數(shù)字孿生在雷達天線陣面裝配中的應用

程五四，陳帝江，張祥祥，李贊澄

數(shù)字孿生在雷達天線陣面裝配中的應用

程五四1,2，陳帝江1,2，張祥祥1,2，李贊澄1,2

（1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.合肥市雷達機電裝備先進設(shè)計工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230088）

針對數(shù)字孿生與雷達天線陣面裝配調(diào)控需求，開展雷達天線陣面數(shù)字化測量場構(gòu)建、天線陣面數(shù)字孿生模型構(gòu)建、機電耦合機理及算法實現(xiàn)、天線陣面變形仿真與電性能仿真預測等研究，搭建測量數(shù)據(jù)庫和數(shù)字孿生模型庫，開發(fā)基于數(shù)字孿生的天線陣面裝配調(diào)控系統(tǒng)。在雷達天線陣面裝配調(diào)控過程中，實現(xiàn)天線陣面精度測量、變形仿真與電性能仿真可視化、天線陣面變形精度以及電性能指標調(diào)控策略，達到對天線陣面裝配精度進行全方位的測量、跟蹤、分析、預測和控制的目的。

雷達天線陣面；數(shù)字孿生；精度測量；變形仿真

雷達天線是雷達實現(xiàn)遠距離高精度探測的核心組件，一般在野外現(xiàn)場環(huán)境下進行裝配交付，制造資源匱乏、裝配周期長，且風載、溫度等工況復雜。隨著天線口徑的增大，在天線裝配過程中的測量調(diào)控方面存在以下難題：

（1）天線陣面精度難以保證，對快速構(gòu)建數(shù)字化測量場的需求迫切，且在測量精度、效率、自動化程度、測量穩(wěn)定性、測量置信度等方面都提出了更高的要求；

（2）傳統(tǒng)測量調(diào)控模式存在“測”與“調(diào)”過程脫節(jié)，缺乏基于測量數(shù)據(jù)的智能化“測”與“調(diào)”快速仿真驗證手段；

（3）陣面精度與電性能指標耦合關(guān)系復雜，缺少對陣面精度與電性能之間耦合規(guī)律以及調(diào)控策略的研究，無法在“機械精度保證”與“電性能調(diào)控”之間快速尋找最優(yōu)解。

實現(xiàn)天線陣面精度指標要求、在裝配過程中保持精度水平、滿足電性能指標，是雷達天線總裝過程中的首要任務和亟需解決的難題。

數(shù)字孿生作為充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學科的技術(shù)，通過創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，在各個領(lǐng)域逐步開展研究，但存在產(chǎn)品生命周期各階段的應用不全面的問題，當前較多集中在產(chǎn)品運維和健康管理等方面，在雷達天線精密測量調(diào)控方面未見相應研究。傳統(tǒng)測量限制了測量的范圍，并存在無法直接測量的指標；數(shù)字孿生借助傳感器實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可推測無法直接測量的指標。結(jié)合數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)和人工智能分析，實現(xiàn)對過去的故障復現(xiàn)、對現(xiàn)在的狀態(tài)評估，及對未來的故障預測與診斷。傳統(tǒng)天線測量調(diào)控模式存在“測”與“調(diào)”過程脫節(jié)，大量的時間耗費在測量數(shù)據(jù)計算處理、調(diào)控策略制定等方面，缺乏基于采集數(shù)據(jù)的自動化、智能化“測”與“調(diào)”快速驗證可視化仿真分析環(huán)境，數(shù)字孿生技術(shù)正好提供了有效的解決途徑，但孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的大型天線測量調(diào)控技術(shù)研究較少，缺少成熟的技術(shù)應用框架和途徑。對于如何獲取陣面變形的特征參量、分析和預測天線精度水平，以及如何實現(xiàn)天線自檢測、自診斷、自校正、自修復，數(shù)字孿生提供了解決問題的有效手段。

綜上，開展雷達天線陣面數(shù)字化測量場構(gòu)建、天線陣面數(shù)字孿生模型構(gòu)建、機電耦合機理及算法實現(xiàn)、天線陣面變形仿真與電性能仿真預測等研究，搭建測量數(shù)據(jù)庫和數(shù)字孿生模型庫，開發(fā)基于數(shù)字孿生的天線陣面裝配調(diào)控系統(tǒng)，為雷達天線的裝配精度測量、變形仿真和電性能仿真預測、調(diào)控策略的制定提供指導，對于提升天線裝配測量調(diào)控能力、縮短裝配測量調(diào)控周期、提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標具有重要意義。

