机载天线结构设计研究论文（精选8篇）
0.45m卫星通信(简称卫通)天线项目系某型多用途载机首次安装如此大尺寸、高带宽的卫通天线,国内尚无类似产品装备可参考,并且其使用环境条件复杂,这些都对天线结构设计提出了重大挑战。天线结构设计过程重点考虑了各结构件在载机实际工作环境下的刚度、强度问题。其中许多关键部位的结构件,起着支撑天线、固定通信馈线及执行伺服驱动的作用,同时承担和隔离载机产生的振动和冲击,并实现天线的转动、定位和定向。天线结构件的刚度、强度、重量、转动惯量,直接影响到天线系统的精度和可靠性[1]。在天线结构整体设计阶段,采用了ProE三维设计软件进行结构设计,采用有限元法利用大型结构设计仿真软件MSC.Patran/Nas-tran对天线结构进行结构力学分析和仿真,加强和优化主结构件关键部位。仿真和实验结果以及实际飞行使用效果显示,天线的结构特性均能满足技术指标和使用要求。
2系统和整机要求
根据系统要求,天线系统在飞行过程中要实现准确地手动/自动跟踪卫星功能,依赖于天线座结构应具有足够的刚度、强度和传动精度,以保证整个伺服系统的结构谐振频率,提高伺服带宽,增加系统的稳定性、动态响应和传动精度。此外,根据载机实际工作环境要求,在最大限度减轻载机负担(即减轻天线重量)的前提下,应采取合理布局的设计思路以优化结构设计,使天线在使用过程中能够排除和降低载机工作环境对其产生的不利影响,保证其可靠性,达到指标要求[2]。
3总体结构设计与优化
根据载机实际情况,在保证性能的前提条件下,要求天线的尺寸和重量到达最小,对此进行了大量的优化工作,使得0.45m卫通天线外形安装尺寸(直径×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天线罩),重量约为50kg,优化为700mm×500mm(天线罩),重量约为40kg,如图1所示。其总体优化过程如下:天线的反射体为降低安装高度,放弃了传统的抛物面天线,采用了最新研发成功的低剖面波导阵列天线;座架则仍采用典型的方位-俯仰型结构以保证跟踪的可靠性;为了减轻重量,除关键传动部件采用40Cr合金钢外,其余结构件全部选用高强度轻质铝合金2A12-T4;由于铝合金螺纹连接处强度不够,且重复拆装性不好,参考已有航空设备安装措施,装入钢丝螺套以提高螺牙强度;天线与机体安装平台间装有隔振装置以降低机体振动带给天线的影响;天线罩为降低重量,在保证抗风强度的前提下,弃用传统的环氧玻璃布结构,采用最新的纸蜂窝夹层结构,大大降低了安装重量;所有电缆和波导则为保证气密性而经密封处理后通过安装孔进入机舱内部。按照以往的工程经验,此类机载通信/雷达天线在类似的环境和使用要求下,一般应超过此重量与尺寸。因此,与以往工程设计的不同之处之一,即在设计之初就对各结构件进行了反复的比对和二次优化。
3.1天线结构介绍
波导阵列天线的结构尺寸为597mm×300mm×17.5mm,四周切角以减小回转半径;经过减重处理后的重量约8kg,电气性能与0.45m口径抛物面天线等效,而高度和厚度则大大低于传统的抛物面天线。采用这种天线的优势包括剖面低、辐射效率高、口径分布控制精确、低副瓣、波束指向稳定、功率容量大、刚度和强度好、结构紧凑、厚度薄、相对重量轻、可靠性高等优异的电气和结构性能等。
3.2天线座架结构设计与优化
天线座架采用典型的方位-俯仰形式,结构紧凑,受力情况合理,调整方便;设计选定承载能力强、刚度好、重量轻、结构紧凑的转台式结构;因而从整体几何尺寸的优化满足了最小安装空间的要求。俯仰机构的转动支撑采用了圆锥滚子轴承,可同时承受径向力和轴向力,以最轻质最紧凑的结构满足天线支撑的需要。关键件俯仰支臂用厚铝板加工而成,其主要受力部位为轴承孔及与方位转盘的连接面,因此必须在保持结构强度要求的前提下,对支臂的非承力部分进行减重优化设计,具体做法如下:整体按照最小几何尺寸布置;保留轴承孔周边最小结构尺寸;与方位转盘、驱动、轴角装置的连接面相应保留足够厚度;保留一侧面的相对完整,另一面完全成空腔结构;增加与轴承孔的两道同心加强环筋,并根据此零件结构力学特性将其布置在最优强度位置。此外,根据以往工程设计经验,俯仰支臂与方位机构的的连接根部和俯仰传动链末级两处通常是整个座架结构的最薄弱环节,因此在这两点处预先进行了局部二次加强,加厚并尽可能圆滑支臂的连接根部,其优化过程如图2所示。
