程五四，陈帝江，张祥祥，李赞澄

数字孪生在雷达天线阵面装配中的应用

程五四1,2，陈帝江1,2，张祥祥1,2，李赞澄1,2

（1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.合肥市雷达机电装备先进设计工程技术研究中心，安徽 合肥 230088）

针对数字孪生与雷达天线阵面装配调控需求，开展雷达天线阵面数字化测量场构建、天线阵面数字孪生模型构建、机电耦合机理及算法实现、天线阵面变形仿真与电性能仿真预测等研究，搭建测量数据库和数字孪生模型库，开发基于数字孪生的天线阵面装配调控系统。在雷达天线阵面装配调控过程中，实现天线阵面精度测量、变形仿真与电性能仿真可视化、天线阵面变形精度以及电性能指标调控策略，达到对天线阵面装配精度进行全方位的测量、跟踪、分析、预测和控制的目的。

雷达天线阵面；数字孪生；精度测量；变形仿真

雷达天线是雷达实现远距离高精度探测的核心组件，一般在野外现场环境下进行装配交付，制造资源匮乏、装配周期长，且风载、温度等工况复杂。随着天线口径的增大，在天线装配过程中的测量调控方面存在以下难题：

（1）天线阵面精度难以保证，对快速构建数字化测量场的需求迫切，且在测量精度、效率、自动化程度、测量稳定性、测量置信度等方面都提出了更高的要求；

（2）传统测量调控模式存在“测”与“调”过程脱节，缺乏基于测量数据的智能化“测”与“调”快速仿真验证手段；

（3）阵面精度与电性能指标耦合关系复杂，缺少对阵面精度与电性能之间耦合规律以及调控策略的研究，无法在“机械精度保证”与“电性能调控”之间快速寻找最优解。

实现天线阵面精度指标要求、在装配过程中保持精度水平、满足电性能指标，是雷达天线总装过程中的首要任务和亟需解决的难题。

数字孪生作为充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，通过创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，在各个领域逐步开展研究，但存在产品生命周期各阶段的应用不全面的问题，当前较多集中在产品运维和健康管理等方面，在雷达天线精密测量调控方面未见相应研究。传统测量限制了测量的范围，并存在无法直接测量的指标；数字孪生借助传感器实时数据和历史数据，可推测无法直接测量的指标。结合数据采集、历史数据和人工智能分析，实现对过去的故障复现、对现在的状态评估，及对未来的故障预测与诊断。传统天线测量调控模式存在“测”与“调”过程脱节，大量的时间耗费在测量数据计算处理、调控策略制定等方面，缺乏基于采集数据的自动化、智能化“测”与“调”快速验证可视化仿真分析环境，数字孪生技术正好提供了有效的解决途径，但孪生数据驱动的大型天线测量调控技术研究较少，缺少成熟的技术应用框架和途径。对于如何获取阵面变形的特征参量、分析和预测天线精度水平，以及如何实现天线自检测、自诊断、自校正、自修复，数字孪生提供了解决问题的有效手段。

综上，开展雷达天线阵面数字化测量场构建、天线阵面数字孪生模型构建、机电耦合机理及算法实现、天线阵面变形仿真与电性能仿真预测等研究，搭建测量数据库和数字孪生模型库，开发基于数字孪生的天线阵面装配调控系统，为雷达天线的装配精度测量、变形仿真和电性能仿真预测、调控策略的制定提供指导，对于提升天线装配测量调控能力、缩短装配测量调控周期、提高天线阵面精度装配质量和电性能指标具有重要意义。

1 所用技术

1.1 测量场构建技术

数字化测量技术已在建筑、船舶、航空航天等领域开展研究，但大部分研究集中在室内外较佳测量环境下的静态装配精度控制方面，对于以电性能为主要指标的天线装配精度控制研究不足，尤其对大口径天线在不同的风载、温度、酸盐雾等复杂环境下，多测量系统组合的测量场构建方法研究较少。与其他武器装备“成品出厂”的交付模式不同，大型雷达最后的制造过程是在现场野外实战环境，采用“搭积木”的方式，固定架设于崇山峻岭、险滩戈壁中，资源匮乏，制造周期长，且风载、温度等工况复杂、天线总装精度难以保证，对数字化测量要求更高，快速构建数字化测量场的需求迫切。

