CN105526879A - 基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，包括依次通过传导光纤2连接的光波发生器1、传导光纤2、多个光栅测点3、光波解调器4、信息处理器5；光波发生器1包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；多个光栅测点3被布置于卫星大阵面天线形面上，用于形成传感网络；光波解调器4，用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点3的应变和温度；信息处理器5，用于对各个光栅测点3的应变和温度进行计算，并得到天线阵面形面变形参数。本发明还提供了基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，便于进行天线结构控制或者信号补偿，使得卫星成像抗干扰性能得到提高。

Description

基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法

技术领域

本发明涉及航天卫星技术领域，具体地，涉及基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法。

背景技术

对高分辨率对地遥感卫星而言，由于受日照交变以及季节的影响，卫星结构温度环境波动较大，其大阵面天线产生变形，从而导致平面度不能满足使用要求，影响卫星在轨成像性能。因此需要测得卫星阵面天线的形变量，以便根据形变量实现进一步的天线结构控制或者信号补偿，使得卫星成像抗干扰性能得到提高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法。

根据本发明提供的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在于，包括：光波发生器、传导光纤、多个光栅测点、光波解调器、信息处理器；

所述光波发生器包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；

所述传导光纤，用于依次连接光波发生器、多个光栅测点、光波解调器以及信息处理器，并提供光波传输的通道；

所述多个光栅测点被布置于卫星阵面天线形面上，用于形成传感网络；

所述光波解调器，用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点的应变和温度；

所述信息处理器，用于对各个光栅测点的应变和温度进行计算，并得到天线阵面形面变形参数。

优选地，每个所述光栅测点均包括：Y向测应变光栅传感器、X向测应变光栅传感器、测温度光栅传感器、导热支座，且所述Y向测应变光栅传感器、X向测应变光栅传感器、测温度光栅传感器之间通过传导光纤连接，所述导热支座采用导热材料；其中，Y向测应变光栅传感器、X向测应变光栅传感器分别固定于天线阵面的Y方向和X方向，用于测量正交方向上的应变；测温度光栅传感器通过导热支座固定于天线阵面上，用于测量该光栅测点处的温度和修正应变测量值。

优选地，设置在同一路传导光纤上的多个光栅测点之间的栅距不同。

根据本发明提供的一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，利用权上述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，包括如下步骤：

步骤1：利用卫星阵面天线形面上的多个光栅测点测得所述多个光栅测点对应测点处两个正交方向上的应变和温度；

步骤2：当光波通过光栅测点的光栅时，由应变和温度引起的栅距变化会改变相应测点处光纤光栅反射光的中心波长，通过光波解调器收集输出的反射光，解调后计算出各个光栅测点的应变值和温度，并对应变值进行修正；

步骤3：利用信息处理器结合各个光栅测点修正后的应变值和各个光栅测点的布局尺寸将应变值转换成变形值，求解出卫星大阵面天线形面变形的空间曲面方程。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：测量各个光栅测点在无应变和温度变化时各个光纤光栅反射光的中心波长，计算公式如下：

λ_B＝2n_eΛ；

式中：λ_B表示光纤光栅反射光的中心波长，n_e表示纤芯的有效折射率,Λ表示光栅栅距；

步骤2.2：当光栅测点处存在应变或温度变化时，计算出由应变或温度变化所造成的应变值；

-当光栅测点处只存在应变时，由光波解调器解调后，所述光栅测点应变值计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B};$

式中：ε表示作用在光栅测点处的应变，△λ_B表示光纤光栅反射光中心波长的变化量，p_e表示光纤的有效弹光系数；

-当光栅测点处只存在温度变化时，所述光栅测点的光纤光栅反射光的中心波长，计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_T}{K_T};$

式中：△T表示光栅测点处的温度变化量，△λ_T表示由温度变化造成的光纤光栅反射光中心波长的变化量，K_T表示光纤的波长温度系数；

则光栅测点应变值计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_B};$

-当光栅测点处同时存在应变和温度变化时，光纤光栅反射光中心波长的变化量计算公式如下：

△λ_Z＝△λ_T+△λ_B；

式中：△λ_Z表示修正后的光纤光栅反射光中心波长的变化量；

则光栅测点应变值计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_Z}{{\mathrm{\λ}}_B}.$

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据卫星大阵面天线形面上多个光栅测点处修正后的应变值，分别计算各光栅测点沿X、Y两个方向的主曲率值κ_x、κ_y；