方位机构的核心传动部件转盘轴承,优选了应用广泛的带外齿的四点接触球轴承,使天线座架在保持紧凑的结构和较轻的重量的前提下,能同时承受较大的轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩和双向推力载荷,还优化了方位总传动比。另一重要部件滑环,采用具有超长寿命、免维护、无需润滑、外形紧凑的空心轴多路滑环。方位运动的另一核心部件方位转盘同样用厚板材加工而成,负担着天线和俯仰支撑的重量,并要具备足够的刚度,其优化思路过程与俯仰支臂相似,也包括轴承结构保留、连接面强化、空腔化减重及同心加强环筋的布置,其优化过程如图3所示。方位驱动和俯仰驱动均选用轻质、紧凑、高输出扭矩的直流减速电机,末级增加间隙调整装置,可调节传动回程间隙。将经过优化设计的结构模型再由力学仿真进行分析验算。
4天线结构的力学分析
由于天线的质量分布很复杂,很难用解析的方法得到其解析解,因此采用专业有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN进行力学分析和仿真。
4.1有限元模型的建立
天线整体结构的有限元模型包括反射体、座架结构、俯仰齿轮及其连接支撑结构、方位转动机构等。为降低软件的计算量和复杂度,先对天线整体结构进行简化,去掉冗余节点,再采用MSC.PATRAN软件单独对其组成零件划分网格,最后将划分好的网格进行组装。采用了映射网格划分方法,面上网格全部为四边形,体则全部为六面体,这种划分能够更准确地描述天线座架结构的应力和位移情况[3]。模型的约束条件如下:天线座架的2个俯仰轴系各有一点的3个转角自由度释放,方位轴系释放绕垂直轴转角自由度及垂直方向位移自由度,约束其余4个自由度。模型的材料属性如下:天线座架的各轴、轴承、齿轮定义属性为钢40Cr,而其他零件定义属性为硬铝2A12-T4。建立的天线结构有限元模型如图4所示。
4.2模态分析
天线座架是一个复杂的弹性系统,如果其结构固有频率与伺服带宽靠近甚至落入伺服带宽之内,各种伺服噪声就会激发系统发生谐振,造成伺服系统不稳定,无法工作,甚至使结构破坏。为保证伺服系统的稳定性,并有足够的稳定裕度,通常要求结构固有频率高于伺服带宽3~5倍[4]。通过计算得到天线结构模型的固有频率,在第1、2、3、4阶模态下,其值分别为28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天线伺服系统的带宽为2.7Hz左右,可见固有频率远大于伺服系统的带宽,因此,天线的伺服系统拥有足够的稳定裕度。
4.3冲击振动分析
依据实际环境使用要求,冲击环境条件为:采用半正弦脉冲,峰值加速度15g,脉冲宽度11ms,3个互相垂直轴,6个轴向施加。对模型施加冲击载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在z轴(图5),可以看出最大应力处位于俯仰支臂的连接根部位置,最大应力值为109MPa,小于材料的屈服极限σ0.2=275MPa。所以,在给定的冲击载荷条件下,结构满足强度要求。振动条件见图6振动谱,其中额外迭加的4处定频振动峰值依次为1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。对模型施加振动载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在y轴(图7),同样位于俯仰支臂的连接根部位置,其高斯分布规律的应力3σ值为178MPa,小于材料的屈服极限值σ0.2=275MPa。所以,在给定的随机振动条件下,结构满足强度要求。
4.4实验结果验证
按照要求对完成的设备进行冲击振动实验,从结果来看:主结构件经优化过的关键部位未出现以往相似工程中出现的刚度、强度不足的问题;改用轻质材料或采取减重措施的零部件受力情况与分析结果基本一致,均能满足设计要求;天线整体频响特性较好,在功能实验全程中运行正常,能够满足跟踪要求。
5结论
在0.45m机载天线的设计中,对载机的工作模式和环境特点进行了较为深入的研究,找出了结构设计过程中需要增强或优化的多个关键点,验证了天线结构的力学性能对伺服系统的重要性。在天线结构的设计与优化过程中,采用专业软件较好地解决了天线结构尺寸重量强度的优化设计、载机环境适应性等主要问题。天线系统精度较高,结构性能良好,从实际飞行过程中的具体通信效果来看,电气、伺服、结构等各项性能指标均完全满足系统要求。
1 双电机消隙驱动
1.1 双电机消隙设计
采用双电机驱动方案, 就是要两个电机的输出力矩相等, 转速相同, 可以把对力矩的控制转化为对电机电流的控制, 电流环采用模拟实现方法, 电流调节器选用PI调节器, 一阶无静差系统。
