某车载雷达结构总体设计

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(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

风廓线雷达是获取高空风和低空急流活动特征，探测湍流、大气稳定度、中尺度大气，并能够提供高时空密度气象信息的探测设备，已经广泛应用于航空航天、水文水利、大气监测和军事气象等方面，有着广阔的应用前景[1]。

出于现代战争发展的需要，风廓线雷达作为伴随保障气象装备，其实战机动性能要求随之也越来越高。为此，在充分借鉴、继承现有机动雷达技术的基础上，基于“工业化”设计、“商品化”设计的理念，研制了一种新型高集成、高机动车载风廓线雷达。该雷达具有系统单车集成、高精度轻质化天线阵面、全液压自动架设系统，以及多种运输方式兼容等优点。

1 设计要求

设计了机动式对流层风廓线雷达，其由相控阵天线阵面、T/R组件、数据处理设备、终端设备、底盘车，以及辅助设备等组成。

设计要求如下所述。

天线阵面：3.5 m×3.5 m(长×宽)。

天线重量：1.6 t。

风速：八级风以下能正常工作，十级风不会导致永久变形或破坏(生存)。

雷达车架设/撤收时间：≤30 min/2人。

所有设备安装于1辆越野载车上；公路、铁路等多种运输方式兼容。

2 结构总体设计

2.1 系统组成

为了提高雷达机动性，需对雷达系统各单元进行小型化、集成化设计，缩减运输单元数量。针对该雷达单车集成设计的要求，应用一体化设计理念，将雷达天线、电子设备方舱、电子机柜、自动架设系统(伺服控制系统、调平系统和天线折叠机构)、电站单元、底盘车和工作平台等设备布置于1个运输单元。雷达结构单元系统组成如图1所示。

图1 雷达单元系统组成

2.2 总体布局设计

总体布局设计不是乐高式积木形的拼接，而是规划各种边界条件(运输要求、系统组成和外形包络等)自顶向下的系统设计，这是决定车载雷达的结构方案成败的关键[2]。

机动式风廓线雷达对机动性和运输兼容性均有较高的要求，但二者又互相制约，给结构设计带来了严峻的挑战。为此在总体布局方案中，应用一体化的理念进行设计。一是将天线阵面分块，折叠运输设计[3]。即天线沿宽度方向等分为2块，运输时，一块固定于方舱的顶部，另一块折叠后依附在方舱的侧部；工作时，通过天线展开机构将折叠天线从90° (与水平面成90°)展开到0°，并与固定天线拼接成1套完整的相控阵天线。二是雷达车工作平台与底盘车固定方式设计为快锁机构(蘑菇头式锁紧)，调平撑腿通过支臂与底盘车大梁直接相连。当需要铁路运输时，撑腿收回，松开快锁机构，平台及其以上的设备可整体快速吊装分离，置于铁路运输平台，工作平台和底盘车2个运输单元都满足铁路运输要求。结构总体布局及工作/运输状态分别如图2和图3所示。

该雷达结构总体布局具有如下特点：

a.工作平台上集成了雷达系统各单元设备，布局紧凑，雷达车集成度高。

图2 结构总体布局

图3 雷达车工作/运输状态

b.液压伺服控制系统逻辑控制撑腿调平和天线展/收，雷达车实现自动架设且高机动，系统安全可靠。

c.电子设备方舱分区设计，即分为电子设备区和操作人员工作区，人机工程优越。

d.雷达天线折叠设计后，雷达车运输高度 <4 m，满足公路运输限界要求；且铁路运输时，可快速分离。

3 关键技术

3.1 高精度轻质化天线阵面

天线阵面是雷达的核心部分，阵面系统结构的作用是保证相控阵天线电性能的实现，也是整个雷达结构中最复杂的部分。在天线系统的结构设计过程中，全面贯彻了“商品化”设计理念，在满足功能需求的基础上，尽可能地降低成本[4]。

