地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术综述与展望

李 敏

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

地面相控阵雷达具备反应时间短、波束控制灵活、多目标处理等特点,已成为国防领域中不可或缺的核心装备之一[1];其天线阵面由若干阵元构成,阵元的安装位置固定,是一个涵盖了电磁场、热力学、机械设计等多种学科的复杂机械电子系统[2];该系统通常在复杂、多变的环境下工作,天线阵面的设计、加工、装配、测量、使用过程中的自重、振动、风载、温度等全生命周期各环节产生的偏差均会引起辐射信号的相位误差,进而影响雷达天线波瓣增益、波束指向精度等关键技战术指标[3]。因此,控制和保证天线阵面的设计精度和平面度已成为关键技术之一,其水平直接决定雷达系统性能和可靠性。

针对该问题,国内外学者进行了大量研究,文献数量众多,为提升雷达系统性能起到了推进作用,但大部分偏重于研究单一环节的精度最优和性能保证,本文将着力于地面相控阵雷达装备研制和使用环节的全生命周期,聚焦阵面精度保证技术,重点对天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度检测补偿等全流程的核心关键技术进行综述和分析,为该技术的深层次推广和工程应用提供解决方案和有益借鉴。

1 设计仿真评估

1.1 阵面总体设计

根据地面相控阵雷达装备装载方式和阵面总体设计情况,主要分为固定式、机动式、及便携式等类型,具体分类如图1所示,本文不讨论便携式类型。

图1 地面相控阵装备基于装载方式分类

固定式装备分为完全固定式和方位(或)俯仰可动式。完全固定式装备的天线阵面总体布局一般以设备大楼或天线楼等载体为依托,天线阵面安装在载体的斜面上,电子设备安装在载体内部。方位(或)俯仰可动式装备的天线阵面和阵面设备一般安装在高精度钢构天线骨架上,电子设备安装在骨架内部,天线骨架则安装于方位(或)俯仰可调的天线座上。典型的完全固定式装备如国内某大型固定式装备[4]基于钢构骨架,阵面口径超过1000m2;俄罗斯的沃罗涅日-M(增强型)雷达基于米波段的相扫体制,完全固定式阵面口径约1800m2。典型的方位(或)俯仰可动式装备如美国的GBR-P、XBR等装备,采用X频段,相扫和机扫相结合,阵面口径约120m2。在阵面总体设计时,为满足系统架构和结构布局、尺寸精度、环境适应性、维修性、包装、运输、吊装等需求,需将天线阵面合理分块形成子阵,简化和规范子阵外部电讯和结构接口形式,每个子阵都具备完整的结构和电讯性能,可独立工作,作为阵面可更换基本单元。

机动式装备分为单车机动式和多车机动式。在机动运输、部署能力和战场生存能力等需求下,其天线阵面的结构布局和工艺实现是关键工程技术之一。特别是针对大口径车载天线阵面的机动运输问题,通常采用天线俯仰实现工作状态和运输状态间的快速转换,以解决运输界限中的限高问题;采用天线阵面折叠实现天线阵面展开和收拢,以解决运输界限中的限宽问题。因此,机动式装备的研究覆盖了单车单阵面、单车多阵面,到两车集成、多车自动对接等热门方向。文献[5]选择单车单阵面形式,采用整体框架式骨架,天线阵面尺寸为6.4m(方位)×2.48m(俯仰)。文献[6]与整体框架式不一样,其单阵面由7节塔天线背架和21根离散的行线源组成,工作时天线阵面口径15m×13m,运输时则通过收拢机构把展开高度达13m的天线阵面沿高度方向收拢到3m,满足运输限宽要求。文献[7]研究单车双阵面形式,阵面由30路裂缝线源组成,每根线源长度6m,由上、下骨架组成。某三坐标雷达天线阵面折展机构由三个部分组成[8],两翼通过旋转铰链与中间单元铰接,运输时两翼通过铰链与中间单元折叠,通过适当地设置铰链尺寸位置使阵面之间存在适当的间隙,避免损坏阵面。在多车多阵面对接方向,文献[9]提出了阵面主块安装于转台且由天线车运输,边块另外采用天线运输车辆进行运输的方案,同时采用楔形曲面定位连接技术实现天线主块与边块及边块与边块之间的快速拼装。为了进一步提高大口径天线的机动性,针对多车的天线快速自动对接,突破了数字化自动测量、伺服控制、天线位姿自动调节等关键技术,实现固定天线与移动天线的对接精度控制在0.5mm以内[10-11]。多车多阵面分布形式的结构或组成形式较灵活,其结构及相参的信号处理方式是该体制的突出特点,可大大提高系统的抗干扰能力和战场生存力[12]。

