基于數(shù)字孿生的雷達(dá)天線測量調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程五四　陳帝江　張祥祥　李贊澄

摘要：文章針對基于數(shù)字孿生的雷達(dá)天線陣面測量調(diào)控需求，開發(fā)出集測量、分析、調(diào)控于一體的數(shù)字孿生系統(tǒng)，完成通用系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)交互邏輯設(shè)計(jì)開發(fā)、集成模塊接口設(shè)計(jì)開發(fā)、數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)測試等工作，實(shí)現(xiàn)天線陣面變形的監(jiān)控、仿真、可視化與數(shù)據(jù)存儲，對于提升天線裝配測量調(diào)控能力，縮短裝配測量調(diào)控周期，提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標(biāo)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)天線陣面；數(shù)字孿生；精度測量；變形仿真

中圖分類號：TP391；TN95文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言雷達(dá)天線是雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度探測的核心組件。隨著天線口徑的增大，在天線裝配過程中的測量調(diào)控方面存在以下難題：（1）天線陣面精度難以保證，對快速構(gòu)建數(shù)字化測量場的需求迫切，且在測量精度、效率、自動化程度、測量穩(wěn)定性、測量置信度等方面都提出了更高的要求；（2）傳統(tǒng)測量調(diào)控模式存在“測”與“調(diào)”過程脫節(jié)，缺乏基于測量數(shù)據(jù)的智能化“測”與“調(diào)”快速仿真驗(yàn)證手段；（3）陣面精度與電性能指標(biāo)耦合關(guān)系復(fù)雜，缺少對陣面精度與電性能之間耦合規(guī)律以及調(diào)控策略的研究，無法在“機(jī)械精度保證”與“電性能調(diào)控”之間快速尋找最優(yōu)解。如何實(shí)現(xiàn)天線陣面精度指標(biāo)要求，在裝配過程中保持精度水平，滿足電性能指標(biāo)，是雷達(dá)天線總裝過程中的首要任務(wù)和亟須解決的難題。

1概述數(shù)字孿生作為充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，通過創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，在各個領(lǐng)域逐步開展研究，但其存在產(chǎn)品生命周期各階段的應(yīng)用不全面的問題。當(dāng)前，數(shù)字孿生較多地運(yùn)用在產(chǎn)品運(yùn)維和健康管理等方面，在雷達(dá)天線精密測量調(diào)控方面未見相應(yīng)研究。目前，產(chǎn)品裝配技術(shù)由理想幾何模型仿真為主的虛擬裝配逐漸向虛實(shí)深度融合的智能化裝配方向發(fā)展，對產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率的要求不斷提高［1］。張曉敏［2］基于裝配知識庫數(shù)據(jù)，對裝配工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，以滿足智能裝配的要求。丁國富等［3］針對已有主機(jī)廠開發(fā)了車間監(jiān)測面板來實(shí)時監(jiān)控裝配工序、作業(yè)進(jìn)度和裝配誤差，但無法實(shí)時展現(xiàn)產(chǎn)品自底向上的動態(tài)裝配過程，也無法對裝配誤差進(jìn)行動態(tài)捕捉展示［3］。