${\mathrm{\κ}}_x=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_x}{h},{\mathrm{\κ}}_y=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_y}{h}$

式中：κ_x表示光栅测点沿X方向的主曲率值，κ_y表示光栅测点沿Y方向的主曲率值，ε_x表示光栅测点使用X向测应变光栅传感器测量并计算得到的应变值，ε_y表示光栅测点使用Y向测应变光栅传感器测量并计算得到的应变值；

步骤3.2：利用各光栅测点沿X、Y两个方向的主曲率值并结合各测点的布局尺寸来得到二维曲面方程w(x,y)的表达式，该计算方法可采用现有较为成熟的方法，比如采用双三次样条(或双Bezier、NURBS)曲面片进行曲率和弧长信息的曲面重建，又比如采用多曲线重建配合网格细分算法的曲面重建。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的测量方法可以对卫星大阵面天线形面变形进行在轨测量，以便于进一步的天线结构控制或者信号补偿，使得卫星成像抗干扰性能得到提高。

2、本发明基于光纤光栅技术，灵敏度高，且能够广泛推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的卫星大阵面天线变形在轨测量系统结构示意图；

图2为本发明提供的单个光栅测点的结构示意图；

图3为本发明中光栅传感器测量原理图；

图4为本发明中应变与变形转换计算原理示意图。

图中：

1-光波发生器；

2-传导光纤；

3-光栅测点；

4-光波解调器；

5-信息处理器

31-Y向测应变光栅传感器

32-X向测应变光栅传感器；

33-测温度光栅传感器；

34-导热支座。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在于，包括：光波发生器1、传导光纤2、多个光栅测点3、光波解调器4、信息处理器5；

所述光波发生器1包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；

所述传导光纤2，用于依次连接光波发生器1、多个光栅测点3、光波解调器4以及信息处理器5，并提供光波传输的通道；

所述多个光栅测点3被布置于卫星大阵面天线形面上，用于形成传感网络；

所述光波解调器4，用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点3的应变和温度；

所述信息处理器5，用于对各个光栅测点3的应变和温度进行计算，并得到天线阵面形面变形参数。

具体地，如图1所示，同一路光纤上的各测点之间的光栅栅距不同，由应变和温度引起栅距的变化会作用于光波的相应波长处；光波解调器4再对收集到的光波进行解调分析，解算出各点的应变值和温度；信息处理器5使用各个测量值进行综合计算，最终得到天线阵面形面变形。具体的综合计算方法是首先使用各测点的温度测量值对其相应的两个正交方向应变测量值进行修正，然后使用修正后的各个测点应变测量值综合各测点布局尺寸进行应变-变形转换计算，求解出天线阵面形面变形的空间曲面方程，实现天线阵面形面变形的测量。

优选地，每个所述光栅测点3均包括：Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32、测温度光栅传感器33、导热支座34，且所述Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32、测温度光栅传感器33之间通过光纤连接，所述导热支座34采用导热材料；其中，Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32分别固定于天线阵面的Y方向和X方向，用于测量正交方向上的应变；测温度光栅传感器33通过导热支座34固定于天线阵面上，用于测量该光栅测点3处的温度和修正应变测量值。

优选地，设置在同一路传导光纤2上的多个光栅测点3之间的栅距不同。

具体地，如图2所示，考虑到光栅传感器对应变和温度都具有线性敏感性，而天线阵面所处的空间环境温度变化较大，因此设置了一个测温度光栅传感器33，来单独地测量出温度，再用于修正Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32所测量的应变值。导热支座34选用的是导热材料(比如铜、铝)，这样测温度光栅传感器33的温度测量可以尽量准确，并且其与天线阵面的接触面积不应过大，以免使得测温度光栅传感器33在测量过程中引入应变的影响。

具体地，传导光纤2采用FBG型号。

根据本发明提供的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，包括如下步骤：

步骤1：利用卫星大阵面天线形面上的多个光栅测点3测得所述多个光栅测点3对应点处的两个正交方向上的应变和温度；

步骤2：当光波通过光栅时，由应变和温度引起的栅距变化会改变相应处光纤光栅反射光的中心波长，通过光波解调器4收集输出的反射光，解调后计算出各个光栅测点3的应变值和温度，并对应变值进行修正；

