一种用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架

1.本发明属于航空测量领域，尤其是一种合成孔径雷达需求的飞机改装构型，具体涉及用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架。


背景技术：

2.三维成像雷达需要在飞机上集成安装机载设备和多套阵列式布局的天线，阵列天线要求长基线、小变形以及良好的多径效应抑制。
3.三维成像雷达需要实现高程精度的精确测量以及三维成像能力，对于基线变化误差存在很高的要求。在测量地面高程时，采用比较两幅具有主从关系的天线获取图像对中对应像素点的相位，即可利用干涉仪原理确定各像素点对应目标的高度信息，并通过对这两幅复图像的相位进行特定处理来获得每个散射点的高度信息，从而得到具有较高精度的三维数字地形图。如图1所示，其相关原理如下：
4.s1、s2分别为两端两个天线的相位中心，高度均为h0，二者连线为水平基线，长度为b，p点为地面某测量点，高度为h，s1与p连线与垂直方向夹角为θ，s1点到p点的距离为r1，s2到p点的距离为r2。
5.根据图1两天线相位中心s1、s2与地面上的散射点p之间的几何关系可知：
6.h＝h
0-r
1 cosθ
7.下视角θ、斜距r1和高度h0之间的关系，在δs1s2p中，由余弦定理得到：
[0008][0009]
由于r1≈r2且＞＞b，可得：
[0010][0011]
又根据距离差r
1-r2、相位差φ、波长λ的关系可知：
[0012][0013]
则可得到高程h相对于基线长度b的敏感度方程：
[0014][0015]
根据上式，当飞行高度h0为4km，高程精度要求为0.5m，基线长度b＝4.2m，天线中心下视角为48
°
，距离向波束宽度为25
°
，地面高程起伏在300m以内时，可得基线长度的误差最小为0.17mm。考虑其他影响较小的测量误差如基线角误差、干涉相位误差、运动补偿相位误差的因素，基线长度误差设定为0.1mm，即任意两组天线相位中心之间的相对变形量不大于0.1mm。
[0016]
在现有飞机改装技术中，满足成像雷达长基线需求的构型，基本是桁架结构两端
悬挂吊舱的结构形式，基线水平只能达到2米左右，相对变形量仅能达到毫米量级，无法满足三维成像雷达超过3米的基线且0.1mm相对变形量的需求。


技术实现要素：

[0017]
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架。本发明能够解决飞行平台长基线和强刚度问题，在基线和刚性方面均比现有水平有了很大提升，满足阵列雷达的三维成像需求。
[0018]
为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：
[0019]
一种用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架，所述桁架用于安装在固定翼飞机上，包括桁架组件、拉杆组件、天线罩组件、天线组件以及电磁波吸收组件；其中：
[0020]
所述固定翼飞机，数量为1架，机身和翼展长度不小于10m；
[0021]
所述桁架组件在飞行平台机腹下侧提供了一个安装平面，为任务载荷的搭载提供了集成安装接口，并为设备线缆组件及环控系统提供了安装使用空间；
[0022]
所述拉杆组件将飞行平台与桁架组件连接起来；
[0023]
所述天线罩组件为任务载荷提供安装使用空间；
[0024]
所述电磁波吸收组件起到了多径效应抑制作用，保证了任务载荷良好的成像性能；
[0025]