1 所用技術(shù)

1.1 測量場構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字化測量技術(shù)已在建筑、船舶、航空航天等領(lǐng)域開展研究，但大部分研究集中在室內(nèi)外較佳測量環(huán)境下的靜態(tài)裝配精度控制方面，對于以電性能為主要指標的天線裝配精度控制研究不足，尤其對大口徑天線在不同的風載、溫度、酸鹽霧等復雜環(huán)境下，多測量系統(tǒng)組合的測量場構(gòu)建方法研究較少。與其他武器裝備“成品出廠”的交付模式不同，大型雷達最后的制造過程是在現(xiàn)場野外實戰(zhàn)環(huán)境，采用“搭積木”的方式，固定架設(shè)于崇山峻嶺、險灘戈壁中，資源匱乏，制造周期長，且風載、溫度等工況復雜、天線總裝精度難以保證，對數(shù)字化測量要求更高，快速構(gòu)建數(shù)字化測量場的需求迫切。

不同的測量設(shè)備不同數(shù)字化測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準則、數(shù)據(jù)格式等不一樣。以基于模型的統(tǒng)一測量數(shù)據(jù)集表示與互操作為基礎(chǔ)，首先應實現(xiàn)數(shù)字化測量系統(tǒng)測量過程的協(xié)同，主要包括測量系統(tǒng)的建模、仿真與布局優(yōu)化，測量過程規(guī)劃、仿真與優(yōu)化。其次，應實現(xiàn)多測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)融合。多種數(shù)字化測量系統(tǒng)協(xié)同工作時，共同構(gòu)建的數(shù)字化測量場將產(chǎn)生多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，且在不穩(wěn)定狀態(tài)下測量時，易產(chǎn)生壞點、無效的數(shù)據(jù)。需要對這些數(shù)據(jù)進行清洗、處理和精簡[1]。開展測量數(shù)據(jù)采集、裝配精度評估，變形監(jiān)控、形成數(shù)字化測量場構(gòu)建系統(tǒng)功能模塊。針對測量精度要求，開展組合測量方案、全局測量控制網(wǎng)、坐標轉(zhuǎn)換、點云處理、數(shù)據(jù)拼接、測量標定、測量點設(shè)置等技術(shù)難題的研究，實現(xiàn)大型天線陣面變形在線檢測，裝配精度評估、變形監(jiān)控和補償調(diào)控，其技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

數(shù)字孿生是將物理空間中的物理實體通過同步虛實映射在信息空間進行全要素重建，形成具有感知、分析、決策、執(zhí)行能力的虛擬模型[2]，對于質(zhì)量問題追溯、孿生監(jiān)控和預測優(yōu)化有著重要的作用。

雷達天線陣面裝配過程中，數(shù)字孿生模型包括虛擬世界和物理世界的雷達天線陣面數(shù)字化描述，涵蓋幾何、物理、故障經(jīng)驗數(shù)據(jù)、實時狀態(tài)、專家知識等多維信息的數(shù)字孿生模型。虛擬世界是在計算機世界中建立雷達天線陣面的三維模型，包括幾何模型、物理模型、規(guī)則模型以及行為模型。物理世界是對雷達天線陣面裝配精度數(shù)據(jù)進行采集、處理和傳輸。基于雷達天線陣面機械精度/電性能指標參數(shù)的機電磁耦合理論，通過工程知識、實測數(shù)據(jù)混合建模，定義數(shù)據(jù)處理、運動映射及接口，獲得數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生模型。利用建立的耦合模型，通過數(shù)值仿真分析獲得天線陣面裝配精度對天線電性能的影響機理，通過分析饋電誤差和結(jié)構(gòu)誤差產(chǎn)生的天線口面幅相分布誤差和陣元陣中方向圖，建立耦合模型[3]，如圖2所示。依據(jù)天線測量精度仿真分析結(jié)果，對精度進行補償控制。

圖1 測量場構(gòu)建路線

圖2 機電磁耦合建模

1.3 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

理想的雷達天線數(shù)字孿生模型中的測量調(diào)控數(shù)據(jù)分析應以高質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為了有效集成測量調(diào)控數(shù)據(jù)資源、拓展數(shù)據(jù)的各種應用、