步骤3：利用信息处理器5结合各个光栅测点3修正后的应变值和各个光栅测点3的布局尺寸将应变值转换成变形值，求解出卫星大阵面天线形面变形的空间曲面方程。

具体地，如图3所示，在一个FBG光纤上刻有栅距为Λ的光栅，一束宽带光入射，满足λ_B＝2n_eΛ的波长被光纤光栅反射回去，其余的则被透射过去，其中入射、反射、透射的光谱图如图中的曲线所示。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：测量各个光栅测点3在无应变和温度变化时，各个光纤光栅反射光的中心波长，计算公式如下：

λ_B＝2n_eΛ；

式中：λ_B表示光纤光栅反射光的中心波长，n_e表示纤芯的有效折射率,Λ表示光栅栅距；

步骤2.2：当光栅测点3处存在应变或温度变化时，计算出由应变或温度变化所造成的应变值；

-当光栅测点3处只存在应变时，由光波解调器4解调后，所述光栅测点3应变值计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B};$

式中：ε表示作用在光栅测点3处的应变，△λ_B表示光纤光栅反射光中心波长的变化量，p_e表示光纤的有效弹光系数；

-当光栅测点3处只存在温度变化时，所述光栅测点3的光纤光栅反射光的中心波长，计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_T}{K_T};$

式中：△T表示光栅测点3处的温度变化量，△λ_T表示由温度变化造成的光纤光栅反射光中心波长的变化量，K_T表示光纤的波长温度系数；

则光栅测点3应变值计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_B};$

-当光栅测点3处同时存在应变和温度变化时，光纤光栅反射光中心波长的变化量计算公式如下：

△λ_Z＝△λ_T+△λ_B；

式中：△λ_Z表示修正后的光纤光栅反射光中心波长的变化量；

则光栅测点3应变值计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_Z}{{\mathrm{\λ}}_B}.$

具体地，Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32在经过光波解调器4处理之后所得到的数据应变εY＇、εX＇，还需要通过测温度光栅传感器33的测量数据ΔT进行修正，具体运用当光栅测点3处同时存在应变和温度变化时的应变值计算公式。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据卫星大阵面天线形面上多个光栅测点3处修正后的应变值，分别计算各光栅测点3沿X、Y两个方向的主曲率值κ_x、κ_y；

${\mathrm{\κ}}_x=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_x}{h},{\mathrm{\κ}}_y=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_y}{h}$

式中：κ_x表示光栅测点3沿X方向的主曲率值，κ_y表示光栅测点3沿Y方向的主曲率值，ε_x表示光栅测点3使用X向测应变光栅传感器32测量并计算得到的应变值，ε_y表示光栅测点3使用Y向测应变光栅传感器31测量并计算得到的应变值；

步骤3.2：利用各光栅测点3沿X、Y两个方向的主曲率值并结合各测点的布局尺寸来得到二维曲面方程w(x,y)的表达式，该计算方法可采用现有较为成熟的方法，比如采用双三次样条(或双Bezier、NURBS)曲面片进行曲率和弧长信息的曲面重建，又比如采用多曲线重建配合网格细分算法的曲面重建。

具体地，如图4所示，变形微元体示意图。结合此图，简要说明在信息处理器5中综合计算时所采用的应变-变形转换计算原理。在弯曲变形薄板上取一个微元体，其弯曲后凹部缩短，凸部伸长，根据材料连续性假定，由缩短区连续过度到伸长区，其间必定存在一个纵向平面，该面内纵向长度保持不变，称为中性层。记中性层的曲率半径为ρ，凹部应变为ε₁，凸部应变为ε₂，板厚为h。则由几何数学分析可得，ρ(ε₁-ε₂)＝h。材料均匀一致的情况下，凹部与凸部应变正好相反，记ε₁-ε₂＝2ε，则曲率κ＝1/ρ的表达式如下：

$\mathrm{\κ}=\frac{2\mathrm{\ϵ}}{h};$

以X方向为例，设挠曲线方程w＝w(x),小变形条件下，w′²<<1，则有计算公式如下：

$\mathrm{\&kappa;}=\frac{w^{\&prime;\&prime;}}{{(1+w^{\&prime;2})}^{3/2}}\&ap;w^{\&prime;\&prime;}$

联立以上两个公式，并对w″积分两次，则可得到挠曲线方程w(x)的表达式。由于上述曲率信息是由分散的各测量点测量并计算得到的，故对w″积分两次的过程实质是进行插值拟合，还需要X方向各测点的布局尺寸，如集合RX(n)(n＝1,2,3…)。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在于，包括：光波发生器(1)、传导光纤(2)、多个光栅测点(3)、光波解调器(4)、信息处理器(5)；