优选地，所述桁架组件外形为平板状，由桁架、隔框、横梁和卡箍组成，采用铝合金厚板7050-t7451整体机加而成，长度不小于3米，沿翼展方向对称安装在飞机腹部下方，桁架前后缘和左右两侧布置由隔框和横梁构成的整流罩支架，由铝合金板2024-t351机加而成，用于天线罩的对接和支撑，卡箍布置在雷达安装面上，用于线缆或管路的固定和绑扎；桁架组件在满足接口需求的前提下，进行了轻量化设计，整体采用“工”字型结构以及加强梁、加强筋的布设，既能保证较强的结构强度和刚度，又能达到减重的目的。
[0026]
优选地，所述拉杆组件共6套，在飞机两侧沿航向前后布置4套，在飞机腹部正下方沿航向前后布置2套，由拉杆、接头组成，桁架与机身通过接头、拉杆的形式连接在机腹和侧壁长桁处，拉杆和接头由铝合金板7050-t7451机加而成，并在螺栓安装孔处装有钢制衬套，以减少铝合金结构的磨损；桁架结构共配置8处连接接头，拉杆采用“水滴”状结构形式，保证强度的同时又大大减小了气动阻力，方便拆卸和换装，易于维护；桁架组件、机身与拉杆组件三者相互连接，形成了左前侧、左后侧、右前侧、右后侧共四组“三角”形结构形式，大大增加了桁架结构刚度。
[0027]
优选地，所述天线罩组件由多个天线罩组成，天线罩均布排列在桁架组件底面，数量不少于3个，天线罩由法兰盘、等截面透波区域和前后整流罩组成，采用复合材料设计，等截面透波区域采用蜂窝夹层结构型式，由内外层面板加纸蜂窝芯干法成型，前、后整流处不需要透波的区域采用纯玻璃钢材质来提高结构强度，天线罩通过不锈钢螺栓与桁架本体连接，天线罩法兰盘上设置电搭接孔实现防雷击设计，天线罩底部采取预埋非金属排水法兰件的形式设置排水孔实现排水设计；天线罩构型设计既保证了雷达天线的可用空间尺寸及透波指标要求，又进行了前后整流设计，整体的气动外形良好。
[0028]
优选地，所述天线组件由三维成像雷达阵列天线及安装结构件组成，天线组件与天线罩数量一致，分别独立安装在各个天线罩内，阵列天线整体为长方体形状，前后端面可
集成机械、电气、通信、环控接口，与天线发射面相邻的两侧面，一侧可提供接口与桁架组件进行连接，另一侧提供平整面，以便贴敷电磁波吸收组件；天线发射面或接收面包络于天线罩等截面透波区域内，线缆或环控管路在结构件上进行绑扎固定。
[0029]
优选地，所述电磁波吸收组件贴敷在天线罩内侧面、底部法兰面以及天线结构表面，其工作频段与天线工作频段保持一致，有效降低天线罩组件、桁架组件和天线组件表面电磁波反射，减小天线相位方向图相位误差；电磁波吸收组件工作频段范围从230mhz到40ghz，覆盖p波段、l波段、s波段、c波段、x波段、ku波段、k波段、ka波段，电磁波吸收组件材料包括rat/rkt/rm/ral/rac/rach/raph橡胶平板、fct/sat/sml/frt/frc泡沫平板、egt聚合物薄片、树脂吸波片、高分子复合涂料。
[0030]
优选地，所述用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架构型，多个天线罩阵列排布，基线长度不小于3000mm，且任意两组天线相位中心之间的相对变形不大于0.1mm。
[0031]
有益效果：
[0032]
从上述技术方案可以看出，本发明的一种用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架构型，解决了现有观测平台安装空间不足和天线间成像相互干扰问题，具有改装简单、使用灵活的优点。
附图说明
[0033]
图1为双天线干涉测量高程示意图；
[0034]
图2为桁架整体示意图；
[0035]
图3为桁架整体爆炸图；
[0036]
图4为桁架组件示意图；
[0037]
图5为拉杆组件示意图；
[0038]
图6为天线罩组件示意图；
[0039]
图7为天线组件示意图；
[0040]
图8为电磁波吸收组件示意图。
[0041]