構(gòu)建完備的雷達天線數(shù)字孿生模型，需要對數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的預處理、傳遞、存儲進行研究。對測量及采集數(shù)據(jù)進行一系列預處理操作，保證為數(shù)據(jù)分析提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。雷達天線陣面裝配過程中構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫主要包括測量數(shù)據(jù)庫和仿真數(shù)據(jù)庫。

測量數(shù)據(jù)庫是對天線裝配過程的統(tǒng)一管理和統(tǒng)計，包括日期、地點、裝配精度等。從激光跟蹤儀、全站儀、攝影測量等測量場設(shè)備采集實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)信息融合傳輸和數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建測量數(shù)據(jù)庫，其主要作用是通過對物理空間終端的數(shù)據(jù)獲取和保存，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對實際天線變形狀況的同步映射和監(jiān)控。測量數(shù)據(jù)的采集是根據(jù)設(shè)定的采集頻率，對實時數(shù)據(jù)進行處理，將結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫，并附時間戳，以便實現(xiàn)歷史測量數(shù)據(jù)的追溯和管理。

仿真數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括雷達天線陣面結(jié)構(gòu)、零部件組成、調(diào)平機構(gòu)分布、基本技術(shù)參數(shù)、性能指標、變形閾值等；仿真及調(diào)控數(shù)據(jù)包括機電磁耦合仿真算法知識庫，電性能指標如增益、副瓣等，根據(jù)天線陣面實際測量數(shù)據(jù)，模擬不同裝配精度下天線陣面變形仿真，以及變形量對電性能指標影響程度，為制定相應的調(diào)控策略提供支撐。

1.4 變形仿真與電性能仿真預測

為保證天線電性能指標，對天線陣面的安裝精度具有較高的要求，安裝精度直接影響天線的電性能實現(xiàn)情況。

首先需要研究結(jié)構(gòu)位移場與電磁場之間的場耦合關(guān)系[4]，并結(jié)合典型復雜工作環(huán)境因素的分析，建立其耦合理論模型。在建立耦合理論模型的基礎(chǔ)上，分析其機械結(jié)構(gòu)因素對電性能的影響機理。在裝配過程中對陣面安裝精度與電性能指標要求之間尋求最優(yōu)解，一方面提高陣面的安裝精度和效率，另一方面滿足電性能指標的調(diào)整優(yōu)化，并給出機械調(diào)整和電性能調(diào)整的不同策略。

在滿足陣面精度的要求下，多數(shù)采用電性能調(diào)整“軟補償”的方式，實現(xiàn)對天線電性能的調(diào)控。將天線變形仿真、電性能仿真預測的結(jié)果進行可交互式展示，主要包括天線陣面精度變形誤差云圖、天線電性能計算，并繪制功率方向圖，查看實際方向圖的參數(shù)，包括增益損失、最大副瓣電平、波束指向、副瓣電平抬升以及波束偏差[5]。通過設(shè)置不同調(diào)控策略，對陣面結(jié)構(gòu)精度誤差影響下天線電性能指標變化情況進行分析、對比，評估天線電性能的惡化程度，如在方向圖上疊加不同調(diào)控策略的天線主瓣、副瓣電平的參數(shù)變化趨勢。

變形仿真及調(diào)控策略流程如圖3所示。

圖3 變形仿真及調(diào)控策略流程

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于數(shù)字孿生的天線陣面精度測量調(diào)控系統(tǒng)由天線陣面數(shù)字化測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析模塊、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的天線陣面調(diào)控平臺組成。天線陣面數(shù)字化測量系統(tǒng)及分析軟件，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的天線虛擬調(diào)控平臺，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動天線變形仿真可視化平臺、電性能仿真預測及調(diào)控策略研究等模塊。遵循天線陣面數(shù)據(jù)采集、清洗、融合、仿真、反饋、調(diào)試、再采集的循環(huán)過程，通過數(shù)字化測量場采集天線陣面數(shù)據(jù)，經(jīng)過清洗、融合形成數(shù)字孿生模型，基于機電磁耦合機理、數(shù)據(jù)分析和挖掘，對陣面變形和電性能指標進行仿真，提出以電性能為調(diào)控目標的機電融合調(diào)控策略，指導天線裝配過程中對陣面精度和電性能的不斷優(yōu)化調(diào)試。將實時陣面精度數(shù)據(jù)、歷史測量信息與專家經(jīng)驗知識相結(jié)合，構(gòu)建對應的天線精度動態(tài)評估模型。根據(jù)歷史制造數(shù)據(jù)以及專家經(jīng)驗知識對評估模型進行訓練、對比與評估，并依據(jù)預測值與真實值的偏差情況，對評估模型進行更新，以維持評估模型的有效性以及預測結(jié)果的準確性。針對數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，孿生仿真、智能預警等提供可操作的功能模塊，天線裝配精度狀態(tài)與陣面位姿信息能夠被實時獲取與評估，為以電性能關(guān)鍵性能指標為主的天線精度預測與調(diào)控決策提供全面的實時信息支撐。