綜上，針對開發(fā)出集測量、分析、調(diào)控于一體的數(shù)字孿生系統(tǒng)集成接口的需求，本設(shè)計(jì)完成了通用系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)交互邏輯設(shè)計(jì)開發(fā)、集成模塊接口設(shè)計(jì)開發(fā)、數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)測試等工作，提升測量調(diào)控數(shù)字孿生集成能力。本系統(tǒng)主要用于天線陣面變形的監(jiān)控、仿真、可視化與數(shù)據(jù)存儲，對提升天線裝配測量調(diào)控能力，縮短裝配測量調(diào)控周期，提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標(biāo)具有重要意義［4］。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)筆者基于Unity3D引擎開發(fā)出數(shù)字孿生的雷達(dá)天線測量調(diào)控系統(tǒng)，涵蓋了通用系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)開發(fā)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件框架包括：數(shù)據(jù)讀取和解析、算法模型和數(shù)字孿生模型加載、算法流程搭建和控制執(zhí)行、輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)交互邏輯設(shè)計(jì)開發(fā)包括：人機(jī)交互設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)、頁面優(yōu)化、圖形化展示、數(shù)據(jù)可視化UI設(shè)計(jì)、風(fēng)格統(tǒng)型開發(fā)及實(shí)現(xiàn)。集成模塊接口設(shè)計(jì)開發(fā)包括：測量及變形可視化模塊、機(jī)電磁仿真計(jì)算模塊等數(shù)據(jù)接口定義，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程讀取測量數(shù)據(jù)，調(diào)用變形仿真、電性能仿真和優(yōu)化求解器，可視化計(jì)算結(jié)果等一系列功能的集成。設(shè)計(jì)并開發(fā)數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫包括：典型裝備數(shù)字孿生模型、機(jī)電磁耦合模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動運(yùn)動接口等數(shù)據(jù)。外部參與者包括用戶和雷達(dá)。用戶能夠?yàn)g覽與搜索已有項(xiàng)目，創(chuàng)建并配置項(xiàng)目，刪除項(xiàng)目獲得監(jiān)控項(xiàng)目告警，查看項(xiàng)目。用戶登錄系統(tǒng)之后瀏覽與搜索已有項(xiàng)目，創(chuàng)建并配置項(xiàng)目，刪除項(xiàng)目獲得監(jiān)控項(xiàng)目告警。用戶能夠管理監(jiān)控計(jì)算，查看監(jiān)控計(jì)算結(jié)果，管理仿真計(jì)算，查看仿真計(jì)算結(jié)果，查看測量數(shù)據(jù)。用例圖如圖1所示。

基于數(shù)字孿生的雷達(dá)天線測量調(diào)控系統(tǒng)具有以下幾項(xiàng)功能。

2.1登錄系統(tǒng)用戶使用用戶名和密碼登錄系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)瀏覽與搜索已有項(xiàng)目、創(chuàng)建并配置項(xiàng)目、刪除項(xiàng)目、查看項(xiàng)目。用戶賬戶鎖定后，需要等待一定時間解鎖，并輸入正確的賬號密碼組合登錄。用戶包括普通用戶和管理員兩種。管理員具有重置密碼的權(quán)限。

2.2瀏覽與搜索已有項(xiàng)目用戶可以瀏覽、搜索、排序已經(jīng)創(chuàng)建了的各個項(xiàng)目。成功登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)界面展示出用戶所需要查看的項(xiàng)目。在項(xiàng)目列表中，按照默認(rèn)順序展示所有項(xiàng)目，用戶不僅可以直接在項(xiàng)目列表中瀏覽項(xiàng)目，也可以設(shè)定排序條件或搜索。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的條件顯示出相應(yīng)的項(xiàng)目，項(xiàng)目列表的默認(rèn)順序?yàn)椋喉?xiàng)目名稱A～Z。列表中第一個項(xiàng)目是該用戶上次打開的項(xiàng)目，可搜索的字段包括：項(xiàng)目名稱、所有項(xiàng)目屬性。排序條件包括：項(xiàng)目名稱、雷達(dá)類型、創(chuàng)建日期。

2.3創(chuàng)建并配置項(xiàng)目用戶可創(chuàng)建新項(xiàng)目并配置該項(xiàng)目的名稱、屬性、3D模型、監(jiān)控計(jì)算模型、告警閾值。用戶輸入項(xiàng)目名稱，配置項(xiàng)目屬性、3D模型、監(jiān)控計(jì)算模型和閾值，系統(tǒng)檢查重名、屬性、3D模型、監(jiān)控計(jì)算模型、閾值的合規(guī)性，若不滿足則提示用戶修改。監(jiān)控計(jì)算模型是一個配置文件（預(yù)制件），監(jiān)控配置所需的信息及合規(guī)性檢查（下拉列表或滑動條等）、3D模型如何檢查合規(guī)性（名稱）、3D模型如何進(jìn)行數(shù)字孿生數(shù)據(jù)綁定（新增配置文件：3D模型的構(gòu)建名稱層級與數(shù)據(jù)源的綁定，編輯器內(nèi)配置AA（Unity Addressable Asset）包）、計(jì)算模型如何檢查合規(guī)性（文件解析）、項(xiàng)目需包含屬性（項(xiàng)目名稱、地點(diǎn)、時間、客戶）。

