某場面監(jiān)視雷達結構總體設計

王磊，房景仕，潘永強，張先鋒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088)

某場面監(jiān)視雷達結構總體設計

王磊，房景仕，潘永強，張先鋒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088)

分析了場面監(jiān)視雷達的特點，針對某地基水面監(jiān)視雷達紅外系統(tǒng)設計要求，提出了一體化的并行設計理念，并對雷達結構總體設計進行了分析和計算，解決了整體空間布局設計、天線座集成化設計、支撐架設計、俯仰機構設計、收發(fā)單元設計和熱設計。外場試驗實測數(shù)據(jù)驗證了雷達系統(tǒng)對水面移動物體的探測能力。

場面監(jiān)視雷達;結構總體設計;天線;紅外監(jiān)視

場面監(jiān)視雷達能夠全天候?qū)Φ孛孢\動目標(如行人、運動車輛等)和低空飛行的目標(如直升機)等進行探測和識別，完成重點區(qū)域活動目標的探測和警戒任務［1－3］;而且能夠?qū)抑匾O施(如水壩、輸油管道、機場等)及邊境和海岸等重點區(qū)域進行監(jiān)視保護。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)視雷達的需求逐漸增多。

本研究設計的某場面監(jiān)視雷達作為地基雷達紅外監(jiān)視裝備中的一部分，應用于某大壩水面監(jiān)視。該雷達是我所前期某便攜式雷達的延伸系列型，在充分借鑒繼承原雷達結構的多系統(tǒng)集成設計、商品化設計等優(yōu)點的基礎上，優(yōu)化了雷達系統(tǒng)的空間布局、強化了通風散熱設計、繼承性地把便攜式雷達轉(zhuǎn)化為固定站小型雷達，拓展了該雷達的監(jiān)視適用范圍。以下就雷達結構總體設計、天線座集成化設計、支撐架設計、俯仰機構設計、收發(fā)單元及熱設計進行詳細論述。

1 雷達結構總體設計

該搜索雷達為固定式小型雷達，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，雷達在方位旋轉(zhuǎn)時，不能觸碰這些電纜，使得雷達的空間尺寸進一步減小。該雷達內(nèi)部為封閉腔體，側面為紙蜂窩結構，換熱性能較差，工作溫度較高。

針對該雷達的應用環(huán)境要求，采用一體化的并行設計理念，進行設備的一體化設計。通過合理布局，優(yōu)化結構，進行集成化、輕小型設計:將天線座、天線、收發(fā)、信號等集成于一個單元體，并實現(xiàn)雷達系統(tǒng)和光電系統(tǒng)的融合性結構設計，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)集成度復雜、光電及雷達聯(lián)動等多重難題。

如圖1所示。雷達結構主要包括天線座、俯仰機構、天線、電子設備、風扇、支架等［4］。

圖1 雷達結構組成

2 天線座集成化設計

天線座設計采用一體化的并行設計理念，集成設計多功能小型天線平臺，該轉(zhuǎn)臺尺寸小、重量輕、功能全，其結構集成了驅(qū)動單元、角度反饋單元、回流環(huán)等，可實現(xiàn)扇掃、環(huán)掃、跟蹤等多模式運動［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。結構形式采用大齒輪固定，電機帶動小齒輪圍繞大齒輪旋轉(zhuǎn)。此天線座尺寸小、功能全，為減小雷達的整體空間尺寸提供了基礎。

雷達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:一是電機本身性能不好，噪音大;二是轉(zhuǎn)速快，傳動比大，導致齒輪嚙合產(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，降低電機自身噪音污染;②傳動比不要太大，造成電機滿載轉(zhuǎn)速輸出，降低電機輸出轉(zhuǎn)速;③提高齒輪加工精度，齒輪盡量外購，進行二次加工。采取解決措施之后，雷達噪聲明顯減小，效果顯著。

3 支撐架設計

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

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

4 俯仰機構設計

根據(jù)指標要求，天線俯仰角度范圍為－4～4°，俯仰機構采用調(diào)節(jié)螺桿機構，機構如圖3所示。

圖2 支架受力分析

圖3 天線層結構組成

調(diào)節(jié)螺桿機構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。俯仰機構運動簡圖如圖3所示，則調(diào)節(jié)螺桿的長度L3可以表達為

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)單元設計

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

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 熱設計

由于該雷達工作在雷達罩封閉腔體，雷達罩為紙蜂窩結構，換熱性能較差，內(nèi)部的空氣和外部環(huán)境不能進行有效地交換，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扇，強化散熱，并在天線罩側壁開孔，實現(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、無風扇條件下，在收發(fā)單元中，2個FPGA的溫度最高達到了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。當增加風扇，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 結束語

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

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

［2］許兵.輕型戰(zhàn)場偵察雷達的結構總體設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2005(13):29－30.

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

［4］譚貴紅.大型機動式米波雷達結構總體設計探討［J］.電子機械工程，2010(3):1－4.

［5］房景仕，程輝明.大角度折疊機構的系統(tǒng)設計［J］.雷達科學與技術，2010(10):480－485.

［6］錢海濤，劉湛，程林.新型雷達天線俯仰舉升機構設計［J］.電子機械工程，2012(2):29－32.

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

(責任編輯楊繼森)

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，等.某場面監(jiān)視雷達結構總體設計［J］.四川兵工學報，2014(7):6－8.

10.11809/scbgxb2014.07.003

2014－03－09

王磊(1981—)，男，博士，主要從事雷達結構及傳動設計研究。

TN95