基于數字孿生的雷達天線測量調控系統設計

程五四　陳帝江　張祥祥　李贊澄

摘要：文章針對基于數字孿生的雷達天線陣面測量調控需求，開發出集測量、分析、調控于一體的數字孿生系統，完成通用系統框架設計開發、系統交互邏輯設計開發、集成模塊接口設計開發、數字孿生模型數據庫構建、系統集成聯調測試等工作，實現天線陣面變形的監控、仿真、可視化與數據存儲，對于提升天線裝配測量調控能力，縮短裝配測量調控周期，提高天線陣面精度裝配質量和電性能指標具有重要意義。

關鍵詞：雷達天線陣面；數字孿生；精度測量；變形仿真

中圖分類號：TP391；TN95文獻標志碼：A0引言雷達天線是雷達實現遠距離高精度探測的核心組件。隨著天線口徑的增大，在天線裝配過程中的測量調控方面存在以下難題：（1）天線陣面精度難以保證，對快速構建數字化測量場的需求迫切，且在測量精度、效率、自動化程度、測量穩定性、測量置信度等方面都提出了更高的要求；（2）傳統測量調控模式存在“測”與“調”過程脫節，缺乏基于測量數據的智能化“測”與“調”快速仿真驗證手段；（3）陣面精度與電性能指標耦合關系復雜，缺少對陣面精度與電性能之間耦合規律以及調控策略的研究，無法在“機械精度保證”與“電性能調控”之間快速尋找最優解。如何實現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須解決的難題。

1概述數字孿生作為充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術，通過創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，在各個領域逐步開展研究，但其存在產品生命周期各階段的應用不全面的問題。當前，數字孿生較多地運用在產品運維和健康管理等方面，在雷達天線精密測量調控方面未見相應研究。目前，產品裝配技術由理想幾何模型仿真為主的虛擬裝配逐漸向虛實深度融合的智能化裝配方向發展，對產品裝配質量和效率的要求不斷提高［1］。張曉敏［2］基于裝配知識庫數據，對裝配工藝參數進行實時調整，以滿足智能裝配的要求。丁國富等［3］針對已有主機廠開發了車間監測面板來實時監控裝配工序、作業進度和裝配誤差，但無法實時展現產品自底向上的動態裝配過程，也無法對裝配誤差進行動態捕捉展示［3］。

綜上，針對開發出集測量、分析、調控于一體的數字孿生系統集成接口的需求，本設計完成了通用系統框架設計開發、系統交互邏輯設計開發、集成模塊接口設計開發、數字孿生模型數據庫構建、系統集成聯調測試等工作，提升測量調控數字孿生集成能力。本系統主要用于天線陣面變形的監控、仿真、可視化與數據存儲，對提升天線裝配測量調控能力，縮短裝配測量調控周期，提高天線陣面精度裝配質量和電性能指標具有重要意義［4］。

2系統實現筆者基于Unity3D引擎開發出數字孿生的雷達天線測量調控系統，涵蓋了通用系統框架設計開發。設計系統軟件框架包括：數據讀取和解析、算法模型和數字孿生模型加載、算法流程搭建和控制執行、輸入數據和結果數據數據庫設計等。系統交互邏輯設計開發包括：人機交互設計、原型設計、頁面優化、圖形化展示、數據可視化UI設計、風格統型開發及實現。集成模塊接口設計開發包括：測量及變形可視化模塊、機電磁仿真計算模塊等數據接口定義，實現遠程讀取測量數據，調用變形仿真、電性能仿真和優化求解器，可視化計算結果等一系列功能的集成。設計并開發數字孿生模型數據庫包括：典型裝備數字孿生模型、機電磁耦合模型、數據驅動運動接口等數據。外部參與者包括用戶和雷達。用戶能夠瀏覽與搜索已有項目，創建并配置項目，刪除項目獲得監控項目告警，查看項目。用戶登錄系統之后瀏覽與搜索已有項目，創建并配置項目，刪除項目獲得監控項目告警。用戶能夠管理監控計算，查看監控計算結果，管理仿真計算，查看仿真計算結果，查看測量數據。用例圖如圖1所示。