1.2 阵面设计仿真

现实工程中,天线阵面存在着位移场、温度场、电磁场等多种物理场的作用,这些工况相互耦合,将导致阵面上天线单元的位置发生偏移或偏转,从而影响天线性能。很多学者应用力学、热学、电磁等设计仿真技术,通过建立虚拟模型来分析内在规律和验证各种工况,在重量、厚度、温度、风载等参数约束下,为天线阵面的工程设计和拓扑优化提供了可靠的依据,兼顾阵面可设计和可制造性,极大的降低了工程研制的风险。文献[13]针对某单车双阵面结构,通过力学仿真在最恶劣工况下(自重、正面32.6m/s风载荷、低温-40℃、高温+50℃)的最大载荷变形量为6.5mm(设计指标为7mm),且天线结构刚强度满足设计要求。文献[14]针对阵面结构误差建立了结构与电磁耦合模型,仿真计算得到,阵面结构误差对天线增益的影响与天线阵面大小无明显关系;λ/20为满足天线电性能时的结构误差临界值(按增益损失<0.5dB);天线增益指标受阵面平面度影响很明显,阵元安装精度影响相对较小。文献[15]建立了考虑安装误差下的相控阵雷达结构-电磁耦合模型,讨论了安装误差、平面度、型面扭曲对相控阵雷达的性能影响,安装误差与阵面平面度主要对旁瓣电平造成影响,而型面扭曲主要影响雷达增益,此外随着阵元数量的增加,型面扭曲所带来的影响逐渐减弱。文献[16]分析了波导缝隙相阵天线阵面的平面度误差的影响因素,指出了天线性能与误差的均方根值有关,而并不决定于个别点的误差最大值,即均方根误差指标比各个点处对应的变形量误差更加重要。文献[17]建立了天线阵机电热耦合有限元模型,构建了优化数学模型计算调整机构最优调整量,并使调整量公差最大化,达到改善天线阵电性能、减轻加工安装难度、降低制造成本的目的。

2 过程精度实现

目前,天线阵面的阵面精度过程实现方法主要有精密加工法、装配调整法和电子补偿法等三大类。

在精密加工方面,天线骨架作为关键结构部件,一般采用“金属板材折弯→焊接或铆接→去应力→整体精密加工→表面处理”的工艺路线来实现[18-19],大型承力结构件采用热处理等方法充分去除内应力后,通过精密加工技术来保证所有装配面和装配接口的尺寸精度和位置精度要求。

在装配调整方面,针对大型固定式装备,主要有过渡骨架结构形式和调整机构结构形式[20],前者对载体的建设要求不高,但对过渡骨架的要求高,需保证制造和复装的精度,后续只能通过局部垫片调整的方式精调阵面精度;后者对载体的建设要求相对较高,但装配和调整难度降低,且调整灵活,适用于非平面阵面。针对机动式装备,某单车双阵面结构,通过调整固定在天线框架上的螺柱高度优化天线阵面平面度[13]。多阵面结构的平面度在调整到位后,一般采用配做销孔、焊接固定等方式来保证多阵面的重复定位精度。文献[17]给出了一种基于制造测量误差的阵面精度补偿方法,工作前利用调整机构使天线阵面产生预变形,通过反变形补偿使天线阵面正常工作时变形引起的增益损失最小化。

在电子补偿方面,在装配等环节产生的结构变形基础上,获取阵面的变形量,通过调整天线单元激励电流的幅值相位来补偿天线阵电参数。文献[21]通过一种补偿阵列天线电流激励幅值的方法,改善了单元位置误差引起的电性能恶化问题。文献[22]则对天线阵相位进行校正来改善天线的波瓣图。

3 静态精度测量

在过程精度实现过程中,需要采用静态、离线精度测量方法进行不同姿态天线阵面精度检测,指导阵面精度优化调整。目前,天线阵面的平面度测量技术主要有经纬仪、全站仪、工业摄影测量等方法。

经纬仪测量系统是一种实时、非接触、移动式的大尺寸测量系统,在几米至几十米测量范围内的测量精度可达±(0.02～0.1)mm,但由于其单点测量效率低(1min采集1～2个点)、设站复杂以及对操作人员要求高的特点,在相控阵雷达天线阵面测量中有少量应用[23]。

全站仪在天线装调过程中应用广泛,全站仪采用红外测距,将测距仪小型化并集成在经纬仪系统中,就能同时测量角度和距离,快速测量目标点的三维坐标。在200m的范围内,测量精度为±(0.2～1.0)mm。针对大型固定式天线阵面,为了实现子阵面姿态的精确调控,解决阵面天线面型检测、重构以及调整的难题,文献[24]提出了基于模式重构方法,通过建立子阵面斜率与调整机构调整参数之间数学解析关系的方式来解决该问题;文献[25]借助平面重构技术,以理想中心平面为基准,借助全站仪球坐标测量原理对阵面轮廓要素进行提取,拟合实建平面轮廓,调整后阵面精度均方根由2.5mm提升至0.66mm。

工业摄影测量是一种瞬间可获取被测目标大量几何信息的高精度、非接触测量方法,典型精度是±10-5×D(D为测量范围,达数百米,10m范围内测量精度达0.08mm)[26],特别适合测量点众多的目标,测量现场工作量相对较少,目前已广泛应用于天线阵面精度测量。文献[23]采用该方法测量7m×7m阵面,3100个点,均方根结果为0.375mm。当大型天线阵面需要在不同俯仰角下测量,经纬仪和全站仪均会存在架设困难、测量点可视性差等问题[27],摄影测量则是非常合适的方法。

