舰船上层结构集成化及天线技术发展动态

· 30 · 测控与通信 2007年第 3期 舰船上层结构集成化及天线技术发展动态 寇艳玲 翟爱芬 2何美珍 ( 中国电子科技集团公司第 39研究所 西安 710065 西安电子科技大学 西安 710071) 摘要 上层结构集成化是提高舰船整个平台性能的主要途径之一，天线集成技术是 关键。各国都在争相开发利用集成天线技术的先进封闭式桅杆。乌鸦窝天线作为集成技 术的典型结构得到深入研究。 关键词 舰船上层结构 天线 集成化 桅杆 乌鸦窝 1 前 言 随着 2l世纪海军海面舰船新任务的要求和新武器电子设备的发展，尤其是电子信息设备的 急速增加，使得现代舰船表面成为拥有大量天线、武器设备的庞然大物。上层结构中密密麻麻地 安装着各种装置，有火控系统、探测装置、电子对抗及通信天线。不可避免地产生如下问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：天 线拥挤，增加新天线越来越难；严重的电磁干扰和 电磁兼容问题；舰船雷达截面积增加，使隐身 问题 日益突出。单纯追求各种分系统的功能最佳只会顾此失彼。为此，不少国家争相开展以提高 舰船整个平台性能为主要 目标的舰船上部结构集成化研究，宽波段、多功能天线集成技术作为上 部结构集成化的关键技术之一，也得到深入的研究和应用。 集成天线技术是将多种天线集成化、平面化，将天线嵌入、集成到上部结构中的技术，以解 决天线布局和 电磁兼容问题。天线集成技术正在推动舰载设备的独立天线向联合天线、多功能孔 径 天线方 向发展 ，最终 形成数 量少、 高集成 的多功 能天线 系统⋯。乌鸦窝 (Crow’s Nest Antenna--CNA)是天线集成技术的典型结构。 目前国外在舰船上部结构集成化设计方法和关键技术等方面 已取得了重大突破，一些利用集 成天线技术的系统已从概念设计发展到产品设计阶段，有的技术 已用在新建造的舰船上。美国、 英国、德国等争相开发利用集成天线技术的先进封闭式桅杆。 2 典型的集成化系统及天线技术 2．1 美国AEM／S系统及集成天线技术 先进封闭式桅杆／传感器系统[ (AEM／S，Advanced Enclosed Mast／Sensor System)是美国海 军舰艇集成化结构设计的重点之一，主要解决高频话音和数据传输天线及雷达封装可能性。美国 海军已成功研制 AEM／S，并在 “雷得福”号 (DD968)驱逐舰上进行了海试。AEM／S将替代海 军使用了 100多年的传统桅杆。这种全复合、白撑式外壳桅杆作为雷达和通信天线设备的一个组 成部分，可提高系统的性能和减少维护成本，并发挥舰艇的最大能力。“圣·安东尼奥”号两栖船 坞运输舰 (LPD17)上安装了两部 AEM／S系统，成为首艘安装 “革命性”桅杆的舰。如图 l所 示 。 安装在 LPD17上的 AEM／S分前后两个桅杆，都采用内部封装了雷达和天线的直径变化的八 棱柱 (桅杆从底部到顶部横截面直径变小)，侧面的倾斜角均为 10。 (相对于垂直轴 )，桅杆的各 收稿 日期：2007年 8月 20日 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第118期 寇艳玲等：舰船上层结构集成化及天线技术发展动态 。3l。 个面与船体合成一体，可使雷达的性能达到最佳。桅杆的壳体用复合夹层结构材料制成，作用有 两个：一是作为主桅杆结构，支撑和保护舰艇的传感器；二是用作封闭雷达和天线的外罩。外壳 夹层里嵌入了起滤波作用的频率选择层，使各种装置和雷达免受干扰，能有效减小雷达截面积。 由于封闭在桅杆内，天线等设备可免受空气和盐水的影响。系统采用了模块化设计方法，便于升 级和完善桅杆内封装的各个分系统。 图 2是 LPD17舰首桅杆侧视图。桅杆高为 10．1m，底部直径 9．5m，8．4m高度处的乌鸦窝平 台层直径只有5．3m。舰首桅杆为海面搜索雷达及其天线罩提供了基座，但雷达未封入桅杆壳内。 