采用双电机的一个最大好处是实现电消隙, 增加传动链刚度, 提高结构谐振频率, 展宽伺服带宽, 提高跟踪精度。采用的电消隙方法是梯形波消隙法, 在小负载时电消隙, 在大负载时力矩均分, 中间有一个逐渐减小消隙力矩的过渡段。具有消隙措施的速度、电流双闭环调速系统方案如图1所示, 图1是通过速率陀螺构成的速度环, 主要用于自跟踪工作方式。
1.2 过载补偿分析
系统工作期间, 载体有可能会出现过载。如果天线结构本身是一个不平衡结构, 载体的过载将影响跟踪精度、引起目标丢失、甚至会使系统不能正常工作。首先, 利用电机输出的最大电流, 计算电机产生的最大加速度及过载力矩, 当存在过载时, 最大瞬时加速度应稍小于最大加速度要求, 选择电机的峰值堵转矩也要满足过载力矩的要求。至于影响跟踪精度是必然的, 需要建立必要的仿真模型进行仿真计算, 根据仿真计算结果分析方案的可行性。
对于不平衡结构, 过载的效果是对天线施加一个围绕旋转轴的扰动转矩。该转矩的大小取决于不平衡体的转动惯量和过载的加速度。假设天线是一个完全不平衡的结构, 不平衡质量17kg, 不平衡质心到俯仰转轴的距离为120mm, 过载加速度为5g, 据此, 在进行不平衡力矩影响的仿真分析时, 采用周期为5s、强度为5g的方波过载信号, 为了模拟真实情况让该信号经过0.1s的低通滤波器后再馈入仿真模型, 如图2所示。
仿真结果说明, 无论是否采用加速度计进行加速度补偿, 过载时的力矩都超过了电机的连续堵转矩, 但小于电机的峰值堵转矩。这就是说, 在短暂的过载期间, 电机会工作在过载状态, 这是允许的, 电流环和D/A限幅的合理设计可以保证电机安全工作。不进行加速度补偿时, 过载会引起很大的角误差, 目标丢失, 但系统能安全工作, 天线不会失控。采取加速度补偿措施时, 过载会降低跟踪精度, 带来瞬时误差, 但能保证不丢失目标。所以, 选择适当的电机对于保证天线的跟踪精度和稳定性都十分重要。
2 隔离扰动设计
安装在载体上的天线跟踪系统对目标的跟踪精度既要受目标位置变化的影响, 还要受到载体绝对位置连续变化的影响, 更要受到载体姿态 (偏航 (Yaw) 、俯仰 (Pitch) 、横滚 (Roll) ) 变化的影响。相对来说, 载体姿态扰动对天线的跟踪精度影响更大一些。如何建立稳定系统、克服或有效地隔离载机在机动状态和气流干扰时对飞行状态的影响, 是动载体天线伺服跟踪系统设计的重要任务之一。本系统采用二轴稳定方案, 选择用速率陀螺隔离载体姿态的扰动, 在雷达的俯仰轴和横向轴上各同轴安装一只速率陀螺, 对天线的方位轴、俯仰轴进行闭环补偿。在跟踪状态下, 直接用陀螺环代替载体座标系的速度环, 展宽了陀螺环的带宽, 使隔离效果有很大改善。通过陀螺, 达到既闭合速度环路、又隔离载体扰动的双重目的。
2.1 扰动量分析
载体坐标系:Oz (Xz、Yz、Zz)
原点:载体质心;
Xz轴:过质心的载体滚动轴线, 飞行方向为正 (横滚轴) ;
Zz轴:过质心指向载体右舷 (俯仰轴) ;
Yz轴:与XZ成右手关系 (偏航轴) ;
视线坐标系:Os (Xs、Ys、Zs)
圆点:雷达天线三轴中心;
Xs轴:由雷达天线三轴中心指向目标 (天线电轴) ;
Zs轴:过雷达天线三轴中心与测量坐标系Zl轴 (天线俯仰轴) 平行;
Ys轴:过雷达天线三轴中心, 与Xs轴、Zs轴成右手关系;
又假定雷达旋转中心与载体质心重合, 雷达方位轴平行于Yz轴且雷达的方位轴、俯仰轴正交, 可以分析得到载体扰动在雷达俯仰轴和横向轴上的效果为:
对视线坐标系Y轴 (天线横向轴) 为扰动速度为:
安装在天线俯仰轴和横向轴的陀螺可以敏感出载体的扰动信息和俯仰轴、横切轴的旋转信息。测量矢量图分别如图3、图4所示。
2.2 闭环反馈的实现
闭环反馈是利用误差驱动原理, 把系统的实际输出 (包括希望的输出和扰动信号产生的输出) 与希望的输入进行比较, 自动调节系统, 实现期望的输出, 并减小载体扰动对系统的影响。
图3中, 前两项是敏感到的姿态扰动信息, 见公式 (1) , 第三项是测量到的天线俯仰轴旋转信息, 可以用此信息直接闭合俯仰陀螺环。图5是俯仰陀螺环闭环控制原理图。
图4中, 前三项是敏感到的对横切轴的姿态扰动信息, 见公式 (2) , 第四项是在横切轴上测量到的天线方位轴旋转的信息, 由于天线的旋转驱动在方位轴上实现, 而测量信息是在横切轴上, 所以不能用测量信息直接闭环, 必须进行正割补偿后, 才能闭环, 如图6所示方位陀螺环闭环控制原理图。
2.3 陀螺环路 (速度环) 设计
