1.4 雷达装备工业设计介绍

1.4.1 雷达的工作原理及组成

雷达是英文Radar的音译，源于Radio Detection and Ranging的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息，如目标的尺寸和形状等。飞机、导弹、人造卫星、各种舰艇、车辆、兵器、炮弹及建筑物、山川、云雨等，都可能作为雷达的探测目标。按装载平台，雷达主要分为地面雷达、舰载雷达、机载雷达和星载雷达。

典型的雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。雷达工作时，发射机产生辐射所需强度的脉冲功率，馈送到天线后经天线向空间辐射电磁波。在天线控制设备的作用下，天线波束按照指定的方式在空间扫描。当电磁波照射到目标时，二次散射电磁波的一部分到达雷达天线，再通过接收机进行放大、混频等处理以后，送到雷达终端设备，以便对回波进行处理后，得到所需的观测波形和数据，如图1-26所示。

1.4.2 雷达的演进和发展

1.世界雷达发展情况

1）早期雷达的发展

19世纪后期，电磁学理论的建立和相关试验为雷达的诞生奠定了科学基础。1922年，美国海军研究实验室利用双基地连续波雷达检测到在其间通过的木船，开启了雷达的初步尝试。第二次世界大战期间，作为情报侦察的重要手段，雷达得以快速发展。1935年，英国的罗伯特·沃森·瓦特研制出世界上第一台实用雷达。1936年，美国海军研究实验室研制了T/R（收发）开关，使一副天线兼具接收和发射功能，简化了雷达系统结构，并在同年研制出作用距离达40km、分辨力为457m的探测飞机的脉冲雷达，进一步推动了早期雷达的发展。1938年，英国为防德军空中突袭在邻近法国的本土海岸线上布设的报警雷达链Chain Home是早期雷达中最典型的案例。该型雷达设备尺寸庞大、结构笨重，被称为“房间里的巨大设备”，发射和接收天线安装在桁架结构的高塔上，如图1-27所示。

1939年，英国成功研制了大功率磁控管，克服了甚高频雷达波束和频带窄的缺点，使实用雷达步入了微波频段。20世纪40年代，美国辐射研究室把雷达微波新技术应用于军用机载、地面和舰载领域，其代表产品是SCR-270警戒雷达（图1-28）、SCR-584炮瞄雷达（图1-29）和AN/APQ机载轰炸瞄准相控阵雷达。在此期间，俄罗斯、法国、德国、意大利、日本等国都独立发展了雷达技术，但除美国、英国外，雷达频率都不超过600MHz，雷达发展仍处于起步阶段。该阶段的国外雷达已初具现代雷达结构的基本雏形。

2）20世纪50—60年代的雷达发展

20世纪50年代，雷达理论进一步发展，形成了匹配滤波理论、统计检测理论、雷达模糊图理论和动目标显示技术等一系列成果。20世纪60年代，由于航空航天技术的飞速发展，出现了诸如脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、相控阵雷达（如图1-30所示的AN/FPS-85相控阵雷达）等新体制雷达，雷达应用领域拓展到导弹、人造卫星及宇宙飞船等。由于采用了脉冲压缩技术、抑制地物杂波干扰技术、低噪声器件研制技术等，雷达的工作性能、测角精度和作用距离大幅提高，工作波长从短波扩展至毫米波、红外线和紫外线领域。

3）20世纪70—90年代的雷达发展

20世纪70年代，随着数字化技术和超高速集成电路技术的快速发展，雷达信号处理能力取得重大突破，雷达信号处理机更为精巧、灵活，体积缩小到原来的1/10。20世纪80年代，无源相控阵雷达（如图1-31所示的“宙斯盾”雷达）研制成功，毫米波雷达开始研制、试验，同时雷达进行模块化、多功能化和软件工程化设计，使雷达可靠性大幅提升。