不同的测量设备不同数字化测量系统数据采集准则、数据格式等不一样。以基于模型的统一测量数据集表示与互操作为基础，首先应实现数字化测量系统测量过程的协同，主要包括测量系统的建模、仿真与布局优化，测量过程规划、仿真与优化。其次，应实现多测量系统的测量数据融合。多种数字化测量系统协同工作时，共同构建的数字化测量场将产生多源、异构数据，且在不稳定状态下测量时，易产生坏点、无效的数据。需要对这些数据进行清洗、处理和精简[1]。开展测量数据采集、装配精度评估，变形监控、形成数字化测量场构建系统功能模块。针对测量精度要求，开展组合测量方案、全局测量控制网、坐标转换、点云处理、数据拼接、测量标定、测量点设置等技术难题的研究，实现大型天线阵面变形在线检测，装配精度评估、变形监控和补偿调控，其技术路线如图1所示。

1.2 数字孪生模型构建

数字孪生是将物理空间中的物理实体通过同步虚实映射在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的虚拟模型[2]，对于质量问题追溯、孪生监控和预测优化有着重要的作用。

雷达天线阵面装配过程中，数字孪生模型包括虚拟世界和物理世界的雷达天线阵面数字化描述，涵盖几何、物理、故障经验数据、实时状态、专家知识等多维信息的数字孪生模型。虚拟世界是在计算机世界中建立雷达天线阵面的三维模型，包括几何模型、物理模型、规则模型以及行为模型。物理世界是对雷达天线阵面装配精度数据进行采集、处理和传输。基于雷达天线阵面机械精度/电性能指标参数的机电磁耦合理论，通过工程知识、实测数据混合建模，定义数据处理、运动映射及接口，获得数据驱动的数字孪生模型。利用建立的耦合模型，通过数值仿真分析获得天线阵面装配精度对天线电性能的影响机理，通过分析馈电误差和结构误差产生的天线口面幅相分布误差和阵元阵中方向图，建立耦合模型[3]，如图2所示。依据天线测量精度仿真分析结果，对精度进行补偿控制。

图1 测量场构建路线

图2 机电磁耦合建模

1.3 数据库构建

理想的雷达天线数字孪生模型中的测量调控数据分析应以高质量数据为基础，为了有效集成测量调控数据资源、拓展数据的各种应用、

构建完备的雷达天线数字孪生模型，需要对数字孪生数据的预处理、传递、存储进行研究。对测量及采集数据进行一系列预处理操作，保证为数据分析提供高质量数据支撑。雷达天线阵面装配过程中构建的数据库主要包括测量数据库和仿真数据库。

测量数据库是对天线装配过程的统一管理和统计，包括日期、地点、装配精度等。从激光跟踪仪、全站仪、摄影测量等测量场设备采集实时数据，实现设备间数据信息融合传输和数据处理，构建测量数据库，其主要作用是通过对物理空间终端的数据获取和保存，基于数据驱动的数字孪生模型，实现对实际天线变形状况的同步映射和监控。测量数据的采集是根据设定的采集频率，对实时数据进行处理，将结果保存至数据库，并附时间戳，以便实现历史测量数据的追溯和管理。

仿真数据库基础数据包括雷达天线阵面结构、零部件组成、调平机构分布、基本技术参数、性能指标、变形阈值等；仿真及调控数据包括机电磁耦合仿真算法知识库，电性能指标如增益、副瓣等，根据天线阵面实际测量数据，模拟不同装配精度下天线阵面变形仿真，以及变形量对电性能指标影响程度，为制定相应的调控策略提供支撑。

1.4 变形仿真与电性能仿真预测

为保证天线电性能指标，对天线阵面的安装精度具有较高的要求，安装精度直接影响天线的电性能实现情况。

首先需要研究结构位移场与电磁场之间的场耦合关系[4]，并结合典型复杂工作环境因素的分析，建立其耦合理论模型。在建立耦合理论模型的基础上，分析其机械结构因素对电性能的影响机理。在装配过程中对阵面安装精度与电性能指标要求之间寻求最优解，一方面提高阵面的安装精度和效率，另一方面满足电性能指标的调整优化，并给出机械调整和电性能调整的不同策略。

在满足阵面精度的要求下，多数采用电性能调整“软补偿”的方式，实现对天线电性能的调控。将天线变形仿真、电性能仿真预测的结果进行可交互式展示，主要包括天线阵面精度变形误差云图、天线电性能计算，并绘制功率方向图，查看实际方向图的参数，包括增益损失、最大副瓣电平、波束指向、副瓣电平抬升以及波束偏差[5]。通过设置不同调控策略，对阵面结构精度误差影响下天线电性能指标变化情况进行分析、对比，评估天线电性能的恶化程度，如在方向图上叠加不同调控策略的天线主瓣、副瓣电平的参数变化趋势。

