地面相控陣雷達天線陣面精度保證技術綜述與展望

李 敏

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

地面相控陣雷達具備反應時間短、波束控制靈活、多目標處理等特點,已成為國防領域中不可或缺的核心裝備之一[1];其天線陣面由若干陣元構成,陣元的安裝位置固定,是一個涵蓋了電磁場、熱力學、機械設計等多種學科的復雜機械電子系統[2];該系統通常在復雜、多變的環境下工作,天線陣面的設計、加工、裝配、測量、使用過程中的自重、振動、風載、溫度等全生命周期各環節產生的偏差均會引起輻射信號的相位誤差,進而影響雷達天線波瓣增益、波束指向精度等關鍵技戰術指標[3]。因此,控制和保證天線陣面的設計精度和平面度已成為關鍵技術之一,其水平直接決定雷達系統性能和可靠性。

針對該問題,國內外學者進行了大量研究,文獻數量眾多,為提升雷達系統性能起到了推進作用,但大部分偏重于研究單一環節的精度最優和性能保證,本文將著力于地面相控陣雷達裝備研制和使用環節的全生命周期,聚焦陣面精度保證技術,重點對天線陣面設計仿真、制造過程精度實現、靜態精度測量調整、以及動態精度檢測補償等全流程的核心關鍵技術進行綜述和分析,為該技術的深層次推廣和工程應用提供解決方案和有益借鑒。

1 設計仿真評估

1.1 陣面總體設計

根據地面相控陣雷達裝備裝載方式和陣面總體設計情況,主要分為固定式、機動式、及便攜式等類型,具體分類如圖1所示,本文不討論便攜式類型。

圖1 地面相控陣裝備基于裝載方式分類

固定式裝備分為完全固定式和方位(或)俯仰可動式。完全固定式裝備的天線陣面總體布局一般以設備大樓或天線樓等載體為依托,天線陣面安裝在載體的斜面上,電子設備安裝在載體內部。方位(或)俯仰可動式裝備的天線陣面和陣面設備一般安裝在高精度鋼構天線骨架上,電子設備安裝在骨架內部,天線骨架則安裝于方位(或)俯仰可調的天線座上。典型的完全固定式裝備如國內某大型固定式裝備[4]基于鋼構骨架,陣面口徑超過1000m2;俄羅斯的沃羅涅日-M(增強型)雷達基于米波段的相掃體制,完全固定式陣面口徑約1800m2。典型的方位(或)俯仰可動式裝備如美國的GBR-P、XBR等裝備,采用X頻段,相掃和機掃相結合,陣面口徑約120m2。在陣面總體設計時,為滿足系統架構和結構布局、尺寸精度、環境適應性、維修性、包裝、運輸、吊裝等需求,需將天線陣面合理分塊形成子陣,簡化和規范子陣外部電訊和結構接口形式,每個子陣都具備完整的結構和電訊性能,可獨立工作,作為陣面可更換基本單元。

