CN106204741B

CN106204741B - 一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法

Info

Publication number: CN106204741B
Application number: CN201610466230.6A
Authority: CN
Inventors: 张娜; 崔万照; 白鹤; 李团结; 王瑞; 李韵
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: CN106204741A

Abstract

本发明公开了一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，具体步骤包括：(1)给定网状反射面天线的金属丝网结构或者图像；(2)确定金属丝网结构的胞元及胞元内金属丝数量、搭接关系；(3)获得胞元测量点的二维坐标值；(4)根据测量点获得胞元的三维曲线；(5)获得交汇处无干涉而又紧密接触的胞元结构；(6)对胞元接头进行处理获得能够拼接的胞元结构；(7)采用阵列技术装配获得网状反射面天线金属丝网三维实体结构。本发明采用图形测量技术与截面扫描技术，结合阵列技术实现了网状反射面天线金属丝网的三维实体结构，克服了现有技术在结构实现过程中误差较大且计算量大的不足，具有精度高、结构准确的优点。

Description

一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达天线技术领域中的一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法。

背景技术

网状反射面天线在卫星通信、遥感测量、深空探测及对地观测等技术领域有广阔的应用前景，是卫星有效载荷的关键技术之一。为了研究网状反射面天线的结构性能、无源互调特性，确定天线结构参数以及接触结点的接触力，必须对天线结构进行几何建模、静力学、动力学及热力学性能仿真分析，从而达到减少试验次数、提高研制效率、降低研制费用等目的。另外，金属丝网编织形式复杂，而且用于网状反射面天线的丝网尺寸大、具有上亿个微小网孔，无法直接建立其全柔体三维几何模型。

韩钟剑，在文献“编织结构形式对网状反射面天线电性能的影响分析”(西安电子科技大学硕士论文，2010年)公开了一种生成金属丝网结构模型的方法。该方法采用是MATLAB PDE工具箱内建网格生成器，产生了任意(交叉的)矩形、多边形和圆形平面结构。但该方法存在的不足是，不能描述网子的准确的精细结构，无法满足实际的需求。

刘鹏飞，在文献“金属丝网滤清器阻力特性预测方法研究”(哈尔滨工程大学工程硕士论文，2013年)中公开了一种生成金属丝网结构模型的方法。该方法是首先在保证张紧程度一致的情况下对已有的实验用丝网进行大量的尺寸测量，运用数理统计的方法得到该丝网的网孔平均网格间隔和网丝直径大小，然后,为了能真实反映金属丝网滤清器内部的流动情况，合理体现丝网间搭接形式，建立了没有经过简化的金属丝网三维真实模型。最后,基于二维简化方法，分析得到了金属丝网的直径、层间距。但该方法存在的不足是，采用数理统计方法，需要大量的实验测量数据，生成金属丝网的过程复杂且计算量大。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法。本发明采用图形测量技术获得金属丝网胞元的实际坐标，通过截面扫描技术获得胞元的实体结构，并结合阵列技术对金属丝网的所有胞元进行装配，从而实现网状反射面天线金属丝网三维实体结构。

本发明的具体步骤如下：一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，步骤如下：

(1)设定需要编织的网状反射面天线的金属丝网结构，并设定金属丝网结构中金属丝的截面直径D，所述金属丝网结构为周期阵列结构；

(2)根据网状反射面天线金属丝网结构，提取网状反射面天线金属丝网结构的重复单元，将该重复单元作为网状反射面天线金属丝网结构的胞元；从胞元边界出发沿着金属丝的走向确定胞元内所包含的金属丝的数量；同时，根据胞元内金属丝的数量、金属丝的走向及金属丝的颜色深浅，判断胞元内金属丝交汇处的搭接关系；

