大口径米波雷达高机动技术研究与实现

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(中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

处于战争最前沿的目标指示雷达，为了捕捉远距离空中移动目标，特别是高速飞行的隐身目标，为后方的武器系统提供尽可能多的预警时间，在不增加雷达功率的前提下要求雷达的天线口径尽可能大。同时，目标指示雷达为了提高自己的战场生存能力，必须具有很高的机动性[1]。雷达的机动性能是雷达在战场上生存能力的关键，而雷达机动性能的高低主要取决于雷达的工作状态与运输状态的转换时间和雷达运输状态的适应性。一般来说，雷达的天线口径与其机动性是一对矛盾体，大口径必定带来机动性的下降。在此，采用一种新颖的天线折叠方式成功解决了大口径雷达机动性差的难题，成功实现大口径雷达高机动性。

1 主要技术指标

系统的主要技术指标需求如下:天线阵面口径为宽×高=15 m×13 m；天线阵面精度，均方根误差≤15 mm，最大变形≤100 mm工作状态与运输状态之间的转换时间≤23 min/6人；抗风能力方面要求在风速20 m/s以下正常工作，风速30 m/s不破坏；实现运输方式为公路、铁路和空运。

2 系统实现

2.1 系统方案

为实现技术指标，系统不能采用成熟的大阵面折叠技术[2]来折叠天线，而是采用一种全新的垂直伸缩机构[3]来实现天线的展开与收拢。同时为再降低天线运输高度，再把缩回后的天线倒伏至水平状态。天线阵面由天线背架、21行线源、2根俯仰液压缸和2根支撑臂组成，天线阵面通过1对销轴与天线座连接，如图1所示。采用俯仰液压缸来实现整个天线的俯仰。21行线源通过滑动导轨与天线背架连接，当天线背架伸缩时，背架带动21行线源进行拉开或收拢，从而实现整个天线阵面在高度方向的伸或缩。

图1 天线阵面展开

系统架设时，天线首先在2个俯仰液压缸的驱动下仰起到工作角度，如图2所示。然后嵌套于天线背架第1节内部的6节塔在2组液压缸的驱动下通过钢丝绳/链机构[3]来实现10 m长的全行程的伸出。在天线背架伸出的同时，天线阵面的线源及反射网也同步展开，当天线背架伸出到位时，天线阵面也展开到位。在天线仰起及天线背架伸出的同时，天线阵面的支撑臂同步展开，当天线背架的第3塔伸出到位时，天线阵面的支撑臂展开到位并锁定，自此天线完成展开并锁定，天线完成由运输状态到工作状态的转换。

图2 天线阵面收拢

系统收装时，天线背架上的液压缸2驱动第4节塔收回，在钢丝绳/链机构的作用下带动第5～第7节塔同步收回。第4～第7节塔收回时同步带动第1～第14行线源收回，并同步折叠线源之间的反射网。当液压缸2收回到位时，第4节塔也把支撑臂压弯过死点，为液压缸1的收回创造了条件。当液压缸1收回时，在钢丝绳/链机构的作用下带动第2～第3节塔同步收回，第2～第3节塔收回时同步带动第15～第21行线源收回，并同步折叠线源之间的反射网。当液压缸1收回到位时，整个天线阵面完全收回到位，为天线俯下创造了条件。在俯仰液压缸的驱动下整个天线阵面俯下70°至水平运输状态，天线完成由工作状态向运输状态的转换。

