王磊，房景仕，潘永強(qiáng)，張先鋒

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088)

某場面監(jiān)視雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

王磊，房景仕，潘永強(qiáng)，張先鋒

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088)

分析了場面監(jiān)視雷達(dá)的特點(diǎn)，針對某地基水面監(jiān)視雷達(dá)紅外系統(tǒng)設(shè)計要求，提出了一體化的并行設(shè)計理念，并對雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計進(jìn)行了分析和計算，解決了整體空間布局設(shè)計、天線座集成化設(shè)計、支撐架設(shè)計、俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計、收發(fā)單元設(shè)計和熱設(shè)計。外場試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了雷達(dá)系統(tǒng)對水面移動物體的探測能力。

場面監(jiān)視雷達(dá);結(jié)構(gòu)總體設(shè)計;天線;紅外監(jiān)視

場面監(jiān)視雷達(dá)能夠全天候?qū)Φ孛孢\(yùn)動目標(biāo)(如行人、運(yùn)動車輛等)和低空飛行的目標(biāo)(如直升機(jī))等進(jìn)行探測和識別，完成重點(diǎn)區(qū)域活動目標(biāo)的探測和警戒任務(wù)［1－3］;而且能夠?qū)抑匾O(shè)施(如水壩、輸油管道、機(jī)場等)及邊境和海岸等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視保護(hù)。隨著恐怖主義、不對稱戰(zhàn)爭、武器和毒品走私等對國家安全的威脅不斷增加，場面監(jiān)視雷達(dá)的需求逐漸增多。

本研究設(shè)計的某場面監(jiān)視雷達(dá)作為地基雷達(dá)紅外監(jiān)視裝備中的一部分，應(yīng)用于某大壩水面監(jiān)視。該雷達(dá)是我所前期某便攜式雷達(dá)的延伸系列型，在充分借鑒繼承原雷達(dá)結(jié)構(gòu)的多系統(tǒng)集成設(shè)計、商品化設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了雷達(dá)系統(tǒng)的空間布局、強(qiáng)化了通風(fēng)散熱設(shè)計、繼承性地把便攜式雷達(dá)轉(zhuǎn)化為固定站小型雷達(dá)，拓展了該雷達(dá)的監(jiān)視適用范圍。以下就雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計、天線座集成化設(shè)計、支撐架設(shè)計、俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計、收發(fā)單元及熱設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

該搜索雷達(dá)為固定式小型雷達(dá)，安裝在天線罩內(nèi)。由于光電系統(tǒng)過線電纜安裝在天線罩內(nèi)壁，雷達(dá)在方位旋轉(zhuǎn)時，不能觸碰這些電纜，使得雷達(dá)的空間尺寸進(jìn)一步減小。該雷達(dá)內(nèi)部為封閉腔體，側(cè)面為紙蜂窩結(jié)構(gòu)，換熱性能較差，工作溫度較高。

針對該雷達(dá)的應(yīng)用環(huán)境要求，采用一體化的并行設(shè)計理念，進(jìn)行設(shè)備的一體化設(shè)計。通過合理布局，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，進(jìn)行集成化、輕小型設(shè)計:將天線座、天線、收發(fā)、信號等集成于一個單元體，并實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)和光電系統(tǒng)的融合性結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了狹小空間內(nèi)的電纜連接多、環(huán)控難度大、各系統(tǒng)集成度復(fù)雜、光電及雷達(dá)聯(lián)動等多重難題。

如圖1所示。雷達(dá)結(jié)構(gòu)主要包括天線座、俯仰機(jī)構(gòu)、天線、電子設(shè)備、風(fēng)扇、支架等［4］。

圖1 雷達(dá)結(jié)構(gòu)組成

2 天線座集成化設(shè)計

天線座設(shè)計采用一體化的并行設(shè)計理念，集成設(shè)計多功能小型天線平臺，該轉(zhuǎn)臺尺寸小、重量輕、功能全，其結(jié)構(gòu)集成了驅(qū)動單元、角度反饋單元、回流環(huán)等，可實(shí)現(xiàn)扇掃、環(huán)掃、跟蹤等多模式運(yùn)動［5－7］。

天線座系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)盤、底座、驅(qū)動單元、匯流環(huán)和編碼器等組成，轉(zhuǎn)臺集成在電子集成單元內(nèi)，信號通過匯流環(huán)傳輸。結(jié)構(gòu)形式采用大齒輪固定，電機(jī)帶動小齒輪圍繞大齒輪旋轉(zhuǎn)。此天線座尺寸小、功能全，為減小雷達(dá)的整體空間尺寸提供了基礎(chǔ)。

雷達(dá)工作過程存在一定的噪聲。經(jīng)分析排查，最終確定噪聲主要來自天線座，主要有3個主要方面的原因:一是電機(jī)本身性能不好，噪音大;二是轉(zhuǎn)速快，傳動比大，導(dǎo)致齒輪嚙合產(chǎn)生的噪音;三是齒輪齒面加工精度不高，嚙合不均勻。針對以上問題，采取了以下解決措施:①選擇質(zhì)量好的電機(jī)，降低電機(jī)自身噪音污染;②傳動比不要太大，造成電機(jī)滿載轉(zhuǎn)速輸出，降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速;③提高齒輪加工精度，齒輪盡量外購，進(jìn)行二次加工。采取解決措施之后，雷達(dá)噪聲明顯減小，效果顯著。

3 支撐架設(shè)計

搜索雷達(dá)作為一款固定式小型雷達(dá)，需要長期穩(wěn)定工作。所以本套雷達(dá)在設(shè)計過程中首先要考慮的影響因素是其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。天線座帶動支架轉(zhuǎn)動，而天線、電子設(shè)備、散熱風(fēng)扇等都固定在支架上。因此，支架的設(shè)計必須保證足夠的強(qiáng)度和剛度，同時也要考慮維修性等。