陀螺环可以是模拟实现, 也可以数字化实现, 考虑到为了方便实现横向轴与方位轴之间的坐标变换, 所以, 采用数字化实现方法。陀螺调节器同样选用PI调节器, 二阶无静差系统, 反馈信号取自陀螺的输出。陀螺环路不做硬件电路, 反馈信号直接取陀螺的数字输出信号, 采样周期5ms, 经过数字处理与环路修正, 计算出电流指令通过D/A通道送给电流环。
2.4 跟踪环路 (位置环) 设计
跟踪环路是通过无线电波实现空间闭环, 由信号处理机产生的角误差直接驱动的位置环路。主要用于对目标的自动跟踪, 跟踪环路也是数字化方式, 先由陀螺反馈构成空间速度环作为内环路, 位置调节器设计为PI调节器, 将它通过双线性变换转换到Z域去, 变成一组差份方程。构成二阶无静差系统, 其简化控制原理框图如图7所示。
3 复合控制
复合控制是在不影响伺服系统稳定性的前提下提高跟踪精度和随动精度的有效方法。为了简化控制算法, 复合控制在球坐标系内实现, 类似的方法在地面雷达中取得了很好的效果。
由于随动模式在载体坐标系内定义, 指令是已知的, 复合控制可以采用经典的控制算法, 至于自跟踪系统, 跟踪回路在大地坐标系内实现, 而测量数据在载体坐标系内给出, 所以控制算法非常特殊, 也很复杂。不过, 只要求出了目标在大地坐标系内的真实位置, 复合控制就容易实现了, 下面详细论述。
定义在跟踪状态下, 天线的输出角度为A、E, 目标距离为ρ, 载体的姿态角为ψ (yaw) 、θ (pitch) 和φ (rall) , 跟踪误差为ΔUa和ΔUe, 接收机定向灵敏度为k。
目标在载体直角坐标系的直角坐标为:
目标在大地直角坐标系的直角坐标为X、Y、Z式中:式中T1τ是T1的转置矩阵。对X、Y、Z滤波、微分得到目标在大地坐标系的速度X觶、Y觶、Z觶, 通过坐标变换, 求出目标在载体坐标系的速度矢量X觶z、Y觶z、Z觶z。
这样知道了目标在载体直角坐标系的位置Xz、Yz、Zz和速度, 就可以计算出目标的方位、俯仰速度, 进行速度前馈补偿。
图8为自跟踪复合控制原理框图。
4 结论
上述设计技术在某雷达产品上成功应用并经过定型试飞, 证明该控制技术有效地隔离载机和气流对飞行状态的影响, 实现了稳定跟踪, 提高了跟踪精度, 达到了预期的目的。
参考文献
[1]王德纯.精密跟踪测量雷达技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[2]陈涌泉.空载雷达的空域稳定讨论[J].空载雷达, 1978, (1) :17-18.
摘 要：环境因素影响着机载显示器的稳定性和可靠性，因此环境因素是机载显示器在使用、运输和存储中考虑的重要因素。针对机载显示器在三防方面存在的问题及面临的诸多失效形式，从结构设计技术、工艺防护技术及电路板组合件的防护技术等方面进行分析，对提高机载显示器三防能力进行研究。
关键词：三防；结构；工艺
中图分类号： TP2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-148-2
0 引言
机载显示器对各类环境条件反应敏感，尤其是潮湿、盐雾、霉菌。目前，在机载显示器的使用和三防试验过程中暴露出各式各样的问题，其中很多产品无法顺利通过GJB150或GJB150A《军用装备实验室试验方法》要求的三防试验，出现材料腐蚀、镀层腐蚀以及产品部分性能失效的现象。据相关部门统计，在我国南海海域环境条件下，军用电子设备的故障中80%与海洋环境因素有关。可见，航空产品的环境适应性极大地影响着我国的经济效益和军事效益。
1 结构设计的三防措施
三防技术已不单纯是一项工艺技术，而是一个综合性的概念，涉及到电路、结构、工艺和质量管理等诸多方面。可以说，机载显示器的三防性能是设计和制造出来的，要提高三防能力，必须从产品设计方案阶段开始就注入三防设计的概念。三防设计概念的注入，可以保证产品从零部件到整机都具有环境适应性。三防工艺可以弥补设计过程中在三防方面的不足或难以避免的问题，提高产品抵抗环境变化的能力。
1.1 材料的选择及防护
和其它航空产品一样，材料选择是机载显示器三防设计过程的第一步，也是最关键的一步。在结构设计过程中，在满足强度要求的情况下，应尽可能选用耐腐蚀性好的金属材料和不长霉菌又耐老化的非金属材料。同时考虑到经济因素，机载显示器的金属材料优先选用防锈铝（5A06）和不锈钢（1Cr18Ni9Ti）。例图，碳钢零件在没有镀层的情况下三防性能特别差，不适合用于航空产品。近年来，机载显示器正朝着轻型化方向发展，在今后的设计中，产品中许多零部件都将采用工程塑料等非金属材料制成，更要注重材料的三防问题。