20世纪90年代，随着有源相控阵体制雷达技术成熟、毫米波雷达研制成功，以及机载雷达与多传感器的数据融合（如图1-32所示的AN/APG-77雷达）等，雷达逐渐具有多功能、综合化、高可靠、抗干扰、远距离、多目标和高精度等先进特性。

4）21世纪的雷达发展

进入21世纪，相控阵雷达、合成孔径雷达、脉冲多普勒雷达这三种主流体制的雷达不断演变和完善，并逐渐向网络化、智能化发展。同时，高频超视距雷达、逆合成孔径雷达、干涉仪合成孔径雷达、双/多基地雷达、毫米波雷达等新技术新体制日趋成熟，成为未来雷达技术的发展趋势。如图1-33～图1-35所示，以美国3DELRR软件化雷达、法国GM 400雷达、俄罗斯S400防空系统91N6E目指雷达为例，可以看出新时期的雷达已针对整机外观进行了造型设计，呈现出形态整合度高、特征辨识度高等特点。

2.我国雷达发展情况

我国雷达技术和产品的发展历程可分为修配、仿制、自行设计、发展提高和全面发展5个阶段。

1）修配阶段（1949—1953年）

该阶段以修配美国、日本旧雷达为主要标志。1949年，我国第一个雷达研究所（南京电子技术研究所）的成立标志着中国雷达工业的起步。20世纪50年代初，面对朝鲜战争和东南沿海防空警戒对于雷达装备的需要，国家大力支持雷达研究所工作，利用缴获的雷达器材，以及美国、日本在第二次世界大战中留下的旧雷达进行维修和补缺配件，装备部队使用，如图1-36所示。该时期修复的雷达主要为警戒雷达、炮瞄雷达、单目标跟踪雷达，以及舰艇上搜索海面活动的目标雷达，后期也对少量苏式雷达进行过修理，如图1-37所示。

2）以仿制为主的发展阶段（1954年至20世纪60年代初）

该阶段以建立雷达生产基地和仿制苏式雷达产品为主要标志。20世纪50年代初，在苏联的援助下，我国新建雷达生产厂，开始仿制苏式雷达产品，涉及警戒雷达、炮瞄雷达、舰用雷达、机载雷达、制导雷达等。与此同时，我国同步开展地面防空雷达的自行设计，1954年研制成功的中程警戒314甲雷达是我国第一批装备部队的国产雷达，如图1-38所示。1956年，我国设计成功第一部微波对海远程警戒雷达，如图1-39所示。雷达的成功仿制扩展了我国装备部队雷达产品的门类系列，形成了雷达为陆军、海军、空军部队服务的雏形。通过多部雷达的引进仿制，我国掌握了雷达试制生产的全过程。

3）以自行设计为主的发展阶段（20世纪60年代初期至70年代中期）

该阶段以雷达自主研制、新技术大量采用和科研队伍成长壮大为主要标志。20世纪60年代，根据中央军委的要求，该阶段围绕着“两弹一星”等战略武器和陆军、海军、空军常规武器装备的现代化配套，开展了多型雷达的自主研究、试制和生产。在军用领域，单脉冲精密测量雷达（图1-40）、大型预警相控阵雷达（图1-41）、机载火控雷达、导弹制导雷达（图1-42）等多型雷达的研制成功推动了我国雷达技术的快速发展。其中，单脉冲精密测量雷达圆满完成我国第一颗人造卫星“东方红”发射的测控任务。在民用领域，自行设计的气象雷达、空中交通管制雷达等也陆续投入使用。该阶段我国开启自行研制雷达的新时代，从材料、结构、加工工艺等方面全面掌握雷达设计能力。