2.2 关键技术

要实现天线口径15 m×13 m的米波雷达的快速架设及收装，本系统解决以下几个关键技术[4]：

a.天线展收。为把展开高度达13 m的天线阵面收拢到高度仅3 m，需要采用伸缩式天线背架和天线线源来实现天线阵面的展收，同时天线阵面的反射网也需要同步展收。

b.天线俯仰。完成了天线阵面高压缩比收拢后，还必须把天线倒伏至水平状态使天线阵面平躺于天线座上，达到最大限度降低运输高度的目的。

c.天线锁定。为保证天线展开后正常工作，天线俯仰、展开到位后需要自动定位和自动锁定。

d.同步控制。为保证天线俯仰、展收动作正常可靠，需要天线俯仰、展收驱动机构的实时同步。

2.2.1 天线展收

为实现系统快速架设与收装，就不能使用起重机等特殊设备，必须采用全自动化架设及收装。经过充分论证，系统采用天线阵面在高度方向可以压缩的天线展收方案。天线阵面完全展开时达到工作高度13 m，完全收拢时高度只有3 m。运输时再把天线放平就能使系统在运输状态不超高。为便于实现天线阵面的展收，系统把天线阵面分成天线背架、天线线源和天线反射网3大部分。

天线背架是整个天线阵面主要支撑部分，上连接天线线源，下与天线座连接，是整个天线阵面实现自动展开与收拢的关键部分。天线背架由7节塔组成，第1塔与天线座铰接，其余采用层层嵌套结构方式，如图3所示。在第1、第2塔及第3、第4塔之间左右侧各用1对液压缸作为驱动机构，其余塔之间采用滑轮及钢丝绳/链机构连接。当第1、第2塔之间的液压缸1动作时，第2、第3塔在液压缸及钢丝绳/链机构作用下同步动作，第3塔同时带动第4至第7塔动作，但第5至第7塔相对于第4塔不动。当第3、第4塔之间的液压缸2动作时，其驱动第4塔动作。在钢丝绳/链机构作用下，第5至第7塔也同步动作。从而实现整个天线背架的同步动作。

图3 天线背架结构

天线线源是用于安装天线阵面电子设备、天线振子和辐射棒等，天线线源通过天线背架上的组合导轨的滑块与天线背架连接起来。天线线源之间的间距通过固定与天线线源背面的连接机构来保证。天线线源的外形尺寸为(长×宽×高)15 m×0.3 m×0.12 m。

当天线阵面完全展开后，每相邻两行线源之间有480 mm的镂空，这会对雷达电性能产生很大的负面作用，为此需要设计天线反射网来填补此空间。天线反射网位于每2根相邻线源之间，通过铰链与相应线源连接。当天线阵面展开后反射网与线源的正面平齐,如图4所示。当天线阵面收拢后反射网向前折叠位于天线振子之间。

图4 天线反射网展开状态

2.2.2 天线俯仰

天线阵面通过铰接方式与天线座相连接。由于天线阵面收拢高度为3 m，大于天线阵面的厚度2 m，为此系统采用双液压缸来实现整个天线阵面的俯仰。双液压缸布置于天线背架两侧，液压缸无杆腔端与天线座通过铰链连接，液压缸有杆腔端与天线背架第1塔通过铰链连接。当液压缸伸出时，天线阵面仰起；当液压缸伸出行程走完时，天线仰起到位。当液压缸收回时，天线阵面俯下；当液压缸收回行程走完时，天线俯下到位。此时，天线阵面处于水平状态。

2.2.3 天线锁定

天线阵面展收和天线俯仰都采用液压缸来实现的。对于液压缸来说，因其自身固有特性不能长时间保证天线阵面尺寸和天线仰角不变，为此需要对天线阵面展开到位后和天线仰起到位进行可靠有效的锁定，不但可以保证天线工作状态的机械特性不变，也能让液压缸免于长时间处于受力状态。

a.天线背架伸出到位锁定。对于天线背架展开到位，系统在天线背架每组液压缸驱动塔相应设有电动插销缸。当第1、第2塔液压缸伸出到位后，位于第1塔上电动插销缸伸出锁定第2塔。当第3、第4塔液压缸伸出到位后，位于第3塔上电动缸伸出锁定第4塔。其余塔在钢丝绳/链机构的作用下不会下移，从而实现了整个天线背架的锁定。

b.天线背架仰起到位锁定。在天线背架两侧设有天线阵面仰角支撑臂。天线仰角支撑臂下端通过铰接与天线座连接，上端通过铰接与第3塔连接。当天线背架仰起到位且第3塔伸出到位时，天线仰角支撑臂也随动同步伸直并过死点，与天线座、天线背架共同形成一个稳定的三角形结构，从而保证了天线阵面仰角的稳定不变。