(3)在金属丝网结构中胞元内建立三维坐标系，三维坐标系的原点设置于胞元内任意一个位置，设定z轴为垂直于金属丝网阵列结构所在平面的方向(z轴与x轴正交，z轴与y轴正交)，x轴、y轴组成的平面，即为金属丝网阵列结构所在平面(将金属丝网阵列结构水平放置在水平面上，金属丝网阵列结构在水平面上的投影即为x轴、y轴组成的平面，也是x轴、y轴所在的平面，x轴与y轴正交)，垂直于z轴，对胞元内每根金属丝沿着其走向选定多个测量点，测量点应选择在两根金属丝的交汇处位置及金属丝弯折较大处位置处，而且沿金属丝走向选择与前一测量点最先满足曲率半径大于等于4·D的点作为后一测量点，采用图形测量技术，获得胞元内每根金属丝上符合曲率要求的测量点的x、y轴坐标；

(4)根据胞元内金属丝的走向及交汇处的搭接关系，对胞元内每个测量点估计出Z轴的初始坐标值，将将胞元内每条金属丝上的测量点沿着金属丝走向选择P个相邻测量点(P为大于等于4的整数)，采用三维插值函数进行数据拟合，获得多条三维曲线；

(5)对所有的三维插值曲线，采用截面扫描技术，获得网状反射面天线金属丝网结构中胞元的实体结构；判断胞元的实体结构内金属丝在搭接处是否紧密接触且无实体干涉，即定义交汇处金属丝的中心距离在[2D-D/100,2D+D/100]之内为金属丝在搭接处紧密接触且无实体干涉，如果金属丝中心距离之间的空间距离小于2D-D/1000，则将交汇处附近测量点的Z坐标每次增加D/1000，直到交叠处的最小距离在[2D-D/100,2D+D/100]范围内，如果金属丝之间空间距离大于2D+D/100，则将交汇处附近测量点的Z坐标每次减小D/1000，直到交叠处的最小距离在[2D-D/100,2D+D/100]范围内，直至所有胞元内所有金属丝在搭接处均无干涉而又紧密接触为止，从而得到优化的胞元结构；

(6)将优化的胞元的实体结构安装实物图像进行拼接，如果边界处的金属丝接头不能完全合并，则调节不能合并的胞元接头处的测量点的坐标值，并保证沿金属丝走向的拼接处的接头位置附近的相邻测量点均应满足曲率半径大于等于4·D的要求，直至胞元的所有接头均能与相邻的金属丝合并，从而获得能够拼接的胞元结构。

(7)将获得的能拼接的胞元结构采用阵列技术装配获得网状反射面天线金属丝网的三维实体结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明采用图形测量技术与截面扫描技术获得网状反射面天线金属丝网结构中胞元的金属丝的坐标，克服了现有技术在网状反射面天线金属丝网结构的实体建模中生成的丝网结构模型误差较大的不足，本发明实现了网状反射面天线金属丝网结构的实体结构的准确建模，为网状反射面天线金属丝网结构的力学性能分析以及无源互调预测提供了技术基础的优点。

第二，本发明采用多项式拟合方法与阵列技术对网状反射面天线金属丝网结构的所有胞元进行装配，克服了现有技术网状反射面天线金属丝网结构建模中需要大量实验数据进行数理统计学分析导致计算量大的不足，使得本发明有效地提高索网状反射面天线金属丝网结构建模的设计效率，为网状反射面天线金属丝网结构的力学性能分析提供了技术保障的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所依据的网状反射面天线金属丝网结构的图像；

