CN108153954B - 一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，包括确定反射面天线结构方案、温度传感器布局方案以及确定天线温度场分布温度信息库；将天线划分为N个环域；确定天线方位俯仰角及太阳光线与反射面的夹角；确定环域内温度传感器的数量及位置，提取当前工况下实际数值；确定环域温度场；计算当前工况下环域的初始温度场和初始温度值；计算天线环域的类比系数，并修正初始温度场，重构环域的实际温度场；判断变量i是否大于N，重构出反射面天线实际温度场。本发明计算方法简单、计算量较小，避免了仿真有限元模型需要花费大量的时间，保证了获取反射面天线结构实际温度场的快速性，有利于提高天线反射面精度及天线综合性能。

Description

一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，用于快速重构反射面天线结构的实际温度场，具有重要的学术意义和工程应用价值。

背景技术

目前，路基反射面天线、海基反射面天线、星载反射面天线等等不同地域上的反射面天线都在各自领域起着关键性的作用，为天文观测、深空探测、卫星通讯和军事国防等领域做出了巨大的贡献。但随着其口径越来越大、频段越来越高、反射面表面越来越精准，裸露于环境中的反射面天线要长期受到各种边界条件的影响，使天线表面的温度迅速上升或降低，由此引起的热效应使天线电性能恶化，尤其是反射面天线在太阳辐照射下产生的热变形严重影响着天线的电性能。然而反射面天线的实际温度场是精准、实时获取天线热变形信息的前提。因此，有必要对于没有采用热控措施的高精度反射面天线在太阳照射下的温度场分布情况进行一步研究。

在温度场计算的相关研究中，文献《Electromechanical coupling analysis ofground reflector antennas under solar radiation》对某7.3米反射面天线进行热结构分析并评估了在太阳辐射下热变形对其电磁性能的影响，文献《上海65m射电望远镜太阳辐射作用分析》针对上海65m射电望远镜天线分析了在太阳辐射下天线指向误差的变化规律。由于造成天线实际温度场实时变化的原因具有多、杂、变等特性，如果仅依靠软件仿真，很难准确获取实时变化的实际温度场，如果仅依靠传感器采集温度信息，则需要大量的温度传感器，尤其是对大型反射面天线，不论是从经济角度考虑还是从大量温度传感器的可靠性方面评估均不能保证实际温度场获取的准确性和实时性，此外，采集温度传感器信息后还需通过插值计算才可以得到整个天线的实际温度场，所产生的误差较大。

因此，有必要，提供一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法来解决现有调整方法存在的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，该方法针对反射面天线，通过快速重构天线结构的实际温度场来改善天线综合性能。基于反射面天线的结构热类比特性，结合有限元热仿真模型和温度传感器采集的实际数据，通过仿真不同天气情况、天线工作姿态等条件下天线的温度场组建温度数据库，然后根据实验现场的工况参数从温度数据库中匹配、计算出相应的初始温度场，并由温度传感器采集的实际数据对其进行矫正，从而快速重构出反射面天线的实际温度场，用于指导天线面板调整，进而提高天线综合性能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供的调整方法包括如下步骤：

(1)根据反射面天线的结构参数、工作频率及材料属性，确定反射面天线结构方案及温度传感器布局方案；

(2)根据反射面天线的结构方案及其所在的地理位置、天气状况和工作姿态，在热分析软件中对不同工况下的反射面天线进行热仿真分析，并将仿真结果整合成该反射面天线的温度信息库；

(3)根据温度传感器布局方案，将反射面天线的面板划分为N个环域，并取变量i＝1；

(4)根据实验现场的环境，确定反射面天线方位俯仰角以及太阳光线与反射面的夹角；

(5)确定第i个环域内温度传感器的数量及位置；

(6)提取当前工况下第i个环域内温度传感器采集的实际数值；

(7)根据得到的温度信息库确定第i个环域的温度场t_i；

(8)根据得到的反射面天线第i个环域的温度场，计算当前工况下第i个环域的初始温度场；

(9)根据得到的当前工况下第i个环域的初始温度场，提取当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置处的初始温度值；

(10)根据得到的当前工况下第i个环域内温度传感器采集的实际数值和当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置的初始温度值，计算天线第i个环域的类比系数；

(11)利用第i个环域的类比系数修正第i个环域的初始温度场，从而重构反射面天线第i个环域的实际温度场，判断变量i是否大于或等于N，若不满足，令i＝i+1，重复进行步骤(5)-(10)；若满足，则整合N个环域的实际温度场，从而重构出反射面天线的实际温度场。

所述步骤(1)中，大型抛物面天线的结构参数包括反射面口径和焦距及面板排布情况；所述大型抛物面天线的材料属性包括天线背架材料和反射面面板材料的密度、导热系数、比热容、弹性模量和泊松比。

所述步骤(2)中，建立温度数据库时天线的纬度为0°，即保证太阳从反射面天线正上方经过。

所述步骤(3)中，根据温度传感器布局方案将反射面天线的面板划分为N个环域，假设同一环面板上的温度传感器所在位置到圆心的距离相同，则沿着面板的径向方向，距离最近的两环面板上的传感器所在位置到圆心的距离分别为R₁、R₂，取

则面板上以R₃为半径的圆周即为相邻两环域的分界线。

所述步骤(8)中，将第i个环域的温度场t_i转动后得到当前工况下第i个环域的初始温度场t_i'：

式中，

为温度场t_i绕天线口径面的中心轴线旋转

度时的转动因子，；T₀为前工况下的环境温度。

所述步骤(10)按如下过程进行：

假设当前工况下的环境温度为T₀℃，已知第i个环域内第j个传感器采集的实际数值为t_ij℃，从初始温度场t_i'中提取当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置的初始温度值为t'_ij，其中变量j满足1≤j≤n_i；