2.2.4 同步控制

在天线进行俯仰、伸缩过程中，系统都采用的双液压缸驱动。系统采用双套驱动机构可以保证在对天线进行俯仰、伸缩的时候受力左右对称，并且可以保证当一个液压缸出故障时确保天线阵面不会发生跌落。但是采用双液压缸驱动必然带来双缸同步和一个液压缸出故障时另一个液压缸对系统结构带来的破坏问题，因此液压系统的同步控制[5]十分关键。对于两液压缸的同步，实际就是两液压缸活塞杆伸出或收回速度的同步问题，也就是两液压缸的进出液压油容积相等问题。由于天线背架是嵌套结构，每相邻两节塔之间只有相对滑动，采用钢丝绳/链机构连接并无刚性连接，故天线背架的两组驱动液压缸的同步性完全靠液压缸的同步来保证，并且同步性要求很高，全行程两液压缸的同步误差≤5 mm。当天线背架处于完全收回状态时有足够刚性并与天线座铰接，可以抵抗适当的不平衡外力。为此本液压控制系统中采用了2种同步控制措施：第一种是对于天线背架伸/缩同步控制，采用拉线位移传感器、比例阀和MD2控制器构成闭环控制系统，全行程实时监测并调整两液压缸的绝对长度，使两液压缸的绝对长度的实时误差≤5 mm，一旦两液压缸的绝对长度误差大于5 mm，系统自动停机以保护天线设备不受到损害；第二种是对天线俯/仰同步控制，在天线俯仰液压缸的液压回路中加入了高精度容积式的液压同步马达，利用同步马达实时同流量地给2个液压缸供液压油，同步马达分出的流量误差≤1%，从而使2个俯仰液压缸的同步精度能达到1%，完全满足系统要求。

2.3 液压系统

天线伸/缩和俯/仰采用液压系统[6]来控制。为保证系统功能的实现，采用伺服电机驱动液压泵作液压系统的动力源。伺服电机可以根据天线仰起或俯下、伸出或收回时需要调速进行调速，保证天线在整个动作过程中既无冲击又无颤抖。在液压系统中采用了换向阀、流量调节阀、溢流阀、同步马达、平衡阀、比例阀、拉线位移传感器、MD2控制器和压力表等器件。换向阀用于控制液压缸输出轴的伸出与收回，从而控制天线阵面的仰起与俯下、伸出与收回。流量调节阀用于调整液压缸运动速度。溢流阀用于控制整个系统的压力。同步马达用于保证平衡重力和风载，保证俯仰液压缸同步运行，保证液压缸运动平稳可靠。平衡阀用于防止当系统管路突然爆裂时天线上阵面不发生跌落失效。比例阀用于实时调节天线背架上的每组液压缸流量，保证每组液压缸的同步误差不大于规定值。拉线位移传感器用实时检测天线背架上的每组液压缸的绝对长度，并把长度信号转换成电信号传给MD2控制器。MD2控制器接收拉线位移传感器实时数据，动态调节每个比例阀的开度，用以控制每组液压缸的伸/缩速度，达到实时控制液压缸长度的目的。压力表用于检测管路油压。