该雷达天线阵面采用相控阵体制，天线阵面主要由行/列天线单元、反射板、天线骨架和天线罩等组成。其中，天线单元为印制半波阵子天线，辐射单元和功分网络集成一体化设计，由N行×M列组成，行和列天线单元的辐射单元呈90°垂直交叉排列，布置于反射板的正面。

天线骨架作为天线阵面的承力结构件，既需要保证天线单元安装后的精度要求，同时，为方便天线阵面折叠设计，需要进行轻质化设计。

为满足以上需求，提出了天线骨架分层设计理念和天线高精度拼接设计方法。天线阵面结构组成如图4所示，阵面拼接如图5所示。

图4 天线骨架结构组成示意

图5 天线拼接结构示意

将雷达天线骨架进行分层设计，即分为钢骨架层、天线单元安装层、反射板及天线罩。作为主要承力件，钢骨架由型钢和折弯钢板等焊接而成，通过龙门铣床精加工来保证天线阵列单元线源间距的精度要求；天线单元安装层采用拉制铝型材铆接成型方案，制造成本低，加工变形误差小，外观线条流畅。既能轻质化又能降低成本，适合批量生产。

为保证固定天线和折叠天线拼接后的精度要求，采用1组液压展开油缸同步驱动天线展开与折叠动作，展开到位后通过接近开关和限位块分别实现电限位(当天线阵面某一状态到位时，相应的接近开关被点亮)和机械限位，来保证拼接精度。同时展开油缸内部机械自锁，确保阵面拼接后的精度能长时间保持。

3.2 自动架设系统

架设系统中的调平撑腿和折叠机构在雷达系统起到了承上启下的作用，不仅承担了雷达天线的架撤任务，还是雷达车稳定性的可靠保证[5]。

考虑执行元件的尺寸和重量，自动架设系统采用了1套全液压伺服控制系统。架设流程如图6所示。

图6 架设流程

自动架设时，系统加电后，电机启动，带动液压齿轮泵工作，通过电液比例阀、电磁换向阀和溢流阀等高精度控制元件，实现雷达车的自动调平和天线展收。伺服控制系统采用基于双轴水平传感器、接近开关和比例放大模块等多种检测元件反馈的PLC控制技术，操作人员可通过人机界面实现雷达车“一键式”架设与撤收；同时架撤过程中各动作执行软件互联互锁，提高了系统控制精度与安全性。

为提高系统安全性和可靠性，液压系统预设了2种应急操作模式。即液压泵站或者伺服控制系统出现故障时，可通过手动泵或者电磁换向阀上的手动操作手柄，手动实现雷达车调平撑腿的伸缩和天线展收。

4 仿真分析

风载荷是雷达工作时主要承受的负载之一，其带来的天线变形是影响雷达性能指标的重要因素。其数值按如下方式确定[6]：

F风=CxqA

(1)

Cx为风力系数；F风为风载荷；A为结构迎风面积；q为动压头，q=v2/16，v为风速。

折叠天线在展收过程中，与水平面成90°时，迎风面积最大。在十级风载荷工况下，采用有限元分析软件ANSYS进行力学分析，展开油缸采用杆单元，薄钢板及型材采用壳单元，天线单元质量等效为集中均布载荷。

有限元分析结果如图7所示，最大等效应力为68.8 MPa，位于折叠天线的支耳处，最大变形量为0.4 mm，位于折叠天线的外侧。从仿真结果可以看出，折叠机构和天线骨架满足安全使用要求。

图7 仿真结果

5 结束语

结合某型机动式对流层风廓线雷达的研制，从指标要求、结构总体设计、关键技术和力学仿真分析等方面进行了阐述，对总体布局设计、高精度天线阵面和自动架设系统做了较为详细的设计分析，实现了雷达的结构设计指标要求。雷达整机工程实施并试用表明，系统稳定可靠，其综合指标满足总体设计要求，对类似雷达的研制工作具有一定的参考意义。