其中：图中，1、固定翼飞机；2、桁架组件；3、拉杆组件；4、天线罩组件；5、天线组件；6、电磁波吸收组件；7、桁架；8、隔框；9、横梁；10、卡箍；11、拉杆；12、接头；13、天线罩法兰面电磁波吸收材料；14、天线罩内侧面电磁波吸收材料；15、天线支架电磁波吸收材料。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0043]
根据本发明的实施例，如图2-图8所示，本发明实施例提出一种用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架，包括固定翼飞机1、桁架组件2、拉杆组件3、天线罩组件4、天线组件5以及电磁波吸收组件6。其中：
[0044]
所述固定翼飞机1，依托于国家大科学装置所用飞行平台—新舟60遥感飞机，翼展29.2m，机长24.71m。
[0045]
所述桁架组件2，在飞行平台机腹下侧提供一个安装平面，为任务载荷的搭载提供
集成安装接口，并为设备线缆组件及环控系统提供安装使用空间；
[0046]
如图2、4所示，桁架组件2外形为平板状，包括桁架7、隔框8、横梁9和卡箍10，桁架7采用铝合金厚板7050-t7451整体机加而成，轮廓尺寸4626mm
×
1087mm
×
100mm，沿翼展方向对称安装在飞机腹部下方，桁架7前后缘和左右两侧布置由隔框8和横梁9构成的整流罩支架，由铝合金板2024-t351机加而成，用于天线罩的对接和支撑，卡箍10布置在雷达安装面上，用于线缆或管路的固定和绑扎；桁架结构在满足接口需求的前提下，进行了轻量化设计，整体采用“工”字型结构以及加强梁、加强筋的布设，既能保证较强的结构强度和刚度，又能达到减重的目的。
[0047]
所述拉杆组件3将飞行平台与桁架结构连接起来，如图5所示，拉杆组件3共6套，在飞机两侧沿航向前后布置4套，在飞机腹部正下方沿航向前后布置2套，拉杆组件3由拉杆11、接头12组成，桁架与机身通过接头、拉杆的形式连接在机腹左右3长桁和侧壁15长桁处，拉杆11和接头12由铝合金板7050-t7451机加而成，并在螺栓安装孔处装有钢制衬套，以减少铝合金结构的磨损；桁架7共配置8处连接点，拉杆11采用“水滴”状结构形式，保证强度的同时又大大减小了气动阻力，方便拆卸和换装，易于维护；桁架7、机身与拉杆组件3三者相互连接，形成了左前侧、左后侧、右前侧、右后侧共四组的“三角”形结构形式，大大增加了桁架结构刚度。
[0048]
所述天线罩组件4为任务载荷提供了安装使用空间，如图6所示，天线罩组件4位于桁架底面，均布排列，数量为8套，其中，中间6套天线罩轮廓尺寸为1355mm
×
262mm
×
600mm，左右两端2套天线罩轮廓尺寸为1355mm
×
262mm
×
480mm，设备安装可用空间为1250mm
×
254mm
×
290mm，相邻两个天线罩间距为600mm；天线罩由法兰盘、等截面透波区域和前后整流罩组成，采用复合材料设计，等截面透波区域采用蜂窝夹层结构型式，由内外层面板加纸蜂窝芯干法成型，前后整流罩处不需要透波的区域采用纯玻璃钢材质来提高结构强度，天线罩通过不锈钢螺栓与桁架本体连接；天线罩法兰盘上设置电搭接孔实现防雷击设计，天线罩底部采取预埋非金属排水法兰件的形式设置排水孔实现排水设计；天线罩构型设计既保证了雷达天线的可用空间尺寸及透波指标要求，又进行了前后整流设计，整体的气动外形良好。
[0049]
所述天线组件5挂载在桁架组件2下方，由三维成像雷达阵列天线及安装结构件组成，如图7所示，天线组件与天线罩数量一致，分别独立安装在各个天线罩内，阵列天线整体为长方体形状，前后端面可集成机械、电气、通信、环控接口，与天线发射面相邻的两侧面，一侧提供接口与桁架组件进行连接，另一侧提供平整面，以便贴敷电磁波吸收组件；天线发射面或接收面包络于天线罩等截面透波区域内，线缆或环控管路在结构件上进行绑扎固定；8组天线组件，共分两种类型，一种是如图7中的“天线1”，数量2个，包络尺寸600mm