2.4刪除項(xiàng)目用戶可刪除已創(chuàng)建的項(xiàng)目。用戶成功登錄系統(tǒng)后，選擇需要刪除的項(xiàng)目，通過判斷是否符合移除條件，并給出無法刪除的原因提示。如刪除后臺正在進(jìn)行計(jì)算的項(xiàng)目，則提示正在計(jì)算中，無法移除至回收站。刪除條件滿足時，啟動刪除項(xiàng)目事件流，確認(rèn)刪除項(xiàng)目并將項(xiàng)目移至回收站中。通過管理員權(quán)限管理，可以將回收站中的項(xiàng)目進(jìn)行還原或徹底刪除。

2.5查看項(xiàng)目用戶可查看項(xiàng)目的名稱、配置信息、3D模型等基礎(chǔ)信息。用戶登錄系統(tǒng)，可以管理監(jiān)控計(jì)算，查看監(jiān)控計(jì)算結(jié)果，獲得監(jiān)控項(xiàng)目告警，管理仿真計(jì)算，查看仿真計(jì)算結(jié)果，查看測量數(shù)據(jù)等操作。用戶不僅可以查看系統(tǒng)展示出項(xiàng)目的名稱、配置信息、3D模型等基礎(chǔ)信息，還可以查看模型層級信息。

2.6管理監(jiān)控計(jì)算用戶可配置監(jiān)控計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)并控制計(jì)算的開始與停止。用戶查看項(xiàng)目：用戶成功登錄系統(tǒng)并打開某個項(xiàng)目→系統(tǒng)開始計(jì)算→開始實(shí)時計(jì)算事件流→用戶選擇實(shí)時計(jì)算標(biāo)簽→用戶點(diǎn)擊開始計(jì)算→系統(tǒng)開始實(shí)時計(jì)算→開始?xì)v史計(jì)算事件流→用戶選擇歷史計(jì)算標(biāo)簽→用戶選擇歷史時間段或者某次歷史測量數(shù)據(jù)→用戶點(diǎn)擊開始計(jì)算→系統(tǒng)開始?xì)v史計(jì)算。用戶選擇的歷史計(jì)算時間段只能是歷史時間段，若用戶選擇的時間段內(nèi)無測量數(shù)據(jù)則提示用戶，則不能開始計(jì)算。若用戶選擇的時間段內(nèi)部分測量數(shù)據(jù)已計(jì)算完成，則提示用戶。系統(tǒng)自動跳過已計(jì)算過的測量數(shù)據(jù)，提示是否可在開始計(jì)算前修改閾值。

2.7查看監(jiān)控計(jì)算結(jié)果用戶可查看當(dāng)前項(xiàng)目所有的監(jiān)控計(jì)算的結(jié)果。用戶成功登錄系統(tǒng)并打開某個項(xiàng)目，系統(tǒng)展示出所有的監(jiān)控計(jì)算結(jié)果的信息。瀏覽所有的監(jiān)控計(jì)算結(jié)果，用戶根據(jù)條件篩選計(jì)算結(jié)果，選中某次結(jié)果并打開，系統(tǒng)展示該次結(jié)果的所有信息以及各種雷達(dá)裝配數(shù)據(jù)可視化圖表。信息包括以下內(nèi)容：測量時間、計(jì)算時間、計(jì)算結(jié)果、閾值、是否告警、查看詳情信息及圖表、跳轉(zhuǎn)到仿真計(jì)算的按鈕。

2.8獲得監(jiān)控項(xiàng)目告警系統(tǒng)推送告警信息至用戶界面，用戶可以進(jìn)行查看。系統(tǒng)計(jì)算得到超出閾值的告警結(jié)果后，推送告警信息至用戶界面。用戶查看到告警信息后可以點(diǎn)擊查看信息或關(guān)閉信息。系統(tǒng)展示當(dāng)次監(jiān)控計(jì)算結(jié)果列表包括：項(xiàng)目名稱、計(jì)算結(jié)果值、閾值、時間等信息。

