基于数字孪生的雷达天线测量调控系统设计

程五四　陈帝江　张祥祥　李赞澄

摘要：文章针对基于数字孪生的雷达天线阵面测量调控需求，开发出集测量、分析、调控于一体的数字孪生系统，完成通用系统框架设计开发、系统交互逻辑设计开发、集成模块接口设计开发、数字孪生模型数据库构建、系统集成联调测试等工作，实现天线阵面变形的监控、仿真、可视化与数据存储，对于提升天线装配测量调控能力，缩短装配测量调控周期，提高天线阵面精度装配质量和电性能指标具有重要意义。

关键词：雷达天线阵面；数字孪生；精度测量；变形仿真

中图分类号：TP391；TN95文献标志码：A0引言雷达天线是雷达实现远距离高精度探测的核心组件。随着天线口径的增大，在天线装配过程中的测量调控方面存在以下难题：（1）天线阵面精度难以保证，对快速构建数字化测量场的需求迫切，且在测量精度、效率、自动化程度、测量稳定性、测量置信度等方面都提出了更高的要求；（2）传统测量调控模式存在“测”与“调”过程脱节，缺乏基于测量数据的智能化“测”与“调”快速仿真验证手段；（3）阵面精度与电性能指标耦合关系复杂，缺少对阵面精度与电性能之间耦合规律以及调控策略的研究，无法在“机械精度保证”与“电性能调控”之间快速寻找最优解。如何实现天线阵面精度指标要求，在装配过程中保持精度水平，满足电性能指标，是雷达天线总装过程中的首要任务和亟须解决的难题。

1概述数字孪生作为充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，通过创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，在各个领域逐步开展研究，但其存在产品生命周期各阶段的应用不全面的问题。当前，数字孪生较多地运用在产品运维和健康管理等方面，在雷达天线精密测量调控方面未见相应研究。目前，产品装配技术由理想几何模型仿真为主的虚拟装配逐渐向虚实深度融合的智能化装配方向发展，对产品装配质量和效率的要求不断提高［1］。张晓敏［2］基于装配知识库数据，对装配工艺参数进行实时调整，以满足智能装配的要求。丁国富等［3］针对已有主机厂开发了车间监测面板来实时监控装配工序、作业进度和装配误差，但无法实时展现产品自底向上的动态装配过程，也无法对装配误差进行动态捕捉展示［3］。

综上，针对开发出集测量、分析、调控于一体的数字孪生系统集成接口的需求，本设计完成了通用系统框架设计开发、系统交互逻辑设计开发、集成模块接口设计开发、数字孪生模型数据库构建、系统集成联调测试等工作，提升测量调控数字孪生集成能力。本系统主要用于天线阵面变形的监控、仿真、可视化与数据存储，对提升天线装配测量调控能力，缩短装配测量调控周期，提高天线阵面精度装配质量和电性能指标具有重要意义［4］。

2系统实现笔者基于Unity3D引擎开发出数字孪生的雷达天线测量调控系统，涵盖了通用系统框架设计开发。设计系统软件框架包括：数据读取和解析、算法模型和数字孪生模型加载、算法流程搭建和控制执行、输入数据和结果数据数据库设计等。系统交互逻辑设计开发包括：人机交互设计、原型设计、页面优化、图形化展示、数据可视化UI设计、风格统型开发及实现。集成模块接口设计开发包括：测量及变形可视化模块、机电磁仿真计算模块等数据接口定义，实现远程读取测量数据，调用变形仿真、电性能仿真和优化求解器，可视化计算结果等一系列功能的集成。设计并开发数字孪生模型数据库包括：典型装备数字孪生模型、机电磁耦合模型、数据驱动运动接口等数据。外部参与者包括用户和雷达。用户能够浏览与搜索已有项目，创建并配置项目，删除项目获得监控项目告警，查看项目。用户登录系统之后浏览与搜索已有项目，创建并配置项目，删除项目获得监控项目告警。用户能够管理监控计算，查看监控计算结果，管理仿真计算，查看仿真计算结果，查看测量数据。用例图如图1所示。

基于数字孪生的雷达天线测量调控系統具有以下几项功能。

2.1登录系统用户使用用户名和密码登录系统后，可以实现浏览与搜索已有项目、创建并配置项目、删除项目、查看项目。用户账户锁定后，需要等待一定时间解锁，并输入正确的账号密码组合登录。用户包括普通用户和管理员两种。管理员具有重置密码的权限。

2.2浏览与搜索已有项目用户可以浏览、搜索、排序已经创建了的各个项目。成功登录系统后，系统界面展示出用户所需要查看的项目。在项目列表中，按照默认顺序展示所有项目，用户不仅可以直接在项目列表中浏览项目，也可以设定排序条件或搜索。系统根据用户设定的条件显示出相应的项目，项目列表的默认顺序为：项目名称A～Z。列表中第一个项目是该用户上次打开的项目，可搜索的字段包括：项目名称、所有项目属性。排序条件包括：项目名称、雷达类型、创建日期。

2.3创建并配置项目用户可创建新项目并配置该项目的名称、属性、3D模型、监控计算模型、告警阈值。用户输入项目名称，配置项目属性、3D模型、监控计算模型和阈值，系统检查重名、属性、3D模型、监控计算模型、阈值的合规性，若不满足则提示用户修改。监控计算模型是一个配置文件（预制件），监控配置所需的信息及合规性检查（下拉列表或滑动条等）、3D模型如何检查合规性（名称）、3D模型如何进行数字孪生数据绑定（新增配置文件：3D模型的构建名称层级与数据源的绑定，编辑器内配置AA（Unity Addressable Asset）包）、计算模型如何检查合规性（文件解析）、项目需包含属性（项目名称、地点、时间、客户）。