機動式裝備分為單車機動式和多車機動式。在機動運輸、部署能力和戰場生存能力等需求下,其天線陣面的結構布局和工藝實現是關鍵工程技術之一。特別是針對大口徑車載天線陣面的機動運輸問題,通常采用天線俯仰實現工作狀態和運輸狀態間的快速轉換,以解決運輸界限中的限高問題;采用天線陣面折疊實現天線陣面展開和收攏,以解決運輸界限中的限寬問題。因此,機動式裝備的研究覆蓋了單車單陣面、單車多陣面,到兩車集成、多車自動對接等熱門方向。文獻[5]選擇單車單陣面形式,采用整體框架式骨架,天線陣面尺寸為6.4m(方位)×2.48m(俯仰)。文獻[6]與整體框架式不一樣,其單陣面由7節塔天線背架和21根離散的行線源組成,工作時天線陣面口徑15m×13m,運輸時則通過收攏機構把展開高度達13m的天線陣面沿高度方向收攏到3m,滿足運輸限寬要求。文獻[7]研究單車雙陣面形式,陣面由30路裂縫線源組成,每根線源長度6m,由上、下骨架組成。某三坐標雷達天線陣面折展機構由三個部分組成[8],兩翼通過旋轉鉸鏈與中間單元鉸接,運輸時兩翼通過鉸鏈與中間單元折疊,通過適當地設置鉸鏈尺寸位置使陣面之間存在適當的間隙,避免損壞陣面。在多車多陣面對接方向,文獻[9]提出了陣面主塊安裝于轉臺且由天線車運輸,邊塊另外采用天線運輸車輛進行運輸的方案,同時采用楔形曲面定位連接技術實現天線主塊與邊塊及邊塊與邊塊之間的快速拼裝。為了進一步提高大口徑天線的機動性,針對多車的天線快速自動對接,突破了數字化自動測量、伺服控制、天線位姿自動調節等關鍵技術,實現固定天線與移動天線的對接精度控制在0.5mm以內[10-11]。多車多陣面分布形式的結構或組成形式較靈活,其結構及相參的信號處理方式是該體制的突出特點,可大大提高系統的抗干擾能力和戰場生存力[12]。

1.2 陣面設計仿真

現實工程中,天線陣面存在著位移場、溫度場、電磁場等多種物理場的作用,這些工況相互耦合,將導致陣面上天線單元的位置發生偏移或偏轉,從而影響天線性能。很多學者應用力學、熱學、電磁等設計仿真技術,通過建立虛擬模型來分析內在規律和驗證各種工況,在重量、厚度、溫度、風載等參數約束下,為天線陣面的工程設計和拓撲優化提供了可靠的依據,兼顧陣面可設計和可制造性,極大的降低了工程研制的風險。文獻[13]針對某單車雙陣面結構,通過力學仿真在最惡劣工況下(自重、正面32.6m/s風載荷、低溫-40℃、高溫+50℃)的最大載荷變形量為6.5mm(設計指標為7mm),且天線結構剛強度滿足設計要求。文獻[14]針對陣面結構誤差建立了結構與電磁耦合模型,仿真計算得到,陣面結構誤差對天線增益的影響與天線陣面大小無明顯關系;λ/20為滿足天線電性能時的結構誤差臨界值(按增益損失<0.5dB);天線增益指標受陣面平面度影響很明顯,陣元安裝精度影響相對較小。文獻[15]建立了考慮安裝誤差下的相控陣雷達結構-電磁耦合模型,討論了安裝誤差、平面度、型面扭曲對相控陣雷達的性能影響,安裝誤差與陣面平面度主要對旁瓣電平造成影響,而型面扭曲主要影響雷達增益,此外隨著陣元數量的增加,型面扭曲所帶來的影響逐漸減弱。文獻[16]分析了波導縫隙相陣天線陣面的平面度誤差的影響因素,指出了天線性能與誤差的均方根值有關,而并不決定于個別點的誤差最大值,即均方根誤差指標比各個點處對應的變形量誤差更加重要。文獻[17]建立了天線陣機電熱耦合有限元模型,構建了優化數學模型計算調整機構最優調整量,并使調整量公差最大化,達到改善天線陣電性能、減輕加工安裝難度、降低制造成本的目的。

2 過程精度實現

目前,天線陣面的陣面精度過程實現方法主要有精密加工法、裝配調整法和電子補償法等三大類。

在精密加工方面,天線骨架作為關鍵結構部件,一般采用“金屬板材折彎→焊接或鉚接→去應力→整體精密加工→表面處理”的工藝路線來實現[18-19],大型承力結構件采用熱處理等方法充分去除內應力后,通過精密加工技術來保證所有裝配面和裝配接口的尺寸精度和位置精度要求。