4）发展提高阶段（20世纪70年代中期至90年代）

该阶段以雷达新技术不断被突破、品种增多为主要标志。改革开放以来，我国雷达技术不断发展，实现了雷达设计集成化、数字化、自动化、固态化。机载雷达方面，研制成功了具有全方位、全高度、全天候的脉冲多普勒机载火控雷达（图1-43）及机载多功能轰炸雷达。船载雷达方面，研制成功了船载精密测量雷达（图1-44）。还研制成功了如炮位侦察校射雷达、敌我识别雷达、天气雷达、近程远程交通管制雷达、着陆雷达、成像雷达等一批新型雷达。

5）全面发展阶段（20世纪90年代以后）

该阶段研制的雷达在技术上实现了全面发展，雷达本身融合了单脉冲跟踪体制技术、脉冲压缩体制技术、多普勒体制技术、相控阵体制技术和成像体制技术等于一体，雷达具备了作用距离远、抗干扰性能好、分辨率高、高可靠的性能。21世纪以来，我国通过陆、海、空、天多领域的雷达装备，建立了国土防空雷达情报网、航天测量控制网、对海雷达情报网及气象雷达探测网等，保障了导弹、卫星、飞机、舰艇等尖端装备。在国庆60周年阅兵式中，我国预警雷达方队首次亮相接受检阅，如图1-45所示。之后我国预警雷达方队陆续参加了纪念抗战胜利70周年阅兵式（图1-46）、建军90周年阅兵式（图1-47）和国庆70周年阅兵式（图1-48、图1-49），次次都有新型雷达装备登场。此外，我国研制的各类雷达产品也频频在珠海航展、世界雷达博览会中亮相，展示了我国的科技实力和大国风采（图1-50～图1-52）。

1.4.3 雷达结构的基本形态

1.地面雷达

1）固定式地面雷达

固定式地面雷达多采用相控阵体制，整体结构庞大、组装密度高，通常为多层建筑，整体风格方正，棱角分明。天线阵面通过其过渡骨架与天线楼的支撑点连接。该类型的典型雷达为美国“铺路爪”远程预警雷达（图1-53），该雷达采用双面阵天线，所有设备安装在一座32m高的多层建筑物内，两个圆形天线阵面彼此成60°，每个阵面后倾20°，直径约30m，由2000个阵元组成。

2）机动式地面雷达

机动式地面雷达一般安装在专用车辆上，天线阵面与车辆一体化设计，具有机动性强、集成度高的特点。该类型的典型雷达如瑞典Giraffe系列雷达（图1-54），该系列雷达遵循单元模块化、形象完整化的设计思想，具有明显的产品家族化特征。“Giraffe”系列先后发展有多种型号，包括Giraffe 40、Giraffe 50AT、Giraffe 75、Giraffe 100、Giraffe AMB（图1-55）、Giraffe CD、Giraffe S等型号。

2.舰载雷达

舰载雷达呈塔式结构，整体布局紧凑、精巧，具有协调性和均衡感，其天线通常安装在舰船的桅杆区或专设的平台上，天线阵面呈现规整的方形或圆形结构，如图1-56所示。该类型的典型雷达为装载于法国FDI护卫舰的“海火”多功能雷达（图1-57），此雷达阵面由12个子阵列模组构成，每子阵列模组有64个单元（8×8排列），每单元有4个T/R组件。

3.机载雷达

机载雷达主要分为火控雷达和预警雷达，机载火控雷达体积小巧，通常布置于机头位置，预警雷达外观一般为“蘑菇”形（图1-58）和“平衡木”形（图1-59）。为满足载机上有限的容纳空间，机载雷达设备通常尺寸较小，与机头处共形设计，与圆润柔和的飞机形象相呼应，具有科技感和精致感。该类型的典型雷达为装载于F-22战斗机的AN/APG-77雷达，如图1-60所示。该雷达的天线为椭圆形，采用不同类型的电子扫描相控阵，有2000组独立的发射和接收模块，位于每个阵元后面。天线由数千个手指大小的辐射阵元组成，每个阵元都有一个单独的发射机和接收机。发射/接收模块、循环器、辐射器等组装成子阵，然后集成为一个完整的阵列。

