机场激光测云雷达结构设计

赵 斌

(江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210022)

机场激光测云雷达结构设计

赵 斌

(江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210022)

为保障飞行安全，做到24h不间断地提供云底的高度，设计了机场激光测云雷达。该雷达通过发射接收激光回波，分析识别测量出云底高。通过主机箱外型的确定，设备防水密封方法的确立，光学玻璃的安装，并考虑到主机箱对固定式和旋转式结构形式的兼顾性，完成了机场激光测云雷达的结构设计。该设备既提高了气象观测的工作效率，也方便人员的使用和维护。

机场激光测云雷达；结构设计；光学模块；光学玻璃；主机箱

激光测云底高是我国在气象探测技术方面的新技术，可以在野外无人值守的状态下连续工作，24h不间断地提供云底高度数据，既能保证人眼安全，又有较强的探测力。传统的云底高测量方法是靠人工放气球、云雾灯等手段获得具体数值，而激光测云雷达具有较大的技术优势，不仅降低了工作强度，还提高了工作效率。在查阅了各方面的技术资料后，对国外相关设备进行了技术解剖，充分了解了激光测云的特性。在此基础上从结构、硬件、软件等多方面进行了总体方案设计。

1 设备组成及主要功能

机场激光测云雷达主要由两大部分组成：室内设备和室外设备。

室内设备主要由计算机(数据处理、软件设计)、UPS电源(保证电源供应、稳定的电压)、调制解调器(数据接收)等3部分组成。以上设备都由专业的生产厂家提供，为成熟的配套产品，通过外购解决。

室外设备有两种使用方式，所以采用两种结构形式：(1)固定式，只检测固定位置、固定方向的云底高，由主机箱和立柱体组成。(2)旋转式，可以检测不同方向、不同位置的云底高，由主机箱和调角机构(可俯仰调角和水平360°旋转)组成。

室外设备的硬件主要由光学模块(包括激光发射驱动电路、接收放大电路、光学窗口污染监测电路,可以实时采集设备上空的云底高度，最高7 000m，最多可以测量4层云底高)、调制解调器板(数据发送)、控制主板(数据采集/处理)、摄像头(旋转式)和电源模块等组成。室外设备的结构件主要有主机箱(旋转式加摄像头罩)、立柱体(固定式)、调角机构(旋转式)等。

2 主机箱的设计

2.1防水密封

机场激光测云雷达的主要部分在露天使用，决定了激光发射和接收部分、前台处理部分都将面临防水密封问题。因为激光发射要透过光学玻璃镜片，所以机箱要求既不能渗水也不能透气。因为湿气进入机箱，在阳光照射下，将在光学玻璃上结露，影响设备的正常运行，即使少量结露也会影响到设备测量的准确性。以上原因决定了激光测云雷达主机箱的密封性是结构设计的重点。

综合考虑各种因素，选用铝板焊接成型的方法制造箱体。箱盖增加导流防水槽，箱体、箱盖同时加工凹槽，装双层密封条，箱体加工导流缓冲槽。由于主机箱箱体上部成70°斜面的原因，造成淋雨时局部水流对机箱密封条的大力冲击，长时间大暴雨的话会有细小渗透，而设置缓冲槽能有效减小水流，减轻水流对密封条的冲击。密封条用邵氏硬度为18HA～20HA的发泡硅胶定制加工制造，以保证密封条的变型量，很好地解决了防水密封问题。

箱盖采用两把德国生产的不锈钢方型锁锁紧，密封符合IP65和NEMA4标准，能适应苛刻的环境。

光学玻璃镜片和主机箱的粘接使用中蓝晨光化工研究院国家有机硅研究中心生产的中性单组份室温硫化半透明硅橡胶GD-433。

样机在野外试验的过程中陆续发现了不少问题，通过不断设计改进，最终通过了淋雨试验(大桥机器厂淋雨试验室淋雨1h)。

2.2外型

因为主机箱要解决太阳照射对激光器的直射问题，光学玻璃的安装平面为70°斜面，采用厚度为8mm、口径130mm的2块K9光学玻璃分别作为发射和接收系统的窗口，其光学性能可以保证激光发射和接收系统的质量，并具有85%以上的光谱透过率。激光探测发射和接收系统孔径分离，有效孔径102mm。