图3为本发明的网状反射面天线金属丝网结构中的胞元及坐标系；

图4为金属丝直径的测量示意图，为获得丝网的实际尺寸，以金属丝直径为比例转换关系；

图5为金属丝测量点的选取示意图，所选择的测量点应该满足相应的曲率半径要求；

图6为本发明所建的网状反射面天线金属丝网结构中胞元内的金属丝网发生了实体干涉示意图；

图7为本发明所建的网状反射面天线金属丝网结构中胞元内的金属丝网位置调整后，不再发生实体干涉的示意图；

图8为本发明的网状反射面天线金属丝网结构中接头处理前后的胞元图；

图9为本发明的网状反射面天线金属丝网结构中胞元的三维结构图；

图10为本发明建立的面积为5mm×5mm的网状反射面天线金属丝网结构。

具体实施方式

本发明的基本思路是，本发明公开了一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，具体步骤包括：(1)给定网状反射面天线的金属丝网结构或者图像；(2)确定金属丝网结构的胞元及胞元内金属丝数量、搭接关系；(3)获得胞元测量点的二维坐标值；(4)根据测量点获得胞元的三维曲线；(5)获得交汇处无干涉而又紧密接触的胞元结构；(6)对胞元接头进行处理获得能够拼接的胞元结构；(7)采用阵列技术装配获得网状反射面天线金属丝网三维实体结构。本发明采用图形测量技术与截面扫描技术，结合阵列技术实现了网状反射面天线金属丝网的三维实体结构，克服了现有技术在结构实现过程中误差较大且计算量大的不足，具有精度高、结构准确的优点。首先给定金属丝网结构实物或图像，依据网状反射面天线金属丝网结构的图像，获得网状反射面天线金属丝网结构的胞元，采用图形测量技术测量出网状反射面天线金属丝网结构中胞元的二维坐标值，并根据金属丝直径转换出丝网的实际尺寸关系，根据胞元中金属丝网的走向及搭接关系，以及三维插值函数获得胞元的三维结构，然后采用截面扫描技术，获得网状反射面天线金属丝网结构中胞元结构，调整测量点的z坐标使胞元中的金属丝在搭接处紧密接触且无实体干涉，然后对接头进行处理，将处理后的胞元运用阵列技术装配获得网状反射面天线金属丝网的三维拓扑结构。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照附图1，本发明具体实施方式如下：

步骤1，给定网状反射面天线的金属丝网实物或者该金属丝网的实物图片，如果给定金属丝网实物，需要将该丝网平铺垂直(与丝网平铺所在平面相垂直)照相并获得图片，所述金属丝网结构为周期阵列结构，所提供图片只有在边缘处有截断的面；给定金属丝网结构中金属丝的截面直径D，图中所示金属丝网直径为50微米；

步骤2，根据步骤1中提供的图片，如图2所示，提取网状反射面天线金属丝网结构的重复单元，将该重复单元作为网状反射面天线金属丝网结构的胞元，如图2中黑框标示出的结构；从胞元边界出发沿着金属丝的走向确定胞元内所包含的金属丝的数量；同时，根据胞元内金属丝的数量、金属丝的走向及金属丝的颜色深浅，判断胞元内金属丝交汇处的搭接关系；

步骤3，在金属丝网结构中胞元内(基于步骤1所获得的图片)建立三维坐标系，三维坐标系的原点可以设置于胞元内任意一个位置，此处将坐标原点选到胞元中间位置，设定垂直于金属丝网阵列结构所在平面的方向为z轴，金属丝网阵列结构所在平面向右选为x轴，金属丝网阵列结构所在平面向上选为y轴，所建立的坐标系如图3所示，图片内所有金属丝z坐标为0。

对胞元内每根金属丝沿着其走向选定测量点，测量点首先应该包括两根金属丝的交汇处位置的点及金属丝弯折较大处位置的点，其次，沿金属丝走向选择与前一测量点最先满足曲率半径大于等于4·D的点作为后一测量点，如图5所示，图中F_i为前一测量点，沿着金属丝走向，选定F_i+1为后一测量点，F_i+1与F_i之间弧长为Δs，其切线变化角度为Δβ，则曲率半径并满足R'≥4D。按照上述方法逐个选定测量点，采用图形测量技术，获得胞元内每根金属丝上符合曲率半径要求的测量点的x、y轴坐标；所述的图形测量技术是指，对网状反射面天线金属丝网结构的胞元进行数字测量，获得网状反射面天线金属丝网结构的胞元上每根金属丝的测量点的坐标。