4.星载雷达

星载雷达体积小、质量轻，结构与卫星共形设计，多为矩形结构，表面贴有隔热的聚酰亚胺薄膜，具有较强的光泽感。该类型的典型雷达如欧洲航天局研制的ENVISAT雷达卫星（图1-61），该卫星重8211kg，是欧洲迄今建造的最大的环境卫星。卫星上所载最大设备是先进的合成孔径雷达（ASAR），可生成海洋、海岸、极地冰冠和陆地的高质量图像，为科学家提供更高分辨率的图像来研究海洋的变化。

1.4.4 雷达装备工业设计的特点

工业产品总是以一定的形象呈现在使用者面前，雷达也不例外。我国雷达装备因其复杂的功能要求、特殊的使命任务，其产品形象不仅蕴涵了其在整个生命周期中呈现出的视觉特征、功能品质，还承载了作为“大国重器”所传递的装备文化、民族自信的精神价值。雷达装备工业设计水平不仅能体现雷达以及整个行业的形象，更能体现我国科学技术的综合实力。作为典型的复杂电子装备，雷达研制成本高，技术难度大，服役时间长，这对其工业设计提出了更高的要求，雷达装备工业设计的技术特点也更为复杂。

1.技术主导性：雷达形态受技术指标、装载平台的强约束性明显

雷达形态受技术指标、装载平台的强约束性影响明显。雷达通过电磁信号进行目标探测感知，是以电讯功能为主导的复杂电子装备。雷达的形态应遵循技术指标、功能需求对整体构型的要求。雷达形态的变化与技术原理的进步息息相关，如早期抛物面型的机械式扫描雷达和现阶段平板型的相控阵机电扫雷达差异很大。工作频段和威力大小决定了雷达的整体规模，如在相同频段下，威力需求越大，则雷达规模越大；不同频段下，频段越高，则雷达阵面单元的排布越紧凑。

雷达装载平台覆盖了陆、海、空、天各类领域，不同装载平台的雷达整体形态与规模也会有巨大的差异。如车载平台要求雷达具备优良的机动性与战场适应能力，这就限制了雷达运输单元的形式与规模，对雷达的模块装配和架设撤收提出了较高的要求。机载平台受限于载机外形与装备重量，因此需要雷达设备随形设计与轻量化、小型化设计。舰载平台工作环境恶劣，对雷达提出了严苛的环境控制、耐腐蚀以及抗冲击要求。对于星载平台，每增加一克质量都带来更多的发射燃料需求，同时在轨工作需要克服维修困难的问题，要求星载雷达具备极致的轻量化和高度的可靠性设计。大型固定式雷达，其空间和重量限制较小，形式较为多样，可依托建筑进行一体设计。

2.系统复杂性：雷达装备工业设计多因素混合特征显著

雷达装备工业设计中的多因素混合特征显著。在传统工业设计领域，往往遵循密斯的“少即是多”原则，但是雷达作为复杂的电子装备，其功能、性能的要求以及关联的软硬件的耦合很复杂。同时，为了确保维修性、环境适应性、长期服役可靠性以及在各种故障模式下的应急操作等，复杂性必然是雷达工业设计的一部分，是不可避免的。从雷达产品本身来看，其系统组成复杂，零部件众多，需要考虑传力、散热、屏蔽、密封、互联等多维度因素。而对于雷达用户来说，一方面雷达的采购者和使用者可能是分开的，另一方面雷达的功能还直接与系统效能的贡献率息息相关，具有产品组成复杂、客户需求复杂、产品功能复杂的特点。因此，雷达工业设计不仅要表现外在形式的美，还需要通过实现雷达产品内在的和谐与有序，呈现出结构自身的技术美。