基于數字孿生的雷達天線測量調控系統具有以下幾項功能。

2.1登錄系統用戶使用用戶名和密碼登錄系統后，可以實現瀏覽與搜索已有項目、創建并配置項目、刪除項目、查看項目。用戶賬戶鎖定后，需要等待一定時間解鎖，并輸入正確的賬號密碼組合登錄。用戶包括普通用戶和管理員兩種。管理員具有重置密碼的權限。

2.2瀏覽與搜索已有項目用戶可以瀏覽、搜索、排序已經創建了的各個項目。成功登錄系統后，系統界面展示出用戶所需要查看的項目。在項目列表中，按照默認順序展示所有項目，用戶不僅可以直接在項目列表中瀏覽項目，也可以設定排序條件或搜索。系統根據用戶設定的條件顯示出相應的項目，項目列表的默認順序為：項目名稱A～Z。列表中第一個項目是該用戶上次打開的項目，可搜索的字段包括：項目名稱、所有項目屬性。排序條件包括：項目名稱、雷達類型、創建日期。

2.3創建并配置項目用戶可創建新項目并配置該項目的名稱、屬性、3D模型、監控計算模型、告警閾值。用戶輸入項目名稱，配置項目屬性、3D模型、監控計算模型和閾值，系統檢查重名、屬性、3D模型、監控計算模型、閾值的合規性，若不滿足則提示用戶修改。監控計算模型是一個配置文件（預制件），監控配置所需的信息及合規性檢查（下拉列表或滑動條等）、3D模型如何檢查合規性（名稱）、3D模型如何進行數字孿生數據綁定（新增配置文件：3D模型的構建名稱層級與數據源的綁定，編輯器內配置AA（Unity Addressable Asset）包）、計算模型如何檢查合規性（文件解析）、項目需包含屬性（項目名稱、地點、時間、客戶）。

2.4刪除項目用戶可刪除已創建的項目。用戶成功登錄系統后，選擇需要刪除的項目，通過判斷是否符合移除條件，并給出無法刪除的原因提示。如刪除后臺正在進行計算的項目，則提示正在計算中，無法移除至回收站。刪除條件滿足時，啟動刪除項目事件流，確認刪除項目并將項目移至回收站中。通過管理員權限管理，可以將回收站中的項目進行還原或徹底刪除。

2.5查看項目用戶可查看項目的名稱、配置信息、3D模型等基礎信息。用戶登錄系統，可以管理監控計算，查看監控計算結果，獲得監控項目告警，管理仿真計算，查看仿真計算結果，查看測量數據等操作。用戶不僅可以查看系統展示出項目的名稱、配置信息、3D模型等基礎信息，還可以查看模型層級信息。

2.6管理監控計算用戶可配置監控計算的各項參數并控制計算的開始與停止。用戶查看項目：用戶成功登錄系統并打開某個項目→系統開始計算→開始實時計算事件流→用戶選擇實時計算標簽→用戶點擊開始計算→系統開始實時計算→開始歷史計算事件流→用戶選擇歷史計算標簽→用戶選擇歷史時間段或者某次歷史測量數據→用戶點擊開始計算→系統開始歷史計算。用戶選擇的歷史計算時間段只能是歷史時間段，若用戶選擇的時間段內無測量數據則提示用戶，則不能開始計算。若用戶選擇的時間段內部分測量數據已計算完成，則提示用戶。系統自動跳過已計算過的測量數據，提示是否可在開始計算前修改閾值。

2.7查看監控計算結果用戶可查看當前項目所有的監控計算的結果。用戶成功登錄系統并打開某個項目，系統展示出所有的監控計算結果的信息。瀏覽所有的監控計算結果，用戶根據條件篩選計算結果，選中某次結果并打開，系統展示該次結果的所有信息以及各種雷達裝配數據可視化圖表。信息包括以下內容：測量時間、計算時間、計算結果、閾值、是否告警、查看詳情信息及圖表、跳轉到仿真計算的按鈕。