如圖2所示，采用ANSYS軟件對支架進(jìn)行有限元分析。使用SOLID185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到65 845個單元，通過計算可知，殼體的最大應(yīng)力是15.8 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)指標(biāo)要求，天線俯仰角度范圍為－4～4°，俯仰機(jī)構(gòu)采用調(diào)節(jié)螺桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖2 支架受力分析

圖3 天線層結(jié)構(gòu)組成

調(diào)節(jié)螺桿機(jī)構(gòu)一端安裝在支架支耳上，另一端安裝在天線支耳上。通過改變調(diào)節(jié)螺桿的長度來調(diào)整天線的俯仰角度。俯仰機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3所示，則調(diào)節(jié)螺桿的長度L3可以表達(dá)為

式中:L1為天線旋轉(zhuǎn)支耳和調(diào)節(jié)螺桿近天線端支耳的距離; L2為天線旋轉(zhuǎn)支耳和調(diào)節(jié)螺桿近支架端支耳的距離;θ1為L1和垂直線的夾角;θ2為天線和垂直線的夾角。

由于天線俯仰角度范圍為－4～4°，則可以計算得到調(diào)節(jié)螺桿的最小變化長度為22.1 mm。

5 收發(fā)單元設(shè)計

根據(jù)一體化的并行設(shè)計理念，為了滿足電子元件在大壩嚴(yán)酷的溫度環(huán)境，把電子元件的安裝板直接設(shè)計散熱冷板，并將散熱風(fēng)扇安裝在支撐架上。

收發(fā)單元由功放、接收通道、頻綜、信號處理板、伺服驅(qū)動板、電源模塊、環(huán)行器、電纜、接插件、散熱冷板等組成;各電子元器件安裝于散熱冷板上，同時散熱蓋板又作為安裝蓋板使用。

6 熱設(shè)計

由于該雷達(dá)工作在雷達(dá)罩封閉腔體，雷達(dá)罩為紙蜂窩結(jié)構(gòu)，換熱性能較差，內(nèi)部的空氣和外部環(huán)境不能進(jìn)行有效地交換，熱量僅僅通過上下壁面?zhèn)鞒?，傳熱效果較差，工作溫度較高，為了滿足散熱要求，散熱蓋板后面加工有一定高度的散熱翅片，并在散熱翅片附近增加風(fēng)扇，強(qiáng)化散熱，并在天線罩側(cè)壁開孔，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)空氣和外界的有效交換。

在環(huán)境溫度55℃、考慮太陽輻射、無風(fēng)扇條件下，在收發(fā)單元中，2個FPGA的溫度最高達(dá)到了98.6℃，而此時腔體的溫度約為72℃，如圖4(a)所示，不能滿足芯片的工作溫度要求。當(dāng)增加風(fēng)扇，在天線罩上開孔后，F(xiàn)PGA的最高溫度為80.4℃，如圖4(b)所示，滿足工作要求。

圖4 收發(fā)單元溫度分布

7 結(jié)束語

針對地基水面監(jiān)視雷達(dá)紅外系統(tǒng)的需求，提出了基于一體化的并行設(shè)計理念的結(jié)構(gòu)設(shè)備的一體化設(shè)計。通過整體空間布局一體化設(shè)計，雷達(dá)空間利用合理，布局美觀協(xié)調(diào)合理。系統(tǒng)工程樣機(jī)通過了多次外場試驗(yàn)測試，在扇掃模式下，對某型號快艇進(jìn)行探測測試結(jié)果表現(xiàn)良好，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求，滿足用戶的使用要求。

［1］李斌，張冠杰.場面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)發(fā)展綜述［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2010(6):1－7.

［2］許兵.輕型戰(zhàn)場偵察雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(13):29－30.

［3］王鴻燕，謝薇.陸軍的耳目——場面監(jiān)視雷達(dá)［J］.現(xiàn)代軍事，2004(7):41－44.

［4］譚貴紅.大型機(jī)動式米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計探討［J］.電子機(jī)械工程，2010(3):1－4.

［5］房景仕，程輝明.大角度折疊機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010(10):480－485.

［6］錢海濤，劉湛，程林.新型雷達(dá)天線俯仰舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計［J］.電子機(jī)械工程，2012(2):29－32.

［7］段勇軍，顧吉豐，平麗浩，等.雷達(dá)天線座模態(tài)分析與試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010(2):214－216.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Structure Design of a Surface M ovement Radar

WANG Lei，F(xiàn)ANG Jing－shi，PAN Yong－qiang，ZHANG Xian－feng
(The 38th Research，Institute of CETC，Hefei230088，China)

The characteristic of the Surface Movement Radar(SMR)is analyzed，and for the demand of the surface surveillance system design，the key technology and necessary calculations of structure system design for the surfacemovement radar are discussed in the paper.The overall spatial layout design，antenna pedestal integrated design，support frame design，pitchmechanism design，transmit－receive system design aremainly discussed.It is crucial to solve these technical problems properly.The outfield test and measured data validate the detect capability of the system design.

surfacemovement radar;general structure design;antenna;infrared surveillance

:A

1006－0707(2014)07－0006－03

format:WANG Lei，F(xiàn)ANG Jing－shi，PAN Yong－qiang，et al.Structure Design of a Surface Movement Radar［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):6－8.

本文引用格式:王磊，房景仕，潘永強(qiáng)，等.某場面監(jiān)視雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計［J］.四川兵工學(xué)報，2014(7):6－8.

10.11809/scbgxb2014.07.003

2014－03－09

王磊(1981—)，男，博士，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計研究。

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