变形仿真及调控策略流程如图3所示。

图3 变形仿真及调控策略流程

2 系统实现

基于数字孪生的天线阵面精度测量调控系统由天线阵面数字化测量系统及数据分析模块、基于数据驱动的天线阵面调控平台组成。天线阵面数字化测量系统及分析软件，提供基础数据支撑。基于数据驱动的天线虚拟调控平台，包括数据驱动天线变形仿真可视化平台、电性能仿真预测及调控策略研究等模块。遵循天线阵面数据采集、清洗、融合、仿真、反馈、调试、再采集的循环过程，通过数字化测量场采集天线阵面数据，经过清洗、融合形成数字孪生模型，基于机电磁耦合机理、数据分析和挖掘，对阵面变形和电性能指标进行仿真，提出以电性能为调控目标的机电融合调控策略，指导天线装配过程中对阵面精度和电性能的不断优化调试。将实时阵面精度数据、历史测量信息与专家经验知识相结合，构建对应的天线精度动态评估模型。根据历史制造数据以及专家经验知识对评估模型进行训练、对比与评估，并依据预测值与真实值的偏差情况，对评估模型进行更新，以维持评估模型的有效性以及预测结果的准确性。针对数据采集、传输和分析，孪生仿真、智能预警等提供可操作的功能模块，天线装配精度状态与阵面位姿信息能够被实时获取与评估，为以电性能关键性能指标为主的天线精度预测与调控决策提供全面的实时信息支撑。

2.1 数字化测量系统及数据分析模块

测量系统及数据分析模块针对天线阵面装配精度进行测量，并对测量数据进行分析，获得阵面平面度等精度指标。包括以下内容：

（1）数字化测量系统的搭建

针对天线阵面特性，研究采用何种测量方式和数字化测量设备，构建数字化测量场系统，对基准点进行坐标测量，为测量场构建、基准点检测、天线阵面装配等提供数据支持。数字化测量场系统能够实现多类型测量设备基准点标定、基准点坐标修正和坐标系转换参数求解等，参数设置包括单位、环境参数、静态测量参数、连续测量参数、坐标系类型、搜索参数、测量方式等。建立与数字化测量设备、测量数据处理和分析模块之间的通信连接，完成测量数据的传递，发送天线阵面测量点坐标信息至测量数据处理和分析模块。

（2）测量数据的处理和分析

实现各类数字化测量设备采集的异构多源数据处理和分析，主要包括与测量数据库链接和数据传输、数据的快速计算和拟合分析，得到平面度、公差值等指标。按照天线阵面调控平台所需的数据规范和格式，将测量数据保存至测量数据库，以便天线阵面调控平台实时读取。

2.2 基于数据驱动的天线阵面调控平台

通过数字化测量场数据采集，在数字孪生空间中拟合真实的天线阵面精度变化情况，与天线阵面设计理论值进行比对，得到全部阵面中需调整的区位，并基于测量比对结果和耦合规律，制定机械和电性能调控策略。信息空间与物理空间的交互和共融是一个亟待解决的重要问题[6]。数字孪生本质上是物理对象的仿真模型，该模型可通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致[7]，在仿真运行过程中融合实时测量数据[8]。融合数字化测量场、天线骨架、安装调整基座、天线阵面模块、吊装设备等，构建反映天线阵面实际装配与测量行为的数字孪生模型，获取天线阵面精度测量数据和安装基座位置数据，通过数据对三维场景的动态驱动和呈现，全方位展示天线阵面总装工艺过程，满足变形测量、预测仿真和测量调控等需求，融合多误差源进行装配质量实时预测，推动装配质量实时跟踪控制发展[9]。构建以电性能为目标、机电磁耦合的数字孪生模型，形成数字孪生数据库，并通过可视化技术实现天线阵面变形、电性能指标的仿真结果展示，包括以下内容：

（1）面向机械/电性能的机电磁耦合算法开发

研究服役载荷引起的天线阵面结构变形对天线电性能的耦合关系，建立温度场、位移场和电磁场之间的多物理场耦合模型；根据工程中已有的设计经验、制造误差和服役载荷知识（包括人工经验、制造公差范围、实验测试数据和材料数据库），基于概率区间的知识描述方法；结合场耦合理论模型和知识描述，建立集成知识的天线阵面机电磁耦合模型。利用耦合模型的数值分析，揭示阵面结构因素（包括阵面结构变形、阵面温度以及装配误差等）对电性能影响的机理，以及仿真算法开发。