2.1 數(shù)字化測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析模塊

測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析模塊針對天線陣面裝配精度進行測量，并對測量數(shù)據(jù)進行分析，獲得陣面平面度等精度指標。包括以下內(nèi)容：

（1）數(shù)字化測量系統(tǒng)的搭建

針對天線陣面特性，研究采用何種測量方式和數(shù)字化測量設(shè)備，構(gòu)建數(shù)字化測量場系統(tǒng)，對基準點進行坐標測量，為測量場構(gòu)建、基準點檢測、天線陣面裝配等提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)字化測量場系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多類型測量設(shè)備基準點標定、基準點坐標修正和坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)求解等，參數(shù)設(shè)置包括單位、環(huán)境參數(shù)、靜態(tài)測量參數(shù)、連續(xù)測量參數(shù)、坐標系類型、搜索參數(shù)、測量方式等。建立與數(shù)字化測量設(shè)備、測量數(shù)據(jù)處理和分析模塊之間的通信連接，完成測量數(shù)據(jù)的傳遞，發(fā)送天線陣面測量點坐標信息至測量數(shù)據(jù)處理和分析模塊。

（2）測量數(shù)據(jù)的處理和分析

實現(xiàn)各類數(shù)字化測量設(shè)備采集的異構(gòu)多源數(shù)據(jù)處理和分析，主要包括與測量數(shù)據(jù)庫鏈接和數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的快速計算和擬合分析，得到平面度、公差值等指標。按照天線陣面調(diào)控平臺所需的數(shù)據(jù)規(guī)范和格式，將測量數(shù)據(jù)保存至測量數(shù)據(jù)庫，以便天線陣面調(diào)控平臺實時讀取。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的天線陣面調(diào)控平臺

通過數(shù)字化測量場數(shù)據(jù)采集，在數(shù)字孿生空間中擬合真實的天線陣面精度變化情況，與天線陣面設(shè)計理論值進行比對，得到全部陣面中需調(diào)整的區(qū)位，并基于測量比對結(jié)果和耦合規(guī)律，制定機械和電性能調(diào)控策略。信息空間與物理空間的交互和共融是一個亟待解決的重要問題[6]。數(shù)字孿生本質(zhì)上是物理對象的仿真模型，該模型可通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致[7]，在仿真運行過程中融合實時測量數(shù)據(jù)[8]。融合數(shù)字化測量場、天線骨架、安裝調(diào)整基座、天線陣面模塊、吊裝設(shè)備等，構(gòu)建反映天線陣面實際裝配與測量行為的數(shù)字孿生模型，獲取天線陣面精度測量數(shù)據(jù)和安裝基座位置數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對三維場景的動態(tài)驅(qū)動和呈現(xiàn)，全方位展示天線陣面總裝工藝過程，滿足變形測量、預測仿真和測量調(diào)控等需求，融合多誤差源進行裝配質(zhì)量實時預測，推動裝配質(zhì)量實時跟蹤控制發(fā)展[9]。構(gòu)建以電性能為目標、機電磁耦合的數(shù)字孿生模型，形成數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫，并通過可視化技術(shù)實現(xiàn)天線陣面變形、電性能指標的仿真結(jié)果展示，包括以下內(nèi)容：

（1）面向機械/電性能的機電磁耦合算法開發(fā)