在两个中间壳内封装了多个传感器和天线，包括一副 UHF／VHF／FM TV天线。所有传感器和天线 的电气控制和信号处理设备都布置在舰 内。 乌鸦窝平台 1．1m防波板 30”x30”密封平台开口 电缆支撑杆 36”x36 非密封平台开口 图 1 美国海军 “圣安 东尼奥”号 两栖船坞运输舰 (LPD17) 图 3是 LPD17的舰尾桅杆侧视图。桅杆高 20．8m， 鸦窝平台层直径为 5．9m，中间距底部大约 5．6m处 安装了采用平面阵列天线的 S波段频扫三坐标远程 对空搜索雷达 ，即 SPS一48E雷达 。在乌鸦窝平台顶 部的封闭支柱内装有两副 UHF LOS XCVR天线和 一 副 CETPS天线。桅杆顶部支持 JTIDS(联合战术 信息分配系统)和 TACIAN天线[21。 美国在舰船集成天线方面有许多重要进展。在 先进多功能射频系统 (AMRFS)项 目中，开发了通 用宽带有源阵列天线体系结构，能同时收发多个雷 达、电子战和通信用的独立波束。在多功能电磁辐 射系统 (MERS)中，将特高频 (UHF)视距通信、 图 2 舰 首 AEM／S侧视 图 底部平面直径 13m，距底部 17．2m处的乌 图 3 舰尾 AEM／S侧视 图 甚高频 (VHF)视距通信、敌我识别 IFF、联合战术信息分配系统 (JTIDS)和作战测向 (CDF) 四种天线合并成单个天线结构。在隐形多功能烟囱 (LMS)集成化上层结构设计中，将多功能阵 列卫星通信天线安装到甲板舱式结构中，已演示了两套嵌入式天线系统封装方案，可为舰艇提供 4条卫星通信链路，即特高频、极高频、全球广播和海事卫星通信。美海军研究局开始实施可承 受性集成结构孔径 (AISA) 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，开发舰船外部复合结构中嵌入式天线的最佳制造方法，它使舰 船外体既可以当作天线也可 以当作承载结构使用。 2．2 英国先进技术桅杆 ATM及集成天线 英国奎奈蒂克 (QinetiQ)公司 1992年就在皇家海军的支持下开始研究先进技术桅杆 (ATM， Advanced Technology Mast)，也称封闭式隐身桅杆，它将各种雷达、通信天线设计成平面式或球 维普资讯 http://www.cqvip.com · 32 · 测控与通信 2007年第 3期 形阵列天线，组成一体化的封闭式综合传感器桅杆结构，最终取代挂满各种鞭状、条状天线和各 式彩旗的传统式桅杆型式。封闭式桅杆设计中的技术难点是电磁干扰，所以材料选择十分关键。 奎奈蒂克公司技术人员均衡考虑了舰船安全环境要求、系统性能和结构形式 ，将天线置于封 闭式结构中，外壳选用频率选择材料，允许本舰上的雷达和通信 设备 “外视”，同时阻止舰外的干扰辐射信号进入桅杆内。通过减 少虚假 目标和限制信号损耗措施，确保舰上雷达和通信装置毫无 障碍地与外界联络 。最终使系统性能提高，辐射功率得到控制 ， 减少了电磁干扰，上部结构重量减少，天线可免受环境的影响， 外壳可在造船厂利用现有的成熟技术制造，能大大降低成本。 目前先进技术桅杆经过实尺寸结构设计、研制、试验，以及外 壳材料研发等一系列工作，技术已成熟，如图 4和图 5所示。已 验证了两种可行的先进桅杆结构，一种是 自支撑式全复合材料结 构，一种是将复合材料板安装在钢架上。两种方法都是有效的， 图4 桅杆复合材料外壳 应用时根据舰船强度和重量要求选择不同的方案。奎奈蒂克公司先进技术桅杆装备的首艘舰艇是 英国海军 “皇家方舟”号航母。 英国防御评估局海洋分部进行 了集成天线桅杆结构实验研究 】 ， 目的是获得制造集成天线桅杆的依据、性能情况、特殊结构的 窗口、制造工序、传感器特性及波形等数据。实验集成天线桅杆的 顶部配置了旋转多功能雷达，下面是电子支援测量天线、电子干扰 发射机、UHF和 VHF通信天线，以及 I波段和 E／F波段导航雷 达，所有这些都装在频率选择材料封 闭壳内。