CN105115437A - 一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统，包括多个用于对变形关键点的变形量进行测量的光纤光栅传感器，其输出端与光电转换装置的输入端相连，光电转换装置的输出端与数据采集单元的输入端相连，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端相连，数据处理单元的输出端与用于实时显示天线阵面全场变形的变形显示单元的输入端相连。本发明还公开了一种机载雷达一体化天线的变形实时测量方法。本发明尺寸小、附加重量轻、抗电磁干扰能力强，能够很好地满足机载一体化天线测量空间狭小、重量要求苛刻的需求。通过本发明能实时获得机载天线由于空气动力、姿态变化、温度等造成的结构变形，可以进行机载天线的电性能畸变的实时补偿。

Description

一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统及方法

技术领域

本发明涉及机载雷达相控阵天线变形实时测量技术领域，尤其是一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统及方法。

背景技术

姿态改变、风载荷、热载荷等各种因素会对天线精度产生影响，特别是高精度要求的雷达天线，结构变形对其性能的影响不可忽略。雷达天线对结构设计的要求是一般需要将其变形控制在1/10～1/20波长以内，如对于高波段天线如X波段天线(波长约36mm)则需要控制其变形小于1.8mm，而对于Ka波段(9mm)甚至需要使其变形小于0.45mm，如果单纯通过刚度设计等往往很难做到，而对于机载天线等对重量有严格限制的地方则几乎无法实现，常规结构设计手段带来较大设计难度。为了降低结构设计难度和成本，提高天线精度，目前一种可行的思路是对阵面变形进行实时测量，并将变形数据传输给电讯进行实时位相等的电性能补偿。

对天线进行结构变形的测量方法包括传感器测量、激光测量、视觉测量等方法，但由于机载一体化天线与平台进行了一体化设计，其可利用的测量空间狭小，且对重量要求非常苛刻，常规测量方法难以实现。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种体积小、重量轻，对测量空间和测量角度无要求，适合依附在机载雷达一体化天线阵面上进行变形测量的机载雷达一体化天线的变形实时测量系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统，包括多个用于对变形关键点的变形量进行测量的光纤光栅传感器，其输出端与光电转换装置的输入端相连，光电转换装置的输出端与数据采集单元的输入端相连，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端相连，数据处理单元的输出端与用于实时显示天线阵面全场变形的变形显示单元的输入端相连。

所述光纤光栅传感器在制作天线的同时预埋在天线阵面内，多个光纤光栅传感器在天线阵面内均匀分布。

本发明的另一目的在于提供一种机载雷达一体化天线的变形实时测量方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)光纤光栅传感器探测到因变形导致的光信号改变；

(2)光纤光栅传感器将该改变的光信号通过光电转换装置转换为各个变形关键点的应变数据的数字信号，并将该数字信号发送至数据采集单元；

(3)数据采集单元将应变数据发送至数据处理单元，数据处理单元将应变数据代入到变形的应变位移转化算法，实时获得全场变形数据；

(4)变形通过变形显示单元进行实时曲面动态显示，同时变形数据作为工程数据通过数据库进行存储。

所述应变至变形的应变位移转化算法的基本形式如下：

{d}＝[Φd][Φs]^T[Φs]^-1[Φs]^T{ε}

其中，[Φd]代表位移模态，[Φs]代表应变模态，ε为实测的平面内应变值。

所述光纤光栅传感器的布置优化通过以下公式不断迭代实现最小化：

其中，N_d代表参与计算位移点的数量，N_s代表实际布置传感器数量，x_p代表预估的变形，x_k代表理想变形，P为加权数，P值越大则所需光纤光栅传感器的数量越少。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，集成度高、重量轻、体积小、数据处理快捷，能同时满足轻量化、高精度及实时性测量需求；第二，对测量空间和测量角度无要求，适合依附在雷达阵面上测量；第三，该测量系统的另一个突出好处在于，当其最终被用于雷达波束补偿时，可作为一个单独的系统存在而不增加雷达系统复杂度。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的系统框图；