2.9管理仿真計(jì)算用戶可配置仿真計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)并開始計(jì)算。配置仿真計(jì)算模型：系統(tǒng)檢查仿真計(jì)算模型合規(guī)性→配置閾值→系統(tǒng)檢查閾值合規(guī)性→配置測量數(shù)據(jù)→系統(tǒng)檢查測量數(shù)據(jù)合規(guī)性。點(diǎn)擊開始計(jì)算后，系統(tǒng)開始仿真計(jì)算。仿真計(jì)算模型是一個*.m文件，用于電性能仿真算法的調(diào)取。

2.10查看仿真計(jì)算結(jié)果用戶可查看當(dāng)前項(xiàng)目所有的仿真計(jì)算結(jié)果。用戶瀏覽所有的仿真計(jì)算結(jié)果并根據(jù)條件篩選計(jì)算結(jié)果，選中某次結(jié)果并打開。系統(tǒng)會展示該次結(jié)果的所有信息、補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果顯示和導(dǎo)出。

2.11計(jì)算結(jié)果對比驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的對比驗(yàn)證展示。用戶查看仿真計(jì)算結(jié)果。用戶選中某次仿真計(jì)算結(jié)果并查看對比驗(yàn)證結(jié)果→系統(tǒng)展示對比驗(yàn)證結(jié)果的補(bǔ)償計(jì)算→補(bǔ)償結(jié)果展示疊加的各種圖表。

2.12查看測量數(shù)據(jù)查看項(xiàng)目中所有的測量數(shù)據(jù)。用戶成功登錄系統(tǒng)并打開某個項(xiàng)目→系統(tǒng)展示出該項(xiàng)目所有的測量數(shù)據(jù)→用戶查看該項(xiàng)目所有的測量數(shù)據(jù)→用戶根據(jù)條件篩選測量數(shù)據(jù)→系統(tǒng)展示篩選后的測量數(shù)據(jù)，篩選條件包括：記錄時間、項(xiàng)目名稱等。

2.13存儲測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)存儲測量數(shù)據(jù)至測量數(shù)據(jù)庫。雷達(dá)產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)或用戶已獲得測量數(shù)據(jù)文件。測量數(shù)據(jù)存儲至測量數(shù)據(jù)庫，雷達(dá)產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過接口存儲數(shù)據(jù)至測量數(shù)據(jù)庫或用戶上傳測量數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)至測量數(shù)據(jù)庫，暫時以離線導(dǎo)入的形式存儲數(shù)據(jù)（用戶上傳）。

3結(jié)語筆者針對基于數(shù)字孿生的雷達(dá)天線陣面測量調(diào)控需求，面向重大裝備幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，構(gòu)建“算測融合、形性一體”的數(shù)字孿生［5］，開發(fā)出集測量、分析、調(diào)控于一體的雷達(dá)天線測量調(diào)控系統(tǒng)，完成通用系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)交互邏輯設(shè)計(jì)開發(fā)、集成模塊接口設(shè)計(jì)開發(fā)、數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)測試等工作，實(shí)現(xiàn)天線陣面變形的監(jiān)控、仿真、可視化與數(shù)據(jù)存儲，對于提升天線裝配測量調(diào)控能力，縮短裝配測量調(diào)控周期，提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標(biāo)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

［1］劉檢華，孫清超，程暉.產(chǎn)品裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)內(nèi)涵及發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2018（11）：1-28.

［2］張曉梅.面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.智能制造，2020（6）：35-38.

［3］丁國富，何旭，張海柱.數(shù)字孿生在高速列車生命周期中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2022（1）：1-18.

［4］程五四，陳帝江，張祥祥.數(shù)字孿生在雷達(dá)天線陣面裝配中的應(yīng)用［J］.機(jī)械，2022（7）：8-13.

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（編輯 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