为保证光学玻璃的清洁和冬天除霜，在主机箱的背面加装了风扇和加热器，将吹风口的位置设置在主机箱的上方，使风扇盒、加热器和主机箱融为一体，整体协调，维修方便。

摄像头(旋转式)安装于主机箱右侧面，既使摄像头和光学模块互不干扰，又保证了摄像头所拍摄到的画面为光学模块发射探测到的云。通过机箱内部走线解决了数据传输及信号线会影响防水效果的问题，保证了摄像头罩的密封。

主机箱通过正面开启，维护修理设备。而安装时，则在主机箱的背面进行操作，使得主机箱可以安装固定于立柱体(固定式)或调角机构(旋转式)上。这样的处理方式，使得在维护修理时，不需要拆装设备，方便了日常的使用和维护。

在设计室外设备其余结构件时，应根据设备野外使用的环境要求，重点解决防腐蚀的问题，使设备在长期的野外使用中能保持良好的使用性能并达到装备年限。所有紧固件均采用不锈钢材料制作，可增强设备的抗腐蚀性。

3 立柱体(固定式)和调角机构(旋转式)的设计

3.1立柱体(固定式)

立柱体的结构设计主要是解决主机箱和立柱体的连接问题，同时又能兼顾旋转式的连接方式。设计重点在于保证主机箱日常使用时相对固定不动地垂直指向天空，而在维护检测时能根据需要平行指向硬目标(实物)进行校准。此问题相对比较好解决，只需通过质量计算找到主机箱的重心。将主机箱和立柱体与调角机构的连接件，设置于主机箱的重心点，有利于旋转式主机箱的转动。主机箱和立柱体之间采用主轴连接，使得主机箱可以安装在立柱体(固定式)上，在去掉少量连接件后，主机箱就能装入调角机构(旋转式)。如此既能做到主机箱结构的相对固定，同时又有很好的互换性，不至因为使用方式的不同，而需改变主机箱的结构。

3.2调角机构(旋转式)

调角机构的结构由俯仰角转动和方位转动两部分组成，设计时主要考虑两部分的结合及转动精度。现有的各种雷达转动方式相对比较成熟，可以借鉴引用，能够满足激光测云雷达对不同方向、不同位置的转动要求。

经过各方的共同努力，完成了机场激光测云雷达结构件的设计和制造，并按GJB 150A军用装备实验室环境试验方法，主要进行了淋雨及盐雾等环境试验，通过了使用方组织的设计定型。机场激光测云雷达的使用提高了气象观测员的工作效率，减轻了工作强度。该雷达结构紧凑，安装方便，现已批量生产，产生了良好的经济效益。

ConstructionDesignofLaserRadarforHeightMeasuringofCloudAdoptedbyAirport

ZHAO Bin

(Jiangsu Radio Factory Co., Ltd.，Jiangsu Nanjing, 210022, China)

For the sake of safety, laser radar for height measuring of cloud provides 24 hours of measuring service. It proposes the construction design of laser radar for height measuring of cloud adopted by airport. This radar transmitts and receives the laser echo, analyzes and measures the height of cloud. This construction design includes the shape of the host box, the solutions for waterproof, optical glass installation, the host box both suitable for fixed and rotary. This not only improves the meteorological observation work efficiency, but also facilitates for use and maintenance.

Laser Radar for Height Measuring of Cloud Adopted by Airport; Construction Design; Optical Module; Optical Glass; the Host Box

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.020

2014-08-13

赵斌(1960—)，男，黑龙江牡丹江人，江苏无线电厂有限公司工程师，主要研究方向为结构设计。

TH765

B

2095-509X(2014)09-0083-02