图3、4、5均为本发明实施例一的某天线变形模式图。

具体实施方式

如图1所示，本发明在天线表层埋入一系列光纤光栅传感器1实时测量天线结构应变,基于这些测量点的应变，通过应变位移转化算法,实时获得天线全场变形，应变位移转化算法基于对结构进行有限元分析及力学试验，并得到足够多的变形模态及应变模态获得。根据实时传输的阵面变形数据，便可以通过对应的位相延迟等处理方法进行变形补偿，通过本发明能实时获得大型雷达天线由于风载、温度等造成的结构变形，并进行该天线的电性能畸变的实时补偿。

如图2所示，一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统，包括多个用于对变形关键点的变形量进行测量的光纤光栅传感器1，其输出端与光电转换装置3的输入端相连，光电转换装置3的输出端与数据采集单元的输入端相连，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端相连，数据处理单元的输出端与用于实时显示天线阵面2全场变形的变形显示单元的输入端相连。所述光纤光栅传感器1在制作天线的同时预埋在天线阵面2内，多个光纤光栅传感器1在天线阵面2内均匀分布。

本方法包括下列顺序的步骤：(1)光纤光栅传感器1探测到因变形导致的光信号改变；(2)光纤光栅传感器1将该改变的光信号通过光电转换装置3转换为各个变形关键点的应变数据的数字信号，并将该数字信号发送至数据采集单元；(3)数据采集单元将应变数据发送至数据处理单元，数据处理单元将应变数据代入到变形的应变位移转化算法，实时获得全场变形数据；(4)变形通过变形显示单元进行实时曲面动态显示，同时变形数据作为工程数据通过数据库进行存储。

所述应变至变形的应变位移转化算法的基本形式如下：

{d}＝[Φd][Φs]^T[Φs]^-1[Φs]^T{ε}

其中，[Φd]代表位移模态，[Φs]代表应变模态，ε为实测的平面内应变值。

所述光纤光栅传感器1的布置优化通过以下公式不断迭代实现最小化：

其中，N_d代表参与计算位移点的数量，N_s代表实际布置传感器数量，x_p代表预估的变形，x_k代表理想变形，P为加权数，P值越大则所需光纤光栅传感器1的数量越少。

实施例一

所述光电转换装置3包括光开关，其第一端口通过光纤与光纤光栅传感器1的探头相连，其第二端口与耦合器双向通讯，耦合器与光纤放大器双向通讯，光开关的第三端口与光栅解调仪双向通讯，光栅解调仪的输出端与数据采集单元的输入端相连。

本实施例通过一个1维变形板来验证该测量系统的测量原理和方法,尺寸为4mm×80mm×600mm的板，一端固定。在悬臂板上布置光纤光栅传感器1，由于悬臂梁变形模式简单,在其上均匀布置光纤光栅传感器1探头即可。当悬臂梁端部受到荷载各部位挠度值改变时，会导致光纤光栅测量点应变发生改变，此时，光纤光栅传感器1的探头将测量到的应变信息转换为光信号并经过传输光纤、光开关、耦合器反射回到光栅解调仪，光栅解调仪将光学信号解调为模拟型号，通过数据采集单元将信号反馈到数据处理单元,数据处理单元通过应变位移转化算法将悬臂梁各部位的挠度值实时计算出来。

如图3、4、5所示，建立悬臂板有限元模型进行变形模式分析获得其变形模式，其中图4、5是其前2阶主要的变形模式，分别提取对应的应变模态和变形模态，从而获得该一维变形板的应变位移转换算法。

实际上，对于该1维变形板还可以通过简化的方式进行推导。该实验板变形可基于经典薄板理论，薄板应变变形有关系：

ε_x＝ε_x ⁰+k_xz(1)

其中ε_x为距离中性层距离z处纤维的应变，k_x为该处的曲率半径，k_x与该处的离面位移w有以下关系：

$k_x=\frac{w^{\′\′}}{{(1+w^{\′})}^{3/2}}---\left(2\right)$

因此，根据不同的载荷以及边界条件可以获得一定的应变模式，根据该模式拟合可获得应变满足的关系式：

如：ε_x＝a₁+a₂x+a₃y+a₄x²+a₅xy+a₆y²，

通过所测量应变值根据最小二乘法可获得各系数值，将ε_x带入到式(1)和式(2)，解微分方程可获得天线变形曲线。很多薄板类天线均适合应用该简化形式进行应变到变形的转化。最小二乘法的测量点数大于系数个数。