桅杆的每一段都制成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 模块式 ，按安装的通信设备特点在里面进行了个别改装。各个 模块用屏蔽复合材料制成轻型平台和八面环形结构，采用角锥体截 面形状 以方便邻近模块连接。频率选择材料是用渗有导电石墨的复 合材料制成，导电层布有阵列小孔，这些小孔对电磁波起到频率选 图5 先进技术桅杆 择和滤波作用。因为通带很窄，所 以能有效地屏蔽封装在里面的天线，采用外表面结构小的部件 和先进的吸波材料，从而减小雷达截面积，并增大通信设备视角范围。 在实尺寸试验阶段研究了频率选择外壳在天线发射时的效果，频率选择层后面高功率天线的 热效应，对 EMC的改善效果等。随后在新船上对实尺寸集成天线桅杆结构进行海上试验，评估 了相关设计和集成天线桅杆的工作情况，验证了集成结构具有寿命长、布局合理和耐久性，能进 一 步改善传感器特性，减少波瓣，改善 EMC和降低维修费用等。 英国海军计划在 2012年后把水面战斗舰船作为应用集成天线桅杆首选 目标。 2．3 德国集成多探测器桅杆 (IMSEM)及天线技术 德国海军最近披露了 FDZ．2020计划。FDZ是德文 “未来护卫舰”的缩写，FDZ．2020是从小型护卫艇到 6000吨级舰队防空护卫舰水面战舰系列。全新概念的后 续舰 F一125型 (也即 FDZ一2020计划)现处于概念定义 和技术储备阶段，参见图 6。作为全隐身战舰，FDZ一2020 将采用集成全封闭式桅杆或称为 “集成多探测器桅杆” (IMSEM，)，进一步实现了将全舰探测、通信系统有机 图6 FDZ-2020未来护卫舰想象图 整合的 “孔径集成”。整合在桅杆中的雷达天线主要包括x及 s波段有源相控阵天线，分别用于 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第 118期 寇艳玲等：舰船上层结构集成化及天线技术发展动态 ·33 · 对空、对海搜索及引导区域防空导弹，桅杆内雷达、电子战、通信天线均以不同孔径的方式集成。 好处是将传统布局散落于舰体各处的探测器、天线集中起来，既降低了雷达反射截面积，又能较 好地解决电磁兼容问题。 EADS(欧洲防务航空航天公司)德国公司受德国防御技术与采购局 (BWB)委托为 F．125 级护卫舰研发多功能综合天线系统【4】。计划实现如下功能：对空监视；指挥无人机；目标跟踪； 对海监视；敌我识别；海上 目标跟踪；战术数据链；超高频通信：卫星通信；电子支援措施通信 ／电子侦察；民用通信。根据未来护卫舰将面临的作战场景，规定综合天线系统 内各分系统的性 能参数。由于力图实现多功能天线，所以对天线、辐射 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 、高频器件、分配网络和信号处理等 分系统提出了新的严格要求。概念研究阶段评估了各种备选技术。可选天线罩结构有频率选择天 线罩和开关式天线罩。系统优选方案是模块化天线塔和孔径共用，所有天线分布在前后两个天线 塔内，即所谓两岛式方案。前天线塔内的天线只覆盖舰的前半球，后天线塔的天线只覆盖后半球， 每一种功能天线互不遮挡以便实现环视。而两个天线塔顶上的天线组具有全向辐射特性。在天线 垂直配置的情况下，根据功能的优先级使作用距离最大。下一步将研究各功能天线的共孔径设计； 超高频收发时如何减少信号分配损耗；多功能雷达分布在两个天线塔内对硬件和软件的影响；一 体化卫星通信天线；频率管理和时间管理；天线塔的结构设计，特别是导航雷达放置在天线塔内 的问题等。 乌鸦窝天线是一种单元按统计概率密度分布在一个球体 内的相控阵天线，这种天线能够实现 半球波束覆盖，与多面阵、平面阵和共形阵天线相比其最大优点是在各个方向上有恒定的二维波 束宽度和高的阵列增益，适合用在要求半球波束覆盖的舰载多 功能雷达中。德国已研制成功 C、X、S波段雷达用乌鸦窝天线， 图 7是西门子公司制造的 X波段乌鸦窝天线。