在步骤1所提供的图片中选取选择较为均匀的金属丝(图像边界清晰且直径无明显变化的金属丝)，沿金属丝直径方向在金属丝两侧建立两个测量点，如图4所示的A、B两点，测量A、B两点坐标值分别为A点(x_A,y_A)、B点(x_B,y_B)，求出图中所示AB点的距离为减小误差，按照该方法可以建立M组直径测量点并计算出相应距离L_i(i＝1,2,...,M)，计算出图像上的平均测量直径该直径实际中对应了实物的金属丝直径D，因此，图片中的金属丝图像与实物的比例关系为

在获得比例关系α后，对测量的x、y坐标分别除以该比例关系即可得对应的实物尺寸。

步骤4，根据胞元内金属丝的走向及交汇处的搭接关系，对胞元内每个测量点估计出z轴的初始坐标值，先选取金属丝交汇的位置，对于交汇处位于金属丝搭接上方的测量点z坐标赋值为D，远离交汇处的测量点赋值为0，沿着金属丝的走向赋值为D的测量点到赋值为0的测量点之间的其它测量点，按照距离交汇处的远近从0到D逐渐递增；对于交汇处位于金属丝搭接下方的测量点z坐标赋值为-D，远离交汇处的测量点赋值为0，沿着金属丝的走向赋值为-D的测量点到赋值为0的测量点之间的其它测量点，按照距离交汇处的远近从0到-D逐渐递减；

将胞元内每条金属丝上的测量点沿着金属丝走向选择P个相邻测量点(P为大于等于4的整数)，采用三维插值函数进行数据拟合，即可获得包含P个测量点的三维曲线。本实施例中P＝10，所采用的三维数据插值函数为

f(x,y,z)＝u₁+u₂x+u₃y+u₄z+u₅x²+u₆y²+u₇z²+u₈xy+u₉xz+u₁₀yz

其中，x,y,z为胞元内沿金属丝走向所选定的第1个测量点和第10个测量点之间的三维曲线上任意一点的坐标值，u₁～u₁₀为待定系数，将选择的P＝10个测量点的坐标值带入三维数据插值函数，并令f(x,y,z)＝0求解获得。

对于该根金属丝后面不足10个测量点，可以向前延顺取够10个测量点计算出三维数据插值函数的待定系数，并以该插值函数计算后续金属丝上的坐标。

步骤5，对于步骤4获得的多条三维插值曲线，采用截面扫描技术，即采用网状反射面天线金属丝网结构中胞元的金属丝的截面沿着其所在的三维曲线形成实体结构的技术，获得网状反射面天线金属丝网结构中胞元的几何结构；

判断胞元的几何结构内金属丝在交汇处是否紧密接触且无实体干涉，即定义交汇处金属丝的中心距离在[2D-D/100,2D+D/100]之内为金属丝在搭接处紧密接触且无实体干涉，如果金属丝中心距离之间的空间距离小于2D-D/1000，则金属丝之间发生互相交叠，即是发生了实体干涉，如果金属丝之间空间距离大于2D+D/100，则金属丝之间搭接不紧密；当交叠处的最小距离小于2D-D/1000，如图6所示的圆圈标示的交汇处的金属丝发生了实体干涉，将交汇处附近测量点的Z坐标每次增加D/1000，直到交叠处的最小距离在[2D-D/100,2D+D/100]范围内，调整后的金属丝如图7中的圆圈所标示；当交叠处的最小距离大于2D+D/100，将交汇处附近测量点的Z坐标每次减小D/1000，直到交叠处的最小距离在[2D-D/100,2D+D/100]范围内，直至所有胞元内所有金属丝在搭接处均无干涉而又紧密接触为止，从而得到优化的胞元结构；

步骤6，将优化的胞元结构向周围平移，按照步骤一中提供的图像进行拼接，对于边界处的金属丝接头，如果能如图8所示能够与相连的金属丝合并则执行步骤7，如果不能完全合并，则调节不能合并的胞元接头处的测量点的坐标值，并保证沿金属丝走向的拼接处的接头位置附近的相邻测量点均应满足曲率半径大于等于4·D的要求，从而获得能够拼接的胞元结构，如图9所示。