在正确、合理地选用材料的同时，还应通过对材料辅以适当的工艺防护措施以提高材料耐环境变化的能力，如通过涂覆镀层（金属层或非金属层）。选用材料时，还应了解材料的相容性问题，掌握材料的腐蚀机理，防止不同材料彼此接触、相互影响而引起腐蚀、老化或失效。因此，根据材料的相容性合理选择镀层也是非常重要的一步。例如不锈钢螺钉与铝合金壳体在湿热试验过程中发生电化学腐蚀，产生氧化铝，因此不锈钢材料一定要经过钝化或电抛光处理。
设计中应尽量选用同一种金属材料，或者选用电位相近的材料，因为两种材料的电位差越大，腐蚀越严重。镀层损伤后也会发生腐蚀。
1.2 结构设计
在实际设计工作中，结构设计和材料选择同等重要，多数三防问题都能通过合理的结构设计来避免。在结构设计中应注意以下几个方面。
1.2.1 要避免积水
产品的结构及外形应尽可能简单，减少孔、槽设计，在有可能留存湿气或形成积水的空间一定要注意排气、排水问题。若无法合理设计排气排水措施，一定要注意电路板的安装方向和导线束的防护。如图1所示，导光板上的导线束通过液晶屏下方与壳体之间的间隙插合到电路板上，湿热试验过程中液晶屏下方与壳体之间容易积水，导致导线束与电路板之间的接插件发生短路，产品部分功能丧失。为避免此类问题发生，在产品设计初期就应当注意导线束位置，可以选择通过从液晶屏侧面或上方与壳体之间的间隙插合到电路板，同时电路板上的接插件相应的调整位置。
1.2.2 要避免缝隙腐蚀
尽量避免铆接、螺纹连接等形式，优先选用钣金结构或一体式结构形式，减少零件和接缝数量，同时在缝隙处加以密封处理（加密封橡胶条）。一体式结构设计同时也便于装配和维修。
1.2.3 异种金属接触时应在两种金属之间放置绝缘衬垫
异种金属尤其是电位差较大的异种金属接触时，应在其中一种金属上镀涂允许与另外一种金属相接触的金属镀层，或者在两种金属之间放置绝缘衬垫，但此时应考虑兼顾电磁兼容性要求。
1.2.4 尽可能避免引起应力集中的结构形式
尽可能避免引起应力集中的结构形式，防止产生应力腐蚀而导致裂开。对于由于应力集中而需要经常维护或更换的零组件，应在设计时保证易于维修和更换。
1.3 工艺设计
除了从材料选择和结构设计方面采取措施，还应从工艺方面采取适当防护措施，进一步提高机载显示器的三防能力。工艺方面进行三防设计通常是指零组件表面的化学覆层或金属、非金属覆层。防锈铝通常采取化学氧化或阳极氧化处理来达到防护的目的。化学氧化膜除了有较强的耐腐蚀性和吸附能力外，还能导电。阳极氧化膜具有多孔性和绝缘性。不锈钢通常采用钝化处理。三防漆的种类很多，性能各异，漆的选用应根据其性能、适用范围以及产品的外观要求和实际使用环境而定。机载显示器的外壳通常采用丙烯酸漆，电路板组合件通常采用聚氨脂漆，这两种漆具有突出的三防性能，且附着力强，耐热性高。
为提高镀层的工艺性，在零件设计过程中，在不影响零件强度和使用功能的前提下，要有足够的圆角过渡，避免尖角结构设计。
1.4 生产过程中的质量控制
在生产过程中由于工艺方法和操作的不合理会对产品的三防性能产生较大的影响，因此在生产过程中要严格按照相关工艺文件的要求执行或操作，同时注意以下几个问题：
①生产过程中采用的加工工艺不能降低材料本身的三防性能。
②加工过程中零件表面不应有超出规定的划伤、腐蚀或残留有腐蚀物等有害物质，零组件在搬运过程中要适当采取防护措施。
③加工、装配后的零组件需要进行清洁，去除多余物。
④严格控制工艺方法的实施过程。例如，机载显示器外壳喷涂的黑色三防漆要在零组件化学氧化后24h内喷漆。
2 电路板的三防技术措施
各电路板组合件是机载显示器的核心组件，其三防主要是采取喷涂三防漆（聚氨酯绝缘清漆）的方式，不仅可以提高三防能力，还可以增强元器件抗振、抗冲击的能力。电路板喷涂三防漆会增加分布电容，会影响精密电路原有的参数和特性，此类问题必须在设计阶段考虑。对于机载显示器的电路设计，经过试验验证，三防漆的影响可忽略。
由于机载显示器调试工作量大，周期长，目前，为避免调试工作中更换元器件对三防漆的影响，喷涂三防漆的工序在产品调试完成后进行，造成电路板组合件喷漆前受污染严重，清洗很难彻底，影响漆层喷涂质量。同时，由于部分结构安装件的遮挡，使个别元器件的焊点处无法得到充分的漆层保护，导致湿热试验中电路板组件发生短路现象。在今后的设计和工艺实施过程中，要尽量避免这些不足，提高电路板组合件的可靠性。
3 结束语
介绍了对星载成形反射面天线全域基设计法的.研究.采用单馈源单反射面天线,通过优化反射面得到赋形波束.文章研究的全域基设计法运用物理光学法,将反射面用Jacobi-Fourier表达式展开,展开式各项的系数作为优化对象,代入反射面天线远场辐射积分的计算,在优化远场辐射特性的同时确定了反射面展开式各项的系数,也即确定了反射面.