研究服役載荷引起的天線陣面結(jié)構(gòu)變形對天線電性能的耦合關(guān)系，建立溫度場、位移場和電磁場之間的多物理場耦合模型；根據(jù)工程中已有的設(shè)計經(jīng)驗、制造誤差和服役載荷知識（包括人工經(jīng)驗、制造公差范圍、實驗測試數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)庫），基于概率區(qū)間的知識描述方法；結(jié)合場耦合理論模型和知識描述，建立集成知識的天線陣面機電磁耦合模型。利用耦合模型的數(shù)值分析，揭示陣面結(jié)構(gòu)因素（包括陣面結(jié)構(gòu)變形、陣面溫度以及裝配誤差等）對電性能影響的機理，以及仿真算法開發(fā)。

（2）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的天線陣面變形仿真

構(gòu)建基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，兼容多種測量設(shè)備的實時數(shù)據(jù)通信，通過對物理終端的數(shù)據(jù)覆蓋，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動完成對實體空間的鏡像，現(xiàn)場數(shù)據(jù)驅(qū)動模型更新，完成虛實映射[10]，實現(xiàn)在數(shù)字空間內(nèi)對天線陣面形位的監(jiān)控、在線比對、分析評估、策略生成等功能。實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)顯示，歷史測量數(shù)據(jù)的復現(xiàn)、超過結(jié)構(gòu)變形閾值警告等功能，以及云圖、報表等可視化顯示形式等。實現(xiàn)電性能仿真結(jié)果的可視化，包括方向圖、參數(shù)性能指標等參數(shù)的可視化顯示。

（3）陣面精度影響下的電性能仿真預測及調(diào)控策略制定

根據(jù)天線陣面裝配過程中的陣面變形測量、評估、分析結(jié)果，耦合電磁調(diào)整規(guī)律，制定陣面六自由度的機械形位補償調(diào)控策略，可以有效改變陣面形貌。而對于難以通過機械形位改變進行調(diào)控的陣面區(qū)域，可以采用電性能補償?shù)姆椒?。通過研究區(qū)域形位變形和電性能補償之間的映射關(guān)系，基于測量分析結(jié)果反向推導電性能補償?shù)臄?shù)值，實現(xiàn)動態(tài)“軟”補償。實現(xiàn)基于仿真結(jié)果的調(diào)控策略制定等功能，包括對結(jié)構(gòu)變形的調(diào)整以及電性能參數(shù)補償兩種方式，并有補償前后調(diào)控結(jié)果的仿真展示。

3 結(jié)論

通過雷達天線陣面數(shù)字化測量場構(gòu)建、天線陣面數(shù)字孿生模型構(gòu)建、天線陣面變形仿真與電性能仿真預測等技術(shù)研究，并開發(fā)基于數(shù)字孿生的天線裝配調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)在雷達天線裝配調(diào)控過程中，對天線陣面進行變形測量與仿真、電性能仿真預測、天線陣面變形精度以及電性能指標調(diào)控策略，實現(xiàn)對天線裝配過程進行全方位的測量、跟蹤、分析、預測和控制，對于提升天線裝配測量調(diào)控能力、縮短裝配測量調(diào)控周期、提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標具有重要意義。

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Application of Digital Twin in Radar Antenna Array Assembly

CHENG Wusi1,2，CHEN Dijiang1,2，ZHANG Xiangxiang1,2，LI Zancheng1,2

(1.NO.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China; 2. Hefei Research Center of Advanced Design Engineering Technology for Radar Mechanical and Electrical Equipment, Hefei 230088, China)

For digital twin front assembly with radar antenna control demand, carry out radar antenna array to build the digital measurement fields, antenna array digital twin model building, mechanical and electrical coupling mechanism and algorithm implementation and simulation of deformation of antenna array surface and electric performance simulation prediction research, structures, measuring twin model database and digital library, the development is based on the number of twin assembly control system of antenna array, In the process of radar antenna array assembly regulation, the antenna array accuracy measurement, deformation simulation and electrical performance simulation visualization, antenna array deformation accuracy and electrical performance index regulation strategy are realized, and the antenna array assembly accuracy is fully measured, tracked, analyzed, predicted and controlled.

radar antenna array；digital twin；precision measurement；deformation simulation

TP391；TN95

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.002

1006-0316 (2022) 07-0008-06

2021-12-03

國防基礎(chǔ)科研計劃（JCKY2020210C005）

程五四（1985－），男，安徽桐城人，碩士，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造、數(shù)字化工廠，E-mail：chengwusi@163.com。