步骤7，将步骤6获得的能拼接的胞元结构采用阵列技术装配获得网状反射面天线金属丝网的三维拓扑结构，所采用的阵列技术即将网状反射面天线金属丝网结构中优化的能够拼接的胞元结构，沿着胞元的x、y坐标方向复制扩展，以获取任意尺寸的网状反射面天线金属丝网结构。按照该发明的方法获得的5mm×5mm金属丝网结构模型如图10所示。

下面结合仿真图对本发明做进一步说明：

1.仿真结果：

通过图形测量技术和截面扫描技术，得到网状反射面天线金属丝网结构如图10所示。可以看出每一根金属丝是光滑的，并且金属丝接头处的衔接光滑，满足工程上进行力学性能分析的要求。仿真试验表明，采用本发明可有效的生成网状反射面天线金属丝网结构模型。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

(3)在金属丝网结构中胞元内建立三维坐标系，三维坐标系的原点设置于胞元内任意一个位置，设定z轴为垂直于金属丝网阵列结构所在平面的方向，x轴、y轴组成的平面，即为金属丝网阵列结构所在平面，垂直于z轴，对胞元内每根金属丝沿着其走向选定多个测量点，测量点应选择在两根金属丝的交汇处位置及金属丝弯折大位置处，而且沿金属丝走向选择与前一测量点最先满足曲率半径大于等于4·D的点作为后一测量点，采用图形测量技术，获得胞元内每根金属丝上符合曲率要求的测量点的x、y轴坐标；

(4)根据胞元内金属丝的走向及交汇处的搭接关系，对胞元内每个测量点估计出z轴的初始坐标值，将将胞元内每条金属丝上的测量点沿着金属丝走向选择P个相邻测量点，P为大于等于4的整数，采用三维插值函数进行数据拟合，获得多条三维曲线；

(6)将优化的胞元的实体结构安装实物图像进行拼接，如果边界处的金属丝接头不能完全合并，则调节不能合并的胞元接头处的测量点的坐标值，并保证沿金属丝走向的拼接处的接头位置附近的相邻测量点均应满足曲率半径大于等于4·D的要求，直至胞元的所有接头均能与相邻的金属丝合并，从而获得能够拼接的胞元结构；

(7)将获得的能拼接的胞元结构采用阵列技术装配在一起。

2.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，其特征在于，步骤(3)中所述的图形测量技术是指，对网状反射面天线金属丝网结构的胞元进行数字测量，获得网状反射面天线金属丝网结构的胞元上每根金属丝的测量点的坐标值，并根据网状反射面天线金属丝网结构的实际尺寸与测量尺寸的比例关系转换，获得网状反射面天线金属丝网结构的胞元上每根金属丝的测量点的实际坐标。

3.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，其特征在于，步骤(4)中所述的对胞元内每个测量点估计出Z轴的初始坐标值是指，先选取金属丝交汇的位置，对于交汇处位于金属丝搭接上方的测量点z坐标赋值为D，远离交汇处的测量点赋值为0，沿着金属丝的走向赋值为D的测量点到赋值为0的测量点之间的其它测量点，按照距离交汇处的远近从0到D逐渐递增；对于交汇处位于金属丝搭接下方的测量点z坐标赋值为-D，远离交汇处的测量点赋值为0，沿着金属丝的走向赋值为-D的测量点到赋值为0的测量点之间的其它测量点，按照距离交汇处的远近从0到-D逐渐递减。

4.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，其特征在于，步骤(4)中所述的截面扫描技术是指，网状反射面天线金属丝网结构中胞元的金属丝的截面沿着其所在的三维曲线形成实体模型的技术。

5.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线金属丝网三维实体结构实现方法，其特征在于，步骤(7)中所述的阵列技术是指，将网状反射面天线金属丝网结构中优化的胞元的实体结构，沿着胞元的x、y坐标方向复制扩展，以获取任意尺寸的网状反射面天线金属丝网结构。