在裝配調整方面,針對大型固定式裝備,主要有過渡骨架結構形式和調整機構結構形式[20],前者對載體的建設要求不高,但對過渡骨架的要求高,需保證制造和復裝的精度,后續只能通過局部墊片調整的方式精調陣面精度;后者對載體的建設要求相對較高,但裝配和調整難度降低,且調整靈活,適用于非平面陣面。針對機動式裝備,某單車雙陣面結構,通過調整固定在天線框架上的螺柱高度優化天線陣面平面度[13]。多陣面結構的平面度在調整到位后,一般采用配做銷孔、焊接固定等方式來保證多陣面的重復定位精度。文獻[17]給出了一種基于制造測量誤差的陣面精度補償方法,工作前利用調整機構使天線陣面產生預變形,通過反變形補償使天線陣面正常工作時變形引起的增益損失最小化。

在電子補償方面,在裝配等環節產生的結構變形基礎上,獲取陣面的變形量,通過調整天線單元激勵電流的幅值相位來補償天線陣電參數。文獻[21]通過一種補償陣列天線電流激勵幅值的方法,改善了單元位置誤差引起的電性能惡化問題。文獻[22]則對天線陣相位進行校正來改善天線的波瓣圖。

3 靜態精度測量

在過程精度實現過程中,需要采用靜態、離線精度測量方法進行不同姿態天線陣面精度檢測,指導陣面精度優化調整。目前,天線陣面的平面度測量技術主要有經緯儀、全站儀、工業攝影測量等方法。

經緯儀測量系統是一種實時、非接觸、移動式的大尺寸測量系統,在幾米至幾十米測量范圍內的測量精度可達±(0.02～0.1)mm,但由于其單點測量效率低(1min采集1～2個點)、設站復雜以及對操作人員要求高的特點,在相控陣雷達天線陣面測量中有少量應用[23]。

全站儀在天線裝調過程中應用廣泛,全站儀采用紅外測距,將測距儀小型化并集成在經緯儀系統中,就能同時測量角度和距離,快速測量目標點的三維坐標。在200m的范圍內,測量精度為±(0.2～1.0)mm。針對大型固定式天線陣面,為了實現子陣面姿態的精確調控,解決陣面天線面型檢測、重構以及調整的難題,文獻[24]提出了基于模式重構方法,通過建立子陣面斜率與調整機構調整參數之間數學解析關系的方式來解決該問題;文獻[25]借助平面重構技術,以理想中心平面為基準,借助全站儀球坐標測量原理對陣面輪廓要素進行提取,擬合實建平面輪廓,調整后陣面精度均方根由2.5mm提升至0.66mm。

工業攝影測量是一種瞬間可獲取被測目標大量幾何信息的高精度、非接觸測量方法,典型精度是±10-5×D(D為測量范圍,達數百米,10m范圍內測量精度達0.08mm)[26],特別適合測量點眾多的目標,測量現場工作量相對較少,目前已廣泛應用于天線陣面精度測量。文獻[23]采用該方法測量7m×7m陣面,3100個點,均方根結果為0.375mm。當大型天線陣面需要在不同俯仰角下測量,經緯儀和全站儀均會存在架設困難、測量點可視性差等問題[27],攝影測量則是非常合適的方法。

4 動態監測補償

針對具有高面型精度要求的天線陣面,在裝備交付后的服役環境下,如能準確監測陣面變形信息、實時修正補償誤差,可有效保證雷達性能的穩定輸出。

動態監測技術,目前主要有光學成像法和基于應變信息測量法兩大類。光學成像法有投影云紋干涉法、立體模式識別法等,其中,投影云紋干涉法通過測量被測結構表面特定角度的投影條紋或干涉條紋獲得結構的形變信息,立體模式識別法則通過對被測結構表面的標記點進行三維跟蹤來監測結構的變形狀態[28];目前工業光學成像法對戶外裝備的實用性不高?；趹冃畔y量法采用傳感器布局方式[29-30]進行天線陣面形變的實時測量,然后結合傳感器反饋數據和天線陣面應變模型,實現天線陣面變形場的實時求解,具有數據獲取相對容易、測量過程不受構件尺寸限制以及實時性好等優點。文獻[31]通過在天線陣面敏感層中嵌入光纖Bragg光柵應變傳感器實時測得應變信息,采用模態疊加算法求解天線的變形量。文獻[32]在獲得應變信息后,采用逆向有限元法和分塊擬合的策略,實現了天線陣面變形場的解算。文獻[33]按照一定規律布置陣面加速度傳感器,通過對加速度信號的二次積分得到了陣面相應位置處的振動變形量,提供了一種在動態工況下雷達陣面變形量監測的解決思路。