以下结合图1至5对本发明作进一步的说明。

光纤光栅传感器1在天线制造时与天线一起设计，并埋入天线表皮内，当天线产生变形时，光纤光栅传感器1反映出天线该处的应变，此处光纤光栅传感器1采用与天线材料相容的材料进行封装保证与天线材料变形一致，从而确保测量值的准确性。当天线变形为二维变形时，应在此处贴上两个垂直方向的光纤光栅传感器1，一般为x向和y向两个方向。当天线沿着某一个方向变形时，只需要沿着天线变形方向每个测量点贴上一个光纤光栅传感器1即可。

所测量应变值被传输入数据处理单元，首先进行数据滤波处理，即对测量的应变数据的准确性进行判断,排除错误的测量数据，滤波处理的作用在于防止因为个别错误数据影响整体变形的预估；其次进行应变到变形的应变位移转化算法转化，通过该算法可以将测量的关键点的应变值实时转化为天线全场的变形。

测量获得关键点应变值并通过应变位移转化算法转化为天线全场变形后，变形数据被传输到相控阵天线的波束指向控制系统中，通过一定的波束补偿算法，实时对相控阵天线波束进行校正。因此，通过本发明可以实现对结构变形造成的波束指向等电性能的损失进行实时补偿。

天线的变形模式通过有限元仿真分析、试验室力学测试及天线真实环境试验等手段获取。获得足够多的天线变形模式不仅可以推出应变到变形的应变位移转化算法，同时也可以在此基础上进行光纤光栅传感器1布点的位置优化。本发明特别适合于机载一体化天线的变形实时测量，对于空间轻量化天线以及地面天线也具有一定的应用。

综上所述，本发明尺寸小、附加重量轻、抗电磁干扰能力强，能够很好地满足机载一体化天线测量空间狭小、重量要求苛刻的需求。通过本发明能实时获得机载天线由于空气动力、姿态变化、温度等造成的结构变形，在此基础上可以进行机载天线的电性能畸变的实时补偿。本发明系统简洁易于实现工程化，可应用于机载雷达相控阵天线变形实时测量领域，特别是典型的机载复合材料一体化相控阵天线，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种机载雷达一体化天线的变形实时测量系统，其特征在于：包括多个用于对变形关键点的变形量进行测量的光纤光栅传感器，其输出端与光电转换装置的输入端相连，光电转换装置的输出端与数据采集单元的输入端相连，数据采集单元的输出端与数据处理单元的输入端相连，数据处理单元的输出端与用于实时显示天线阵面全场变形的变形显示单元的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的机载雷达一体化天线的变形实时测量系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器在制作天线的同时预埋在天线阵面内，多个光纤光栅传感器在天线阵面内均匀分布。

3.一种机载雷达一体化天线的变形实时测量方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)光纤光栅传感器探测到因变形导致的光信号改变；

(2)光纤光栅传感器将该改变的光信号通过光电转换装置转换为各个变形关键点的应变数据的数字信号，并将该数字信号发送至数据采集单元；

(3)数据采集单元将应变数据发送至数据处理单元，数据处理单元将应变数据代入到变形的应变位移转化算法，实时获得全场变形数据；

(4)变形通过变形显示单元进行实时曲面动态显示，同时变形数据作为工程数据通过数据库进行存储。

4.根据权利要求3所述的机载雷达一体化天线的变形实时测量方法，其特征在于：所述应变至变形的应变位移转化算法的基本形式如下：

{d}＝[Φd][Φs]^T[Φs]^-1[Φs]^T{ε}

其中，[Φd]代表位移模态，[Φs]代表应变模态，ε为实测的平面内应变值。

5.根据权利要求3所述的机载雷达一体化天线的变形实时测量方法，其特征在于：所述光纤光栅传感器的布置优化通过以下公式不断迭代实现最小化：

$<\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N_d}{\&Sigma;}}{(x_p-x_k)}^2}>{\left(N_s\right)}^p$

其中，N_d代表参与计算位移点的数量，N_s代表实际布置传感器数量，x_p代表预估的变形，x_k代表理想变形，P为加权数，P值越大则所需光纤光栅传感器的数量越少。