模块化设计在雷达系统中的应用

摘要：阐述了模块化设计及特点，介绍了模块化技术的优越性。重点讨论了模块化设计在雷达系统设计中的必要性和可行性，针对雷达产品的特点，概述了雷达模块化的意义和模块化的方向。
关键词：模块；模块化设计；雷达系统

    模块化设计作为一种新的设计理论和方法，自20世纪70年代在世界发达国家兴起以来，已渗透到设计的方方面面。在国外，模块与模块化两词已作为现代军事装备的特征标志予以强调，并形成了理论分析、设计生产、试验标准及规范等一套完整体系，取得了显著的经济效益、军事效益和社会效益，它为新形势下多品种、小批量、需不断改型列装的军事装备的研制生产提供了一条崭新的道路。

1 模块化设计
    模块化设计与传统的设计方法截然不同，它是统筹考虑产品系统，把其中含有相同或相似的功能单元分离出来，用标准化原理进行统一、归并、简化，以通用单元的形式独立存在的一种机电一体化设计方法。这种方法应用于雷达系统的研制中，是一种新的尝试。
1．1 模块和模块化的基本概念
    模块(Module)可定义为：组成系统(产品)的具有确定和独立的功能、标准接口和互换性的通用的硬件和软件单元。单元在狭义上可指组件或大部件，在广义上可指大系统中的小系统。模块是可以分解组合的，其大小是一个相对的，可因状态条件、具体环境而定。模块具有抽象性、独立性、互换性和灵活性的特点，模块一般制成现场可更换单元。
    模块化(Modularization)是一种设计方法，是一种新的标准化方法。模块化属于标准化范畴，模块化设计是标准化原理在设计方而的具体应用。模块化设计是以模块的分解组合为基础的，强调整个模块的通用性和互换性的一种设计方法。在广泛采用CAX技术的今天，它力求以最少的模块组成尽可能多的产品，最大限度地满足客户需求。
1．2 模块化设计思想
    模块化设计在指导思想上与传统的产品设计不同，模块化设计是按照标准化原理和系统工程原理及方法采用顶层分析与底层需求相结合的设计方法，是一个白上而下的过程，合理划分模块、建立模块体系是其设计的关键。在对设备的技术体制、性能指标、接口形式、用途及工作环境中有充分了解和对现有没备及将要研制的新设备等进行分析、研究和综合的基础上，一方面改变传统的设计方法，采用系统的观念从系统顶层向底层将设备分解成不同等级的许多单元；另一方面从系统底层向顶层进行模块需求分析，并按标准化原理对同类和相近设备进行对比、归类，合理划分模块。然后，通过对同类和相近设备间的模块进行横向协调和综合分析，找出其内在联系，按模块层次结构建立相应的模块体系。按照模块化设计方法，有这样一个关系：新型模块化设备=通用模块(大量)+专用模块(少量)+模块连接器。这样，模块化设备的研制主要成为通用模块的选用和少量专用模块及模块连接器的设计，设计人员只需了解通用模块的接口关系，而不必从头开始。这种设计模式大大简化了设计程序，缩短了研制周期，从而为雷达系统的迅速研制、改型和列装创造了极有利的条件。由于通用模块是经过大量试验、使用后制成的，其质量可靠，这样，主要精力就可集中放在专用模块的设计上，因而，设备的质量容易保证，研制风险大大减小。由于设备是由模块组装而成，各模块均设计有测试接口，便于检测、维修，可实现设备的基层级维修。同内外大量事实证明，采用模块化设计方法能显著缩短研制周期，降低研制成本，提高设备的可靠性和可维修性。
    模块化的电子设备是由电路功能模块和机械结构模块结合而成的。由于电路决定雷达功能上的差异，是新产品中最活跃的因素，这使电路功能模块的形成受到制约，但作为电路功能模块载体的结构模块随产品功能变化的因素较少，使其具备广泛的通用性及独立分解、重新组合的性能，从而实现工艺、工装通用化的目的，进而大大提高电子设备的工作可靠性、降低研制成本、缩短研制周期，为武器装备发展走基本型道路创造有利的条件。某型号雷达结构总体即以结构模块独立先行，以结构模块制约并推动电路模块发展为总体设汁指导思想，系统全面地开展跟踪制导雷达的研制工作。
1．3 模块化设计的优越性
    (1)它成功地解决了所谓“多样化的挑战”为多样化生产条件下的标准化开辟了一条新路。
    (2)模块化设计简化了机型，结构模块化受“模数”制约，使整机统一了尺寸系列和安装连接尺寸，提高生产效率，降低研制成本，提高雷达的可靠性。
    (3)简化设计，对以后雷达的改型，通过适量结构模块储备，可缩短新品研制周期。
    (4)提高雷达的有效度，只需修改雷达一些功能结构模块，就可组成新结构雷达，使结构零件、部件的有效度大大提高。
    (5)模块化设计是提高维修效率和质量，降低对维修人员的技能要求及减少维修费用的有效途径之一。
    (6)结构模块的相对稳定和阶梯上升，使可靠性得到保证。
    (7)缩短研制周期，降低了成本。根据部队和总体实际要求，可使用标准化、系列化的通用雷达结构模块组件，来组装各种结构要求的雷达，而不是每次都重新设计和制造。由于简化了设计、制造、装配，缩短了研制周期，降低了雷达研制时间，生产成本，同时提高了功能模块可靠性和可维修性，降低了运转费用。
    随着电子技术、微电子技术、计算机技术、材料科学、电子组装技术的不断发展，现代战争已发展成为高科技的电子战、信息战，对雷达系统的要求也越来越多，越来越高，如多功能、高性能、通用化、智能化、小型轻量化、操作简单化、维修快速化、外观时尚化等等。如何满足和适应现代战争的需要，实现上述设计的要求，是每个设计人员所面临的新课题。很显然，传统的设计方法已不能满足它的要求。很多专家认为：过去是价格的竞争，现存是质量的竞争，将来是设计的竞争。可见设计对设备的质量以及竞争力是何等重要。为此，设计人员应加强相关知识的学习，积极跟踪当今世界相关领域技术的现状和发展趋势，更新设计理念，丰富业务知识，拓宽业务面，提高业务水平，从而提高设备的档次和竞争力。