所述光波发生器(1)包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；

所述传导光纤(2)，用于依次连接光波发生器(1)、多个光栅测点(3)、光波解调器(4)以及信息处理器(5)，并提供光波传输的通道；

所述多个光栅测点(3)被布置于卫星阵面天线形面上，用于形成传感网络；

所述光波解调器(4)，用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点(3)的应变和温度；

所述信息处理器(5)，用于对各个光栅测点(3)的应变和温度进行计算，并得到天线阵面形面变形参数。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在于，每个所述光栅测点(3)均包括：Y向测应变光栅传感器(31)、X向测应变光栅传感器(32)、测温度光栅传感器(33)、导热支座(34)，且所述Y向测应变光栅传感器(31)、X向测应变光栅传感器(32)、测温度光栅传感器(33)之间通过传导光纤(2)连接，所述导热支座(34)采用导热材料；其中，Y向测应变光栅传感器(31)、X向测应变光栅传感器(32)分别固定于天线阵面的Y方向和X方向，用于测量正交方向上的应变；测温度光栅传感器(33)通过导热支座(34)固定于天线阵面上，用于测量该光栅测点(3)处的温度和修正应变测量值。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在于，设置在同一路传导光纤(2)上的多个光栅测点(3)之间的栅距不同。

4.一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，其特征在于，利用权利要求1所述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，包括如下步骤：

步骤1：利用卫星阵面天线形面上的多个光栅测点(3)测得所述多个光栅测点(3)对应测点处两个正交方向上的应变和温度；

步骤2：当光波通过光栅测点(3)的光栅时，由应变和温度引起的栅距变化会改变相应测点处光纤光栅反射光的中心波长，通过光波解调器(4)收集输出的反射光，解调后计算出各个光栅测点(3)的应变值和温度，并对应变值进行修正；

步骤3：利用信息处理器(5)结合各个光栅测点(3)修正后的应变值和各个光栅测点(3)的布局尺寸将应变值转换成变形值，求解出卫星大阵面天线形面变形的空间曲面方程。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：测量各个光栅测点(3)在无应变和温度变化时各个光纤光栅反射光的中心波长，计算公式如下：

λ_B＝2n_eΛ；

式中：λ_B表示光纤光栅反射光的中心波长，n_e表示纤芯的有效折射率,Λ表示光栅栅距；

步骤2.2：当光栅测点(3)处存在应变或温度变化时，计算出由应变或温度变化所造成的应变值；

-当光栅测点(3)处只存在应变时，由光波解调器(4)解调后，所述光栅测点(3)应变值计算公式如下：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_B}{{\mathrm{\&lambda;}}_B};$

式中：ε表示作用在光栅测点(3)处的应变，△λ_B表示光纤光栅反射光中心波长的变化量，p_e表示光纤的有效弹光系数；

-当光栅测点(3)处只存在温度变化时，所述光栅测点(3)的光纤光栅反射光的中心波长，计算公式如下：

$\mathrm{\&Delta;}T=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_T}{K_T};$

式中：△T表示光栅测点(3)处的温度变化量，△λ_T表示由温度变化造成的光纤光栅反射光中心波长的变化量，K_T表示光纤的波长温度系数；

则光栅测点(3)应变值计算公式如下：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_T}{{\mathrm{\&lambda;}}_B};$

-当光栅测点(3)处同时存在应变和温度变化时，光纤光栅反射光中心波长的变化量计算公式如下：

△λ_Z＝△λ_T+△λ_B；

式中：△λ_Z表示修正后的光纤光栅反射光中心波长的变化量；

则光栅测点(3)应变值计算公式如下：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{1}{1-p_e}\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_Z}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}.$

6.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：根据卫星大阵面天线形面上多个光栅测点(3)处修正后的应变值，分别计算各光栅测点(3)沿X、Y两个方向的主曲率值κ_x、κ_y；

${\mathrm{\&kappa;}}_x=\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_x}{h},{\mathrm{\&kappa;}}_y=\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_y}{h}$

式中：κ_x表示光栅测点(3)沿X方向的主曲率值，κ_y表示光栅测点(3)沿Y方向的主曲率值，ε_x表示光栅测点(3)使用X向测应变光栅传感器(32)测量并计算得到的应变值，ε_y表示光栅测点(3)使用Y向测应变光栅传感器(31)测量并计算得到的应变值；

步骤3.2：利用各光栅测点(3)沿X、Y两个方向的主曲率值并结合各测点的布局尺寸来得到二维曲面方程。