作 者：侯沁芳 阎鲁滨 HOU Qinfang YAN Lubin 作者单位：北京空间飞行器总体设计部,北京,100094 刊 名：航天器工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENGINEERING 年，卷(期)：2007 16(2) 分类号：V443.4 关键词：赋形波束 全域基 Jacobi-Fourier展开式★ 《载驰》教学设计
★ 星载FPGA内时序电路设计与时钟控制技术分析
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机载设备吊舱环境控制系统设计及参数优化
介绍了国外机载设备吊舱环境控制系统技术发展的状况,提出了一种新的.吊舱环境控制系统方案,结合该系统的研制,分析了吊舱环境控制系统的设计难点并阐述了解决问题的措施.在此基础上建立了4种吊舱环境控制系统优化设计的数学模型,并对其优化方法进行了探讨,采用正弦法结合单纯形加速法,对系统方案及参数选择进行了寻优,并对结果进行了比较分析.
作 者：余建祖 苏楠 YU Jian-zu SU Nan 作者单位：北京航空航天大学,飞行器设计与应用力学系,北京,100083 刊 名：航空学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)： 21(5) 分类号：V223 关键词：飞机-吊舱 环境控制 系统 最优设计基于2-D熵的机载SAR图像分割迭代算法研究
机载合成孔径雷达(SAR)图像可用于检测识别机场跑道.由于SAR图像包含大量噪声,算法抗噪性能对于SAR图像处理很重要.2-D阈值方法的分割效果比传统的一维方法要好,特别是对受噪声影响的图像.然而,2-D阈值方法耗时长,难以实用.因此,本文在现有的2-D熵迭代分割算法的基础上提出了一种基于二维直方图统计特点的最大熵阈值分割算法.通过大量试验证明,本文提出的`方法不仅获得了理想的分割效果,而且进一步提高了二维阈值选取速度.
作 者：钱镜洁 曹力 QIAN Jing-jie CAO Li 作者单位：南京航空航天大学,民航学院,江苏,南京,210016刊 名：飞机设计英文刊名：AIRCRAFT DESIGN年，卷(期)：200929(4)分类号：V221关键词：SAR图像 二维Renyi熵 阈值 直方图 图像处理
现代偶极子天线的应用要求实现小型化、宽频带、高增益、隐蔽性强、与载体共形等特性。我们可以通过改变天线的结构、形状、材料等特性, 对匹配电路进行优化设计, 提高天线的工作性能。
偶极子天线设计的重点是展宽带宽, 目前, 展宽偶极子天线带宽的方法主要有:套筒加载、将天线轮廓设计为渐变结构、优化馈电巴伦等[2]。本文展宽偶极子的带宽没有采用常规的办法, 找到了新的匹配方法。我们在偶极子天线基本原理的基础上, 设计出了一种宽带领结偶极子刀形机载天线[3], 可用于民航或军用飞机上。该天线使用十分方便, 可以安装在由复合材料制成的飞机的垂尾里面或者机翼里面。这样的天线不外伸, 又与飞机蒙皮齐平, 甚至可以与飞机共形。
1、偶极子天线简介
偶极子天线也称为振子天线, 其得名来自于对称的两个振子——由馈电点中心平分天线两臂[4]。偶极子天线为平衡天线, 即天线两极对称, 它由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成, 信号从中间的两个端点馈入, 在偶极子的两臂上产生一定的电流分布, 这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场。偶极子的振子可以水平放置, 也可以垂直放置, 方向图以馈电点为对称中心。最简单的偶极子天线由导线组成, 中心馈电, 如图1。
对于窄带偶极子天线, 常用相对带宽表示工作带宽即∆f f0×100%, 其中f0为中心频率, ∆f=fmax-fmin, 天线参数变化不超过规定范围的最高工作频率和最低工作频率。
2、宽带领结偶极子天线的设计
根据偶极子天线的特性, 结合工程实际, 设计出的宽带领结偶极子天线内部电路如图2所示。阴影部分为辐射体, 采用领结形辐射臂, 改善了天线阻抗匹配, 同时也扩展了工作带宽;黑色矩形内为匹配电路, 这是此天线设计的重点;天线由同轴电缆为其馈电。把领结形辐射体印制在环氧板上, 覆铜厚度为0.02mm, 天线外形尺寸为320mm*130mm*8mm。
此天线的工作频段为机载飞机通信频段。若取领结偶极子天线的高度为λ02, 尺寸太大, 外伸式天线不能使用, 安装在垂尾里面也显得太大, 所以选取天线的高度为λ04, 这个高度天线外伸式也可以用, 装在机翼里面也可以用。
为了展宽带宽, 除了设计出领结形辐射体外, 还设计出振子的张角为60°, 实验证明, 此时带宽最宽。经实际测试和理论计算, 得出高度为λ02的领结偶极子辐射电阻rR=49Ω, 而高度为λ04时的辐射电阻只有12Ω, 而且RA也很小, 天线显容性。我们要用电感来匹配, 电感的量值和安装位置是设计和调试过程的重点。
3、领结偶极子天线的等效电路
天线设计的目标是输出最大能量进出电路, 需要仔细设计天线与自由空间以及电路的匹配, 天线匹配程度越高, 其辐射性能越好。
通常在天线终端用变换器或并联调谐电路来有效改善和提高匹配带宽, 也可以采用集总电路元器件 (变压器、电感器和电容器) 或分布电路元器件 (传输线) , 作为阻抗的变换或调谐电路的实现[5]。
领结偶极子天线匹配前的等效电路如图3 (a) , 其LA值很小, 可以忽略不计, 但CA值不能忽略, 需要用一个感性元件与之匹配。