3.稳定延续性：雷达装备工业设计更注重风格的长期稳定性

雷达装备工业设计对其风格的长期稳定性要求更高。相较于消费类电子产品，雷达作为“大国重器”，使用和服役时间长，要求装备具备极高的稳定性和可靠性，造型风格在短时间内不会出现明显代际变换。对于雷达装备工业设计来说，一方面要求雷达的风格设计要能够经得起时间的沉淀和设计趋势变化的考验；另一方面还需要提升雷达装备模块化、标准化和系列化的水平，在接口关系、外形包络等方面使用统一标准，按照功能需求进行模块化设计，保持装备研制的延续性。同时从绿色设计角度来说，雷达装备的稳定延续性也能最大程度地减少维护成本。

4.人机协同性：雷达使用效能与“人—机—环境”设计关联紧密

雷达使用效能与“人—机—环境”设计关联紧密。雷达装备是复杂的人机系统，具有人机协同关系复杂、系统交互操作繁多、工作环境相对恶劣等特点。在信息化发展趋势下，雷达接收和处理的信息量大幅增加，给使用人员带来繁重的工作负荷，因此，雷达设备的布局、结构尺寸、交互界面与人员的效率和舒适密切相关。方舱作为雷达使用人员日常活动的作业空间，其内部环境设计（如色彩、光照、吸声、隔热等）也是雷达用户体验的重要体现。此外，雷达架设流程的合理性、整机及设备维护保障的便捷性与雷达使用效能密切相关，因此，雷达人机工程设计已经成为雷达工业设计中非常重要的内容。

5.环境多样性：雷达服役环境多样性对 CMF 提出更高要求

雷达服役环境多样性对CMF提出了更高要求。雷达因其特殊的任务和使命，产品分布在各个经度、纬度、海拔地区，从地球、临近空间到太空，面临各种极端的低温、高温、高湿、高盐、低气压、沙尘、辐射等严酷环境。普通消费类电子产品的材料选择、涂覆标准和加工工艺已远远不能满足雷达装备的设计、制造和使用要求。此外，雷达装备种类多，形态各异，组成复杂，涉及的色彩、材料和工艺要素更是多种多样，雷达的涂装往往也有其特有的伪装要求，因此雷达工业设计在细节的构型设计以及CMF上需要充分考虑使用场景和环境要求。

1.4.5 雷达装备工业设计研究的内容与思路

针对雷达装备工业设计技术主导性、系统复杂性、稳定延续性、人机协同性和环境多样性的特点，雷达装备工业设计应在满足技术性能指标的基础上，综合考虑复杂的设计因素和多样的环境条件，以用户的良好体验为核心，提供美观、高效、经济的产品系统解决方案。

雷达装备工业设计的过程可以看成是人机交互、产品形象为主的设计要素在各个产品研制阶段之间的流动过程，如图1-62所示。一方面，雷达装备工业设计从用户需求出发，通过用户研究和策略研究输出用户体验和产品形象需求报告，以此开展人机工程设计和产品形象设计，最终结合物理实体样机和数字化样机进行对比设计验证和结构工艺迭代优化，助力产品的顺利定型交付。另一方面，雷达装备工业设计在生命周期、技术指标、成本控制、装载平台等设计条件的约束下，依托产品形象策略、人机设计规范、数字化档案馆等基础积累，形成行业趋势分析、人机交互分析、典型设计案例、材料色彩形态样本等知识成果，最终应用于产品研制各个环节中。

从系统架构的角度，提出工业设计与雷达产品研制的全流程融合，约束层、基础层、知识层紧密结合支持应用层，实现雷达产品研制的各阶段优化。通过掌握运用工业设计关键技术，为雷达装备工业的高质量发展赋能，实现结构工艺与工业设计的有机结合，建立系统化、全面化、精炼化的雷达装备工业设计体系，为雷达装备向整体感、科技感、品质感发展提供理论参考。 KOnM15t+YuDbhmanDA6oEaYpuljaTY42vIUIGaWxE0QruYoG2gAFC9KfRoRARJLB