2 模块化设计的适应性与远景展望
    传统产品开发流程见图1，不仅时间周期长，而且还要花费大量财力和人力，在今天激烈的市场竞争中已经无法满足客户多变的需求。基于模块库的产品开发流程见图2，无须一切冉从头开始重新设计与制造，只要适当变换模块重新组合，就能像搭积木那样可以随意快速地组合出一个新产品来，这将会使新产品研制周期和生产周期大大缩短，研制费用和生产费用大大降低，使雷达可靠性和可维修性上一个新台阶，为实现一机多型提供基本条件，增强产品的配套适应能力，进一步提高我国同防武器装备的现代化水平。

    模块化是现代雷达系统发展的必由之路。任何系统都是由若干功能模块，通过它们的共享的界面组合而成的。从这个意义上看，模块化设计过程实际上就是在研究分析系统分解和组合特性的基础上，使之不断优化的过程。因而，我们也深刻地认识到，只有不断地加强对模块化理论的理解深度，不断地提高模块化设计的运用技巧，不断地解决结构功能模块对电路功能模块的制约和解决发展过程中的各种矛盾，逐步建立实用的雷达系统模块库，才是真正实现雷达系统模块化设计根本途径。

3 雷达系统模块划分
    雷达是多学科综合的系统产品，按系统工程理论和方法，根据雷达系统的总目标、雷达电气原理框图及特定的环境条件，通过对系统的分解、组合特性的详细分析，建立满足系统模块化设计需要的、可靠的系统宏模型(结构框图)用以指导分系统模块的方案设计及技术设计。
    不同用途的雷达，虽然特点各不相同，但是总体整机对分系统的要求则是基本相同的，这就是模块化雷达的基础。
3．1 雷达系统分解、组合原则
    雷达系统模块层次自下而上可以分为元件级、器件级、部件级、组件级和设备级，模块层次越高其结构也越复杂，完成的功能也越多，高层模块可由低层模块嵌套而成，为适应不同用途的需要，模块可分为通用模块、专用模块和特种模块。对于雷达系统我们采取了如下的分解、组合原则：
    (1)以功能为核心进行分解，因为功能是构成模块的根据，也是系统分解和组合成整机的基础。
    (2)尽可能扩大采用通用要素，经通用化处理后，便于形成独立的模块。
    (3)充分掌握模块内聚集度最大而模块间结合度最小原则进行系统分解。因为聚集度高，专业功能单一才可能形成一个模块，便于设计、生产、调试、试验和维护，而结合度弱，则可简化电气、结构接口，便于系统的分解与组合。
    (4)科学合理地处理模块的层次、规模和数量的矛盾。模块规模小，便于设计、生产、调试和修改，但必然带来模块数量多而不便于组合成整机的困难。反之，模块规模过大，虽然便于系统的组合，但极易造成专业功能交叉而不便于独立设计、调试、试验和维护的矛盾。为此，我们可以采取单一结构模块与复合模块并用的技术措施。复合模块就是数量和规模适中的模块集合而成的大模块，直接参与雷达系统的组合。
3．2 模块设计基本思路
    (1)模块具有相对独立的特定功能，可以对模块单独进行设计、加工和储备。
    (2)模块具有若干配合面，具有标准的结构和电气接口，单独可以进行检测。
    (3)模块具有互换性。模块配合部位的结构特征和尺寸公差严格执行标准化。
    (4)强电与强电放在一起，弱电与弱电放在一起。
3．3 雷达系统模块的创建
    根据雷达特点，我们将模块化设计定在部件或组件级。模块创建是雷达系统模块化设计中的核心环节，其主要任务是设计出标准化、通用化、系列化的模块，满足产品的基型设计，在此基础上进行变形设计及组合设计。
    以模块作为设计对象，按模块化的思想，我们对产品构成的认识将发生变化。按传统的观点，产品由部件组成，部件由零件组成。而按模块化的观点，产品由模块组成，模块是构成产品的单元。
    Pahl和Beitz将设计分为：原创性设计(Originaldesign)、适应性设计(Adaptive design)和变型设计(Variant design)三类。据此，本文将模块化设计中的模块创建也分为三类： (1)原创性模块创建，(2)适应性模块创建，(3)配置式模块创建。模块创建方案如图3所示：

4 结束语
    模块化设计是一种全新的设计思想，其与现代生产敏捷化、集成化、柔性化及智能化相适应的，并且还有利于并行工程、系统工程等思想在设计、生产和管理中的应用。追求产品的模块化设计是我们实现现代雷达设计努力的方向，目前我们全体设计人员正朝着实现这一宏伟目标一步一步前进，相信在不久的将来，我们的频率综合器，T／R组件，固态发射机，接收机，等分系统的设计不再是一部雷达一个要求，而是将已有的模块拿来集成，届时产品的设计效率、互换性、一致性、可靠性都将得到极大的提高。