经过大量的实验和仿真, 使用新型感性元件后设计出的匹配电路和天线总的等效电路如图3 (b) 所示。
4、测试结果
对设计出的领结偶极子天线进行实际测试, 天线在0.432 f0、0.696 f0、0.9 f0、1.4 f0频点处水平方向的方向图如图4所示。测试显示, 此天线水平面方向图的不均匀度均小于2dB, 其增益比同类同高度的天线高出1~2dB。经过功率容量测试, 该天线能承受的功率可以达到100W。
图5为我们实测的领结偶极子天线驻波图, 横坐标为f/f0, 从图中可以看出在机载天线通信工作频段内, 天线无反射板时驻波均在2.5以下, 达到设计要求。而且实际测试显示, 有无反射板对天线驻波影响不大。
5、结语
本文设计的领结偶极子刀形机载天线, 经过多次试验, 运用新的匹配方法, 展宽了频带。该天线具有结构紧凑、馈电简单、易于制作等特点, 而且有其自身优点, 安装在复合材料制成的飞机蒙皮里面, 可减少气动阻力和部分环境对天线的影响, 具有工程实用性。
参考文献
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[4]美国业余无线电转播联盟编, 匡磊, 刘燕北译.经典线天线设计[M].人民邮电出版社, 2011.2
关键词：LiDAR；铁路勘察设计，DEM；DLG
中图分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-02
Airborne LIDAR Technology in Railway Survey and Design Application and Benefit Analysis
Han Zujie
(Railway Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)
Abstract:Airborne laser radar technology (LiDAR) is a new remote sensing technology,because of its high precision and efficiency,in terms of rapid development of topographic mapping,currently nearly 20 sets of LiDAR systems.This paper studies LiDAR technology in railway engineering survey and design the content,products,and effects,on the basis of aerial photogrammetry and traditional methods are compared to prove LiDAR technology in the railway survey and design of the feasibility and superiority.
Keywords:LiDAR;Railway survey and design;DEM;DLG
一、引言
机载激光雷达技术（LiDAR）是一种全新的遥感技术，自上世纪90年代在德国首次出现商用样机系统以来，因其高精度和高效率，在地形测绘方面得到快速发展。目前，全球已经有几十套商用系统在使用，主要实用系统有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。
上世纪90年代中后期至今，美国、德国、加拿大、澳大利亚、瑞典和芬兰等国家，先后成功应用这项技术进行了地形测量、森林资源调查与评估、三维城市建模等试验与工程实践。特别是芬兰和德国，已经采用这项技术建立了全国或者大部分国土的DEM，达到了理想的效果。目前在国内已经有接近20套LiDAR设备，其中，北京星天地信息科技有限公司、山西亚太数字遥感新技术有限公司、广西桂能信息工程有限公司、广州建通测绘技术开发有限公司以及东方道迩公司等单位已经先后开展了实验和工程飞行，主要用于生产数字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），进而制作线划图（DLG）等。本研究将使用LiDAR技术对铁路勘察工程设计进行研究与试验，介绍其主要产品及应用并对经济效益进行评价。
二、机载激光雷达技术系统构成与工作原理
（一）机载激光雷达技术简介
LiDAR系统是一种新型的综合应用激光测距仪、IMU、GPS的快速测量系统，可以直接测得地面物体各个点的三维坐标。机载的激光雷达系统通常还集成高分辨率数码相机，用于获取目标影像。从功能上看，机载激光扫描系统是基于激光测距技术、GPS技术和惯性导航技术这三种技术集成的一个软硬件系统，其主要目的是为了获取高精度的数字表面模型（DSM）。
目前，LiDAR提供的直接数据产品为：点云数据，DSM，DEM，DOM。经过后处理可以快速生成等高线、高程点、横纵断面图，完成路线设计需要的专项测绘内容（如架空管线的净空、交叉角度测绘等），并提供工程设计模型和景观设计模型等。
（二）LiDAR的主要系统构成
主要系统构成包括：
1.扫描仪组件：激光发射器、激光信号接收器、机械组件、扫描镜及窗口、接口板。
2.设备支持系统：系统控制器、飞机位置及姿态测量系统、检流控制器、激光电源、电源分配器、控制计算机、连接电缆。
3.附属软件：包括项目飞行设计及对记录数据进行后处理（滤波、分类等）处理。
4.控制/显示器：激光发射指标器、音频告警器、电路熔断器、系统诊断数据输出、控制接口。
（三）主要工作原理