×
169mm
×
115mm，安装在第2个和第8个天线罩内，主要起到电磁波收发作用，另一种是如图7中的“天线2”，数量6个，包络尺寸510mm
×
144mm
×
69mm，安装在第1个、第3-7个天线罩内，主要起到电磁波接收作用，两类天线相互配合，组成三维成像雷达系统。
[0050]
所述电磁波吸收组件6起到了多径效应抑制作用，保证了任务载荷良好的成像性能；如图8所示，电磁波吸收组件6包括天线罩法兰面电磁波吸收材料13、天线罩内侧面电磁波吸收材料14以及天线支架电磁波吸收材料15，吸波材料与基体之间采用铁锚801胶粘剂粘合，电磁波吸收组件工作频段与天线工作频段保持一致，有效降低天线罩组件、桁架组件
和天线组件表面电磁波反射，减小天线相位方向图相位误差；电磁波吸收组件工作频段范围从230mhz到40ghz，覆盖p波段、l波段、s波段、c波段、x波段、ku波段、k波段、ka波段，电磁波吸收组件材料包括rat/rkt/rm/ral/rac/rach/raph橡胶平板、fct/sat/sml/frt/frc泡沫平板、egt聚合物薄片、树脂吸波片、高分子复合涂料；在天线罩和天线结构表面贴敷吸波材料的方案有效抑制了多径效应影响，且简单易实施。
[0051]
所述用于三维成像雷达的长基线小变形阵列天线罩桁架，两两天线罩间隔600mm，8个天线罩阵列排布，基线长达4200mm；桁架结构采用8点连接安装在机身上，首先对机身壁板进行加强设计，减小机身的相对变形，同时对桁架结构开展刚度优化设计，再结合全机载荷、模态、强度及刚度计算分析保证设计结构满足使用变形要求；在当量空速420km/h、机身攻角为0
°
～6
°
、侧滑角为-1
°
～1
°
情况下，任意两组天线相位中心之间的相对变形不大于0.1mm。采用频域分析方法校核验证相对变形量：
[0052]
由动力学方程：
[0053][0054]
转化到模态空间：
[0055]
[-ω2m+iωb+k]{u(ω)}＝{p(ω)}
[0056]
解耦方程，得到单自由度系统模态坐标：
[0057][0058]
频响函数：
[0059][0060]
ωn：系统无阻尼情况下的固有频率；
[0061]
由上述公式推出p次谐波激励下的系统响应：
[0062][0063]
其中：
[0064][0065]
随机激励下系统响应计算：
[0066]
响应的自功率谱密度函数：
[0067][0068]
做傅立叶变换，响应的自相关函数有：
[0069][0070]
由频响分析得到：
[0071]sx
(ω)＝|h(ω)|2sf(ω)
[0072]
可得：
[0073][0074]
其中，[m]为质量矩阵，[c]为阻尼系数矩阵，[k]为刚度矩阵，{f(t)}为激励矢量，其中，[m]为质量矩阵，[c]为阻尼系数矩阵，[k]为刚度矩阵，{f(t)}为激励矢量，和{x(t)}为运动学参数矢量，t为时间变量；ω为频率变量，m、b和k分别表示频率域的质量、阻尼和刚度矩阵，p(ω)为频率域输入激励，ξi表示模态坐标，h(ω)为频响函数，ωn表示固有频率，ω0为初始频率，表示p次谐波激励，表示p次相位；s
x
(w)表示自功率谱密度函数，r
x
(τ)表示自相关函数。
[0075]
根据本发明的一个实施例，本发明的桁架集成安装方法如下：
[0076]
首先，安装桁架组件和拉杆组件，使用工装、工具将桁架组件通过拉杆组件与机身连接起来；
[0077]
然后，开展载荷设备线缆敷设工作；其次，根据任务载荷天线方向图测试方案及结果，在天线罩内表面、底部法兰面以及天线结构表面贴敷电磁波吸收材料；
[0078]
最后，将贴敷了电磁波吸波材料的天线组件、天线罩组件安装到桁架组件上。
[0079]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。