2.8獲得監控項目告警系統推送告警信息至用戶界面，用戶可以進行查看。系統計算得到超出閾值的告警結果后，推送告警信息至用戶界面。用戶查看到告警信息后可以點擊查看信息或關閉信息。系統展示當次監控計算結果列表包括：項目名稱、計算結果值、閾值、時間等信息。

2.9管理仿真計算用戶可配置仿真計算的各項參數并開始計算。配置仿真計算模型：系統檢查仿真計算模型合規性→配置閾值→系統檢查閾值合規性→配置測量數據→系統檢查測量數據合規性。點擊開始計算后，系統開始仿真計算。仿真計算模型是一個*.m文件，用于電性能仿真算法的調取。

2.10查看仿真計算結果用戶可查看當前項目所有的仿真計算結果。用戶瀏覽所有的仿真計算結果并根據條件篩選計算結果，選中某次結果并打開。系統會展示該次結果的所有信息、補償計算結果顯示和導出。

2.11計算結果對比驗證仿真計算結果的對比驗證展示。用戶查看仿真計算結果。用戶選中某次仿真計算結果并查看對比驗證結果→系統展示對比驗證結果的補償計算→補償結果展示疊加的各種圖表。

2.12查看測量數據查看項目中所有的測量數據。用戶成功登錄系統并打開某個項目→系統展示出該項目所有的測量數據→用戶查看該項目所有的測量數據→用戶根據條件篩選測量數據→系統展示篩選后的測量數據，篩選條件包括：記錄時間、項目名稱等。

2.13存儲測量數據系統存儲測量數據至測量數據庫。雷達產生測量數據或用戶已獲得測量數據文件。測量數據存儲至測量數據庫，雷達產生測量數據，系統通過接口存儲數據至測量數據庫或用戶上傳測量數據文件。系統存儲數據至測量數據庫，暫時以離線導入的形式存儲數據（用戶上傳）。

3結語筆者針對基于數字孿生的雷達天線陣面測量調控需求，面向重大裝備幾何形態和結構力學性能，構建“算測融合、形性一體”的數字孿生［5］，開發出集測量、分析、調控于一體的雷達天線測量調控系統，完成通用系統框架設計開發、系統交互邏輯設計開發、集成模塊接口設計開發、數字孿生模型數據庫構建、系統集成聯調測試等工作，實現天線陣面變形的監控、仿真、可視化與數據存儲，對于提升天線裝配測量調控能力，縮短裝配測量調控周期，提高天線陣面精度裝配質量和電性能指標具有重要意義。

參考文獻

［1］劉檢華，孫清超，程暉.產品裝配技術的研究現狀、技術內涵及發展趨勢［J］.機械工程學報，2018（11）：1-28.

［2］張曉梅.面向航空復雜產品的裝配工藝優化設計技術［J］.智能制造，2020（6）：35-38.

［3］丁國富，何旭，張海柱.數字孿生在高速列車生命周期中的應用與挑戰［J］.西南交通大學學報，2022（1）：1-18.

［4］程五四，陳帝江，張祥祥.數字孿生在雷達天線陣面裝配中的應用［J］.機械，2022（7）：8-13.

［5］宋學官，來孝楠，何西旺，等.重大裝備形性一體化數字孿生關鍵技術［J］.機械工程學報，2022（10）：298-325.

（編輯 姚鑫）

Design of radar antenna measurement and control system based on digital twinsCheng? Wusi Chen? Dijiang Zhang? Xiangxiang Li? Zancheng

（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;

3.National Industrial Design Center ， NO.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）Abstract： Radar antenna array based on digital twin surface measurement control demand， development measurement， analysis and control of digital twin system， complete the general system framework design， development， system interaction logic design， development， integration module interface design and development， digital twin model construction of the database and system integration alignment test work， Realizing the monitoring， simulation， visualization and data storage of antenna array deformation is of great significance for improving the antenna assembly measurement and regulation ability， shortening the assembly measurement and regulation period， and improving the antenna array precision assembly quality and electrical performance index.

Key words： radar antenna array; digital twin; precision measurement; deformation simulation