2.4 伺服系统

伺服系统[7]采用PLC控制器[8]作为控制核心，所有控制指令都有PLC控制器发出，所有传感器信号都反馈到PLC控制器。PLC控制器包含I/Q开关量模块和AI/AQ模拟量模块。I/Q开关量模块中I口用于接收各种位置传感器反馈回来的开关量信息，Q口用于输出控制液压控制系统中各换向阀的交流接触器的闭合与断开。AI/AQ模拟量模块用于控制液压控制系统中伺服电机的转速。电机驱动器和电机采用了全数字式交流伺服电机系统，与PLC控制器接口兼容。伺服控制系统中天线仰起、天线俯下、天线伸出、天线收拢、插销锁定和插销解锁6个指令来自动伺服控制系统的操作面板上的操作按键。伺服控制系统一旦接收到某个动作指令，其在判断条件满足的情况下立即执行相应动作，但只要有任意一个条件不满足，伺服控制系统都就不执行任何动作。伺服控制系统时刻监测各动作到位传感器的状态信息，当伺服控制系统一旦收到某个动作到位传感器传回的到位信息，将立即对相关动作发出停止指令。

3 天线刚强度

天线进行刚强度分析时以天线作为分析对象，分析状态为天线工作状态，天线的负载包括自重和风载荷，约束关系与天线工作状态的机械约束同。采用HyperWorks进行建模[9]，采用Abaqus作为求解器进行有限元分析，分析时天线支耳以及相关连接件等厚材料处采用solid单元(实体单元)，其余薄壁材料部分为shell单元(壳单元)。分析天线在20 m/s风速并以6 r/min转动时的刚度和30 m/s风速不转动时的强度。天线刚度、强度分析结果分别见图5和图6所示。分析结果表明，天线的刚度和强度满足指标要求。

图5 天线刚度(εmax=73 mm)

图6 天线强度(σmax=180 MPa)

4 天线面精度

为验证天线刚强度分析的真实性及偏差，对天线工作状态时的面精度进行了实测。天线上共有504个天线阵子，分成21行24列，形成一个完整的天线面。测试时在水平方向等间距选择9个天线阵子，垂直方向等间距选择21个天线阵子，共计测试189个天线阵子相对于基准平面的误差值，测试结果如图7所示。测试结果表明，天线实际面精度均方根值为12.2 mm，小于指标要求值15 mm；最大变形量为77.7 mm，小于指标要求值100 mm。测试结果表明，天线具有较高的面精度、较小的相对变形，完全满足指标要求。测试结果也验证了天线刚强度分析的正确性。

图7 天线阵子相对于基准平面误差曲线

5 结束语

针对大口径米波雷达在不需要借助外部起重设备的情况下实现快速架设、撤收和满足公路、铁路、海运和空运多种运输方式兼容性研究，根据米波雷达对天线阵面面精度、刚度和天线阵子单元位置精度要求不高等特点，采用垂直伸缩式天线技术、天线展开随动锁定技术和液压闭环同步控制技术实现了大口径米波雷达天线工作状态和运输状态之间的相互快速转换。经实际检验证明，该种天线在工作状态的面精度和刚度满足要求，运输时满足雷达公路、铁路、海运和空运多种运输方式要求。垂直伸缩式天线结构形式可以应用到高机动性大口径米波雷达的设计中，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 程辉明,许统融.地面高机动雷达集成化设计技术[J].电子机械工程,2005,21(3):22-23.

[2] 陈建平.大阵面天线自动展开/折叠设计与系统实现[J].现代电子,2002,79(2):46-50.

[3] 孟宪源.现代机构手册[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4] 平丽浩，黄普庆，张润逵.雷达结构与工艺[M].北京:电子工业出版社,2007.

[5] 黄志坚.液压伺服比例控制及PLC应用[M].北京:化学工业出版社,2014.

[6] 张利平.液压控制系统设计与使用[M].北京:化学工业出版社,2013.

[7] 胡祐德，曾乐生，马东生.伺服系统原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社,1999.

[8] 宋德玉，袁斌，吴瑞明.可编程序控制器原理及应用系统设计技术[M].北京:冶金工业出版社,2014.

[9] 张胜兰，郑冬黎，郝琪.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007.