通过DGPS（或PPP）和IMU求得航机线上任意采样时刻激光发射中心的空间坐标和设备的空间姿态，内插后能够获取任意时刻激光光束的姿态和发射中心的空间坐标，通过激光测量激光发射中心到地面的距离，可以求得每一个激光脚点的空间三维坐标。另外，利用DGPS/IMU可以直接获取每一张照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后将激光点数据和数码影像进行联合处理得到高精度的正射影像和数字高程模型。
三、机载激光雷达的应用
机载激光雷达能够快速获取数字地表模型（DSM），同时，配套的中画幅数码相机可以获得同步的数码相片，经过加工处理可获得数字高程模型、分类信息、航空相片的立体像对和正射影像图。目前还没有成熟的专业接口供铁路勘察设计工程中使用机载激光雷达成果，因此，如何将机载激光雷达勘测成果与众多设计专业手段无缝结合，从海量基础信息中快速提取或检索有用的信息为各专业设计所用，是机载激光雷达技术应用于铁路勘察设计的关键。
结合铁路勘察设计特点和工程应用实践，一方面将机载激光雷达技术成果进行加工，提供满足专业应用的专题成果，另一方面，改进专业设计勘察设计流程，提出新的设计理念，以便更加有效地利用海量的基础信息，提高设计质量和设计效率。
利用机载激光雷达技术提供的高精度、高分辨率数字地面模型和正射影像图，结合铁路专业设计要求，主要生产以下几种产品（见图4）：
1.工点地形图。它是针对铁路设计的控制工点，在施工图阶段做的更加详细的勘测工作，以保证设计资料的精度和准确性。如：桥址地形、隧道进出口等；
2.断面图。主要包括纵断面和横断面，一般它们的精度高于地形图的精度。主要用于保证设计线路的平顺性和计算工程数量的准确性；
3.数字正射影像地形图。这是线划图的替代产品，通过将正射影像图叠加等高线、专业调查的地质界线、自然保护区等矢量信息，而形成的一种地形图，它的信息量更加丰富，更加直观；
4.专项测绘。针对特殊的专业需求而進行的详细勘测工作。如：水文断面、涵轴测量、电线垂度等；
5.工程中的土石方自动计算、坡度、坡向的计算等；
6.快速构建三维虚拟场景，城市建模等。
此外，还可利用高分辨率的影像进行专业调查、地质判视等，便于指导外业工作，提高外业勘测的针对性和合理性。
四、技术、经济效益和推广应用前景
（一）机载激光雷达测量技术与常规航测方法的经济比较
1.两种技术手段外业控制测量的比较。LIDAR所需的外业控制点与常规航测外控的比较，以II级地形1：2000航测地形图测绘（常规航测单航带100km）为例。
（1）首级平面和高程控制网工作内容和数量是基本相同的。
（2）LIDAR系统要求每5-7km测量一个平面和高程控制点，每30km测量一处高程校正区，这样100km线路需要布设平高控制点17个，高程校正区3个。而常规航测方法，采用150mm焦距的航摄仪拍摄，需要75个平高控制点；采用210mm焦距的航摄仪拍摄，需要150个平高控制点。
（3）LIDAR系统不因地形等级的变化而改变外业平高控制点的数量（适当的宽度，如不大于10km）。而常规航测方法会随着宽度的增加而成倍增加外控点的数量。
2.横断面切绘的经济比较。以张唐铁路定测为例，相对于采用Lidar技术平均1000-1200个横断面/人天的工作效率，常规航测方法每人每天只能切绘300-400个横断面，可见工作效率提高了3-4倍，对企业发展带来了巨大的经济效益。
3.地形图制作的经济比较。以II级地形1：2000地形图测绘为例。
因为LIDAR具有高效生成DEM的优势，所以在生成等高线、高程点等具有高程信息的地形信息时具有更高的效率，在这个方面，采用Lidar技术平均效率为12-15平方公里/（人.天），常规航测方法每人每天只能测绘2-3平方公里；
航测方法在立体模型下获取（除等高线、高程点之外）矢量信息具有更大的优势，而LIDAR则因其自身离散性获取能力比较弱，适合于小面积的（除等高线、高程点之外）矢量信息获取。
（二）成功案例及分析
经过试验与实践，LiDAR技术已成功用于多个铁路项目的勘测设计项目，减少了内业制图的压力，缩短了项目工期，在铁路各专业使用中反映良好，取得了显著的经济效益。以某工程为例，泛亚铁路某段全长257Km，由于距离遥远，地处国外，而且铁路过境区域存在大量地雷区域，给外业工作带来极大不便。考虑到地理因素和方案局部变动的因素，项目在实际操作中抛弃传统外业测量加航测制图的作业方式，直接采用机载激光雷达系统，一次性获取铁路过境区域长257km，宽4km的雷达点云数据和数码影像数据，利用该数据圆满完成了无外业控制测量情形的1：10000和1：2000的地形图成图任务，不仅避免了人力物力消耗和地雷区作业的危险性，而且在内业成图中，大胆使用数字正射影像地形图代替传统的DLG，取得了制作者和使用者均满意的双赢局面。
（三）推广应用前景
机载激光雷达测量技术具有巨大的发展空间和潜力，作为一种新技术，还有许多发展空间，特别是在数据处理算法以及软件和系统的开发等方面。随着用户数量的增加，其应用领域将越来越广，特别是随着激光技术的进一步发展，将促进机载激光雷达技术的革新。在铁三院于2009年率先在国内将机载激光雷达技术应用于铁路勘察设计并取得巨大成功后，今年铁一院、铁二院、铁四院都陆续定购了机载激光雷达并加大了人力投入，可见由于其精度高、成本低、周期短等特点在铁路行业已经被广泛关注。铁路行业之外，水利、公路、电力、农林等行业也在积极开展相关的研究和应用。
参考文献：
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【机载天线结构设计研究论文】推荐阅读：
天线与电波传播论文05-28