2.4删除项目用户可删除已创建的项目。用户成功登录系统后，选择需要删除的项目，通过判断是否符合移除条件，并给出无法删除的原因提示。如删除后台正在进行计算的项目，则提示正在计算中，无法移除至回收站。删除条件满足时，启动删除项目事件流，确认删除项目并将项目移至回收站中。通过管理员权限管理，可以将回收站中的项目进行还原或彻底删除。

2.5查看项目用户可查看项目的名称、配置信息、3D模型等基础信息。用户登录系统，可以管理监控计算，查看监控计算结果，获得监控项目告警，管理仿真计算，查看仿真计算结果，查看测量数据等操作。用户不仅可以查看系统展示出项目的名称、配置信息、3D模型等基础信息，还可以查看模型层级信息。

2.6管理監控计算用户可配置监控计算的各项参数并控制计算的开始与停止。用户查看项目：用户成功登录系统并打开某个项目→系统开始计算→开始实时计算事件流→用户选择实时计算标签→用户点击开始计算→系统开始实时计算→开始历史计算事件流→用户选择历史计算标签→用户选择历史时间段或者某次历史测量数据→用户点击开始计算→系统开始历史计算。用户选择的历史计算时间段只能是历史时间段，若用户选择的时间段内无测量数据则提示用户，则不能开始计算。若用户选择的时间段内部分测量数据已计算完成，则提示用户。系统自动跳过已计算过的测量数据，提示是否可在开始计算前修改阈值。

2.7查看监控计算结果用户可查看当前项目所有的监控计算的结果。用户成功登录系统并打开某个项目，系统展示出所有的监控计算结果的信息。浏览所有的监控计算结果，用户根据条件筛选计算结果，选中某次结果并打开，系统展示该次结果的所有信息以及各种雷达装配数据可视化图表。信息包括以下内容：测量时间、计算时间、计算结果、阈值、是否告警、查看详情信息及图表、跳转到仿真计算的按钮。

2.8获得监控项目告警系统推送告警信息至用户界面，用户可以进行查看。系统计算得到超出阈值的告警结果后，推送告警信息至用户界面。用户查看到告警信息后可以点击查看信息或关闭信息。系统展示当次监控计算结果列表包括：项目名称、计算结果值、阈值、时间等信息。

2.9管理仿真计算用户可配置仿真计算的各项参数并开始计算。配置仿真计算模型：系统检查仿真计算模型合规性→配置阈值→系统检查阈值合规性→配置测量数据→系统检查测量数据合规性。点击开始计算后，系统开始仿真计算。仿真计算模型是一个*.m文件，用于电性能仿真算法的调取。

2.10查看仿真计算结果用户可查看当前项目所有的仿真计算结果。用户浏览所有的仿真计算结果并根据条件筛选计算结果，选中某次结果并打开。系统会展示该次结果的所有信息、补偿计算结果显示和导出。

2.11计算结果对比验证仿真计算结果的对比验证展示。用户查看仿真计算结果。用户选中某次仿真计算结果并查看对比验证结果→系统展示对比验证结果的补偿计算→补偿结果展示叠加的各种图表。

2.12查看测量数据查看项目中所有的测量数据。用户成功登录系统并打开某个项目→系统展示出该项目所有的测量数据→用户查看该项目所有的测量数据→用户根据条件筛选测量数据→系统展示筛选后的测量数据，筛选条件包括：记录时间、项目名称等。

2.13存储测量数据系统存储测量数据至测量数据库。雷达产生测量数据或用户已获得测量数据文件。测量数据存储至测量数据库，雷达产生测量数据，系统通过接口存储数据至测量数据库或用户上传测量数据文件。系统存储数据至测量数据库，暂时以离线导入的形式存储数据（用户上传）。

3结语笔者针对基于数字孪生的雷达天线阵面测量调控需求，面向重大装备几何形态和结构力学性能，构建“算测融合、形性一体”的数字孪生［5］，开发出集测量、分析、调控于一体的雷达天线测量调控系统，完成通用系统框架设计开发、系统交互逻辑设计开发、集成模块接口设计开发、数字孪生模型数据库构建、系统集成联调测试等工作，实现天线阵面变形的监控、仿真、可视化与数据存储，对于提升天线装配测量调控能力，缩短装配测量调控周期，提高天线阵面精度装配质量和电性能指标具有重要意义。

参考文献

［1］刘检华，孙清超，程晖.产品装配技术的研究现状、技术内涵及发展趋势［J］.机械工程学报，2018（11）：1-28.

［2］张晓梅.面向航空复杂产品的装配工艺优化设计技术［J］.智能制造，2020（6）：35-38.

［3］丁国富，何旭，张海柱.数字孪生在高速列车生命周期中的应用与挑战［J］.西南交通大学学报，2022（1）：1-18.

［4］程五四，陈帝江，张祥祥.数字孪生在雷达天线阵面装配中的应用［J］.机械，2022（7）：8-13.

［5］宋学官，来孝楠，何西旺，等.重大装备形性一体化数字孪生关键技术［J］.机械工程学报，2022（10）：298-325.

（编辑 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