4 动态监测补偿

针对具有高面型精度要求的天线阵面,在装备交付后的服役环境下,如能准确监测阵面变形信息、实时修正补偿误差,可有效保证雷达性能的稳定输出。

动态监测技术,目前主要有光学成像法和基于应变信息测量法两大类。光学成像法有投影云纹干涉法、立体模式识别法等,其中,投影云纹干涉法通过测量被测结构表面特定角度的投影条纹或干涉条纹获得结构的形变信息,立体模式识别法则通过对被测结构表面的标记点进行三维跟踪来监测结构的变形状态[28];目前工业光学成像法对户外装备的实用性不高。基于应变信息测量法采用传感器布局方式[29-30]进行天线阵面形变的实时测量,然后结合传感器反馈数据和天线阵面应变模型,实现天线阵面变形场的实时求解,具有数据获取相对容易、测量过程不受构件尺寸限制以及实时性好等优点。文献[31]通过在天线阵面敏感层中嵌入光纤Bragg光栅应变传感器实时测得应变信息,采用模态叠加算法求解天线的变形量。文献[32]在获得应变信息后,采用逆向有限元法和分块拟合的策略,实现了天线阵面变形场的解算。文献[33]按照一定规律布置阵面加速度传感器,通过对加速度信号的二次积分得到了阵面相应位置处的振动变形量,提供了一种在动态工况下雷达阵面变形量监测的解决思路。

误差补偿技术,按照作用原理的不同分为两大类:一类是基于电磁原理的电补偿技术,基本原理是根据天线阵面的变形量,推算激励电流相位和幅值修正量[31,34-35],按照调整目标不同可分为相位补偿法和幅相补偿法;其中,相位补偿法是根据辐射单元位姿变化量反算单元激励电流相位的修正量,可实现天线最大辐射方向上的性能补偿,但对副瓣补偿效果不明显[31];幅相补偿法是根据单元位姿的变化反推激励电流幅值和相位的修正量,可以兼顾主瓣和副瓣补偿[34-35]。另一类是基于主动控制的结构补偿技术,原理是利用补偿机构(如作动器等执行机构)调整天线阵面形态或抑制阵面振动,达到间接补偿天线电性能的目的[36-37];美国GBT 110m×100m口径天线将整个阵面分割为两千多个小阵面,采用2209个作动器实现大仰角下的阵面保型[38];文献[39]研究的高频天线阵面精度的设计指标优于1mm,若按照硬连接模式将无法实现,引入了高精度调整机构后,兼顾各误差环节,实现了天线阵面多工况下的设计精度要求,实时调整。此外,针对天线阵面大幅度的动态变形问题,文献[40]将相位补偿法和结构补偿法相结合,提出了一种调整阵面动态变形的形性混合补偿法,利用结构补偿改善阵面精度,进一步利用电补偿修正天线电性能。

5 结束语

地面相控阵雷达天线阵面精度保证是一项复杂的系统工程技术,涉及到微波、机械、制造、测量、控制、计算机等多个专业学科[41]。本文按照装备生命周期维度,针对天线阵面总体设计、工艺制造、精度检测、服役监测等各阶段的精度保证关键技术进行了综述,从上述分析可看到,该技术未来发展方向主要体现在以下四方面。

1)为匹配作战需求的变化,地面装备天线阵面正朝着口径极大化和面型高精度发展。固定式装备的阵面口径达数千平方米,机动式装备从单车单阵面逐步发展到多车多阵面协同,机动性要求需要越高;高频天线对阵面精度要求高,传统的多层结构硬连接模式已无法满足设计精度需求,动态调整和补偿是趋势。

2)为保证天线电性能的稳定性,阵面精度保证设计需面向装备的全生命周期。特别是针对面型高精度需求,精度保证方法从前端的设计仿真验证,过程技术保证,到交付后的动态调整技术应用,需全过程设计与控制,如图2所示。

图2 地面相控阵装备阵面精度保证面向全寿命周期

3)在数字化转型背景下,更深入的采用电讯/结构等仿真手段协同天线阵面高质高效设计是发展趋势。借助于数字孪生等数字技术,阵面机电热多场耦合模型准确建模、仿真计算算法效能提升等是未来研究的方向。

4)面向复杂的服役环境,天线阵面变形动态监测补偿技术是装备服役后精度保证的关键。特别是针对大口径、轻薄、高精度天线等的应用需求,结构补偿法与电补偿法有机结合应用是必然,传感器、变形场、执行机构、补偿量等环节还存在众多基础技术需要研究和突破。这也是未来雷达智慧感知的内生要求。

最后,本文围绕地面相控阵雷达天线阵面精度保证技术主题进行了综述,分析了天线阵面设计仿真、制造过程精度实现、静态精度测量调整、以及动态精度检测补偿等全流程的核心关键技术应用现状,展望了该技术未来发展方向,为系统方案的全局设计和实现落地提供了新的思路和有益参考。