，將雷達天線、電子設備方艙、電子機柜、自動架設系統(伺服控制系統、調平系統和天線折疊機構)、電站單元、底盤車和工作平臺等設備布置于1個運輸單元。雷達結構單元系統組成如圖1所示。

圖1 雷達單元系統組成

2.2 總體布局設計

總體布局設計不是樂高式積木形的拼接，而是規劃各種邊界條件(運輸要求、系統組成和外形包絡等)自頂向下的系統設計，這是決定車載雷達的結構方案成敗的關鍵[2]。

機動式風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，給結構設計帶來了嚴峻的挑戰。為此在總體布局方案中，應用一體化的理念進行設計。一是將天線陣面分塊，折疊運輸設計[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部；工作時，通過天線展開機構將折疊天線從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計為快鎖機構(蘑菇頭式鎖緊)，調平撐腿通過支臂與底盤車大梁直接相連。當需要鐵路運輸時，撐腿收回，松開快鎖機構，平臺及其以上的設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。結構總體布局及工作/運輸狀態分別如圖2和圖3所示。

該雷達結構總體布局具有如下特點：

a.工作平臺上集成了雷達系統各單元設備，布局緊湊，雷達車集成度高。

圖2 結構總體布局

圖3 雷達車工作/運輸狀態

b.液壓伺服控制系統邏輯控制撐腿調平和天線展/收，雷達車實現自動架設且高機動，系統安全可靠。

c.電子設備方艙分區設計，即分為電子設備區和操作人員工作區，人機工程優越。

d.雷達天線折疊設計后，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 關鍵技術

3.1 高精度輕質化天線陣面

天線陣面是雷達的核心部分，陣面系統結構的作用是保證相控陣天線電性能的實現，也是整個雷達結構中最復雜的部分。在天線系統的結構設計過程中，全面貫徹了“商品化”設計理念，在滿足功能需求的基礎上，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，輻射單元和功分網絡集成一體化設計，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構件，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計，需要進行輕質化設計。

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

圖4 天線骨架結構組成示意

圖5 天線拼接結構示意

將雷達天線骨架進行分層設計，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。既能輕質化又能降低成本，適合批量生產。

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動天線展開與折疊動作，展開到位后通過接近開關和限位塊分別實現電限位(當天線陣面某一狀態到位時，相應的接近開關被點亮)和機械限位，來保證拼接精度。同時展開油缸內部機械自鎖，確保陣面拼接后的精度能長時間保持。

3.2 自動架設系統

架設系統中的調平撐腿和折疊機構在雷達系統起到了承上啟下的作用，不僅承擔了雷達天線的架撤任務，還是雷達車穩定性的可靠保證[5]。

考慮執行元件的尺寸和重量，自動架設系統采用了1套全液壓伺服控制系統。架設流程如圖6所示。

圖6 架設流程

自動架設時，系統加電后，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，實現雷達車的自動調平和天線展收。伺服控制系統采用基于雙軸水平傳感器、接近開關和比例放大模塊等多種檢測元件反饋的PLC控制技術，操作人員可通過人機界面實現雷達車“一鍵式”架設與撤收；同時架撤過程中各動作執行軟件互聯互鎖，提高了系統控制精度與安全性。

為提高系統安全性和可靠性，液壓系統預設了2種應急操作模式。即液壓泵站或者伺服控制系統出現故障時，可通過手動泵或者電磁換向閥上的手動操作手柄，手動實現雷達車調平撐腿的伸縮和天線展收。

4 仿真分析

風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。其數值按如下方式確定[6]：

F風=CxqA

(1)

Cx為風力系數；F風為風載荷；A為結構迎風面積；q為動壓頭，q=v2/16，v為風速。

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

有限元分析結果如圖7所示，最大等效應力為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。從仿真結果可以看出，折疊機構和天線骨架滿足安全使用要求。

圖7 仿真結果

5 結束語

結合某型機動式對流層風廓線雷達的研制，從指標要求、結構總體設計、關鍵技術和力學仿真分析等方面進行了闡述，對總體布局設計、高精度天線陣面和自動架設系統做了較為詳細的設計分析，實現了雷達的結構設計指標要求。雷達整機工程實施并試用表明，系統穩定可靠，其綜合指標滿足總體設計要求，對類似雷達的研制工作具有一定的參考意義。