誤差補償技術,按照作用原理的不同分為兩大類:一類是基于電磁原理的電補償技術,基本原理是根據天線陣面的變形量,推算激勵電流相位和幅值修正量[31,34-35],按照調整目標不同可分為相位補償法和幅相補償法;其中,相位補償法是根據輻射單元位姿變化量反算單元激勵電流相位的修正量,可實現天線最大輻射方向上的性能補償,但對副瓣補償效果不明顯[31];幅相補償法是根據單元位姿的變化反推激勵電流幅值和相位的修正量,可以兼顧主瓣和副瓣補償[34-35]。另一類是基于主動控制的結構補償技術,原理是利用補償機構(如作動器等執行機構)調整天線陣面形態或抑制陣面振動,達到間接補償天線電性能的目的[36-37];美國GBT 110m×100m口徑天線將整個陣面分割為兩千多個小陣面,采用2209個作動器實現大仰角下的陣面保型[38];文獻[39]研究的高頻天線陣面精度的設計指標優于1mm,若按照硬連接模式將無法實現,引入了高精度調整機構后,兼顧各誤差環節,實現了天線陣面多工況下的設計精度要求,實時調整。此外,針對天線陣面大幅度的動態變形問題,文獻[40]將相位補償法和結構補償法相結合,提出了一種調整陣面動態變形的形性混合補償法,利用結構補償改善陣面精度,進一步利用電補償修正天線電性能。

5 結束語

地面相控陣雷達天線陣面精度保證是一項復雜的系統工程技術,涉及到微波、機械、制造、測量、控制、計算機等多個專業學科[41]。本文按照裝備生命周期維度,針對天線陣面總體設計、工藝制造、精度檢測、服役監測等各階段的精度保證關鍵技術進行了綜述,從上述分析可看到,該技術未來發展方向主要體現在以下四方面。

1)為匹配作戰需求的變化,地面裝備天線陣面正朝著口徑極大化和面型高精度發展。固定式裝備的陣面口徑達數千平方米,機動式裝備從單車單陣面逐步發展到多車多陣面協同,機動性要求需要越高;高頻天線對陣面精度要求高,傳統的多層結構硬連接模式已無法滿足設計精度需求,動態調整和補償是趨勢。

2)為保證天線電性能的穩定性,陣面精度保證設計需面向裝備的全生命周期。特別是針對面型高精度需求,精度保證方法從前端的設計仿真驗證,過程技術保證,到交付后的動態調整技術應用,需全過程設計與控制,如圖2所示。

圖2 地面相控陣裝備陣面精度保證面向全壽命周期

3)在數字化轉型背景下,更深入的采用電訊/結構等仿真手段協同天線陣面高質高效設計是發展趨勢。借助于數字孿生等數字技術,陣面機電熱多場耦合模型準確建模、仿真計算算法效能提升等是未來研究的方向。

4)面向復雜的服役環境,天線陣面變形動態監測補償技術是裝備服役后精度保證的關鍵。特別是針對大口徑、輕薄、高精度天線等的應用需求,結構補償法與電補償法有機結合應用是必然,傳感器、變形場、執行機構、補償量等環節還存在眾多基礎技術需要研究和突破。這也是未來雷達智慧感知的內生要求。

最后,本文圍繞地面相控陣雷達天線陣面精度保證技術主題進行了綜述,分析了天線陣面設計仿真、制造過程精度實現、靜態精度測量調整、以及動態精度檢測補償等全流程的核心關鍵技術應用現狀,展望了該技術未來發展方向,為系統方案的全局設計和實現落地提供了新的思路和有益參考。