（2）基于数据驱动的天线阵面变形仿真

构建基于实时数据驱动的数字孪生系统架构，兼容多种测量设备的实时数据通信，通过对物理终端的数据覆盖，基于数据驱动完成对实体空间的镜像，现场数据驱动模型更新，完成虚实映射[10]，实现在数字空间内对天线阵面形位的监控、在线比对、分析评估、策略生成等功能。实现测量数据显示，历史测量数据的复现、超过结构变形阈值警告等功能，以及云图、报表等可视化显示形式等。实现电性能仿真结果的可视化，包括方向图、参数性能指标等参数的可视化显示。

（3）阵面精度影响下的电性能仿真预测及调控策略制定

根据天线阵面装配过程中的阵面变形测量、评估、分析结果，耦合电磁调整规律，制定阵面六自由度的机械形位补偿调控策略，可以有效改变阵面形貌。而对于难以通过机械形位改变进行调控的阵面区域，可以采用电性能补偿的方法。通过研究区域形位变形和电性能补偿之间的映射关系，基于测量分析结果反向推导电性能补偿的数值，实现动态“软”补偿。实现基于仿真结果的调控策略制定等功能，包括对结构变形的调整以及电性能参数补偿两种方式，并有补偿前后调控结果的仿真展示。

3 结论

通过雷达天线阵面数字化测量场构建、天线阵面数字孪生模型构建、天线阵面变形仿真与电性能仿真预测等技术研究，并开发基于数字孪生的天线装配调控系统，实现在雷达天线装配调控过程中，对天线阵面进行变形测量与仿真、电性能仿真预测、天线阵面变形精度以及电性能指标调控策略，实现对天线装配过程进行全方位的测量、跟踪、分析、预测和控制，对于提升天线装配测量调控能力、缩短装配测量调控周期、提高天线阵面精度装配质量和电性能指标具有重要意义。

[1]田永占. 工业测量系统对相控阵天线姿态的测量及数据处理[D]. 阜新：辽宁工程技术大学，2016.

[2]杨斌，张根保，庾辉，等. 基于数字孪生的机械产品运动性能调控方法[J]. 计算机集成制造系统，2019，25（6）：1591-1599.

[3]孙轶. 面向机电热耦合的阵列天线电性能快速评价软件工具研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2015.

[4]周云宵. 面向机电耦合的有源相控阵天线电性能计算、补偿和集成设计软件[D]. 西安：西安电子科技大学，2018.

[5]余涛. 面向结构误差的有源相控阵天线电性能补偿方法[D]. 西安：西安电子科技大学，2014.

[6]罗少康，滕文琪. 数字孪生车间系统构建及应用[J]. 机械，2021，48（3）：53-58.

[7]陶飞，刘蔚然，张萌，等. 数字孪生五维模型及十大领域应用[J]. 计算机集成制造系统，2019，25（1）：5-22.

[8]王鹏，杨妹，祝建成，等. 面向数字孪生的动态数据驱动建模与仿真方法[J]. 系统工程与电子技术，2020，42（12）：2779-2786.

[9]肖庆东，张学睿，郭飞燕，等. 飞机装配质量主动实时控制技术研究现状与发展趋势[J]. 航空制造技术，2021，64（20）：22-35.

[10]张入元，武殿梁，黄顺舟. 基于数字孪生的总装对接在线监控技术[J]. 组合机床与自动化加工技术，2021（11）：109-113.

Application of Digital Twin in Radar Antenna Array Assembly

CHENG Wusi1,2，CHEN Dijiang1,2，ZHANG Xiangxiang1,2，LI Zancheng1,2

(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)

For digital twin front assembly with radar antenna control demand, carry out radar antenna array to build the digital measurement fields, antenna array digital twin model building, mechanical and electrical coupling mechanism and algorithm implementation and simulation of deformation of antenna array surface and electric performance simulation prediction research, structures, measuring twin model database and digital library, the development is based on the number of twin assembly control system of antenna array, In the process of radar antenna array assembly regulation, the antenna array accuracy measurement, deformation simulation and electrical performance simulation visualization, antenna array deformation accuracy and electrical performance index regulation strategy are realized, and the antenna array assembly accuracy is fully measured, tracked, analyzed, predicted and controlled.

radar antenna array；digital twin；precision measurement；deformation simulation

TP391；TN95

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.002

1006-0316 (2022) 07-0008-06

2021-12-03

国防基础科研计划（JCKY2020210C005）

程五四（1985－），男，安徽桐城人，硕士，高级工程师，主要研究方向为数字化设计与制造、数字化工厂，E-mail：chengwusi@163.com。