德国应用科学研 究组织 (FGAN)详细研究了乌鸦窝天线 j，并成功制作了几个 样品。与平面阵列天线相比，乌鸦窝天线优势明显： 1)重量小，造价低。以直径为 Im的 x波段天线为例。乌 鸦窝阵列单元密度小于 3单元／ 。( 是波长)，馈线密度小于 70线／ ，这样就有 2500个单元，重量 1350Kg，造价 725，000 欧元。而同样直径的平面阵列 (对角线为 1131的方口径)单元有 48×48个，面积是 0．65m×0．65m，重量是 1552Kg，天线造价 为 876，000欧元； 图7 西门子公司制造的 X 波段 CNA 2)雷达性能提高。乌鸦窝天线如果辐射单元数目选择适当， 则在任何扫描方向上增益和波束宽度是恒定的，能无间隙地实时跟踪扫描和不间断连续过顶跟 踪，特别适用于舰载移动雷达系统。虽然乌鸦窝天线副瓣 (尤其是后瓣)电平很高，在理论上增 加了电子对抗中遭毁坏的危险性，但由于这种天线也能像相控阵一样产生零扫描，因此不算什么 缺陷； 3)结构简单。乌鸦窝天线不需要天线移动用的基座 ，减少了设备的复杂性，不仅安装方便， 省去了机械维修费用，还避免了因机械转动产生的延时。在不需要 360。而只针对特定区域时可 定义扫描截面，从而增加作用距离和其它功能扫描时问。而固定平面阵列只能在±60。范围内完 成同样任务，作用距离减小并且有扫描损失。 此外，乌鸦窝天线单元之间空隙较大，可以插入其它不同频段工作的天线，实现共享 口径。 这在单元问距只有 0．5 的相控阵天线上则难 以实现。 (下转第 6I页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第 l18期 测控与通信 · 61 · 基于模糊数学与统计理论集成的 多传感器数据融合方法 齐立峰 冯新喜 (空军工程大学 电讯工程学院 西安 710077) 摘要 j} 用格罗贝斯统计理论剔除系统误差数据，对余下的有效数据，利用模糊理 论计算其与估计值之间的模糊贴近度，并以此确定每个传感器的重要性权重，最后提出 数据融合公式实现多传感器的数据融合。 关键词 模糊贴近度 格罗贝斯统计 传感器融合 1 引 言 多传感器数据融合指的是充分利用不同时间与空间的多传感器信息资源，采用计算机技术对 按时序获得的多传感器观测信息在一定准则下加以自动分析、综合、支配和使用，获得对被测对 象的一致性解释与描述，以完成所需的决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的 性能。多传感器数据融合可以增加测量的可信度，改善系统的可靠度，在工业和军事等方面得到 了广泛地应用。人们针对不同场合给出了许多融合的方法⋯，其中以统计理论与模糊数学的方法 为最多 ，但将两者集成而进行数据融合的方法却较少。本文首先利用统计理论中的格罗贝斯判 断准则剔除多传感器数据中的疏失误差，然后对余下的有效数据，利用多传感器数据模糊相关特 性，提出了一种基于模糊贴近度的数据融合方法。该方法先将传感器量测值与目标估计值进行模 糊化，再定义与计算每个传感器的量测值模糊量与目标估计值模糊量之间的贴近度。由贴近度的 大小来表征传感器的重要性，贴近度越大表示该传感器对数据融合结果的影响越重要，在融合过 程中其权重也越大。最后提出数据融合公式实现多传感器数据融合。经实际应用验证了该方法的 有效性 ，得到了比单一传感器或多传感器均值融合更好的测量结果。 2 数据融合理论 2．1疏失数据剔除方法 (格罗贝斯判据) 设对某一被测物作等精度的多次独立 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ，得到一已按从小到大顺序排列的测量子集x： Xl≤X2≤⋯ ≤ 且所测得 Xi(f=1,2⋯， )服从正态分布。则： 1 ， i=1 Vf X 一 n 0 根据顺序统计原理 ，格罗贝斯 (Grubbs)计算统计量 收稿 日期：2007年 3月 l7日 维普资讯 http://www.cqvip.com