根据天线结构热类比特性，计算天线第i个环域的类比系数η_i：

式中，k为变量，满足1≤k≤n_i。

所述步骤(11)利用第i个环域的类比系数η_i修正第i个环域的初始温度场t_i'，从而重构天线第i个环域的实际温度场T_i，

T_i＝η_i(t_i'-T₀)+T₀ (4)。

本发明基于反射面天线的结构热类比特性，结合有限元热仿真模型和温度传感器采集的实际数据，根据实验现场的工况参数从天线的温度数据库中匹配、计算出相应的初始温度场，然后由温度传感器采集的实际数据和温度传感器所在位置的初始温度值对初始温度场进行调整，从而快速重构出反射面天线结构的实际温度场。

本发明具有以下特点：

(1)本发明是基于反射面天线的结构设计方案和传感器布局方案，只需要在关心的位置或者关键位置布置温度传感器，避免了布置大量的温度传感器，从而降低了实验成本，同时又保证了计算结果的准确性和实时性，有很好的适用性。

(2)本发明提出的方法是对反射面天线结构的实际温度场进行快速重构，计算方法简单、计算量较小，避免了仿真有限元模型需要花费的大量的时间，保证了获取反射面天线结构的实际温度场的快速性，有效提高了工作效率和天线反射面精度，进而提高天线综合性能。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为该反射面天线面板的温度传感器布局示意图；

图3为西安电子科技大学南校区在2016年11月18日实验现场环境温度；

图4为该反射面天线面板的环域划分示意图；

图5为中午12点第6个环域的初始温度图；

图6为下午5点第6个环域的初始温度图；

图7为中午12点第6个环域的实际温度图；

图8为下午5点第6个环域的实际温度图；

图9为中午12点时面板仿真温度及其实际温度；

图10为下午5点时面板仿真温度及其实际温度；

图11为早上8点到下午17点该反射面天线面板温度云图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

如图1所示，一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，具体步骤如下：

步骤1，根据反射面天线的结构参数、工作频率及材料属性，确定天线结构方案及温度传感器布局方案。

大型抛物面天线的结构参数包括反射面口径和焦距及面板排布情况；所述大型抛物面天线的材料属性包括天线背架材料和反射面面板材料的密度、比热容、弹性模量和泊松比。

步骤2，根据天线的结构方案及其所在的地理位置、天气状况和工作姿态，在热分析软件中对不同工况下的反射面天线进行热仿真分析，并将仿真结果整合成该反射面天线的温度信息库。

建立温度数据库时天线的纬度为0°，即保证太阳从反射面天线正上方经过。

步骤3，根据温度传感器布局方案，将反射面天线的面板划分为N个环域，并取变量i＝1。

根据温度传感器布局方案将反射面天线的面板划分为N个环域，假设同一环面板上的温度传感器所在位置到圆心的距离相同，则沿着面板的径向方向，距离最近的两环面板上的传感器所在位置到圆心的距离分别为R₁、R₂，取

则面板上以R₃为半径的圆周即为相邻两环域的分界线。

步骤4，根据实验现场的环境，确定天线方位俯仰角以及太阳光线与反射面的夹角。

步骤5，确定第i个环域内温度传感器的数量及位置。

假设在第i个环域内温度传感器的个数为n_i。

步骤6，提取当前工况下第i个环域内温度传感器采集的实际数值。

假设第i个环域内第j个传感器采集的实际数值为t_ij℃，其中变量j满足1≤j≤n_i。

步骤7，根据得到的温度信息库确定第i个环域的温度场。

根据实验现场的工况参数在温度信息库中进行匹配的情况，确定第i个环域的温度场t_i。

步骤8，根据得到的天线第i个环域的温度场，计算当前工况下第i个环域的初始温度场。

将第i个环域的温度场t_i转动后得到当前工况下第i个环域的初始温度场t_i'：

式中，

为温度场t_i绕天线口径面的中心轴线旋转

度时的转动因子；T₀为前工况下的环境温度。

步骤9，根据得到的当前工况下第i个环域的初始温度场，提取当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置处的初始温度值。

假设从初始温度场t'_i中提取当前工况下第i个环域内第j个温度传感器所在位置的初始温度值为t'_ij，其中变量j满足1≤j≤n_i。

步骤10，根据得到的当前工况下第i个环域内温度传感器采集的实际数值和当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置的初始温度值，计算天线第i个环域的类比系数；

假设当前工况下的环境温度为T₀℃，已知第i个环域内第j个传感器采集的实际数值为t_ij℃，从初始温度场t_i'中提取当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置的初始温度值为t'_ij，其中变量j满足1≤j≤n_i，；

根据天线结构热类比特性，计算天线第i个环域的类比系数η_i：

式中，k为变量，满足1≤k≤n_i。

步骤11，利用第i个环域的类比系数修正第i个环域的初始温度场，从而重构天线第i个环域的实际温度场，判断变量i是否大于或等于N，若不满足，令i＝i+1，进行步骤(5)，若满足，则整合N个环域的实际温度场，从而重构出反射面天线的实际温度场。

(11a)利用第i个环域的类比系数η_i修正第i个环域的初始温度场t_i'，从而重构天线第i个环域的实际温度场T_i，

T_i＝η_i(t'_i-T₀)+T₀ (4)

(11b)判断变量i是否大于或等于N，若不满足，令i＝i+1，重复步骤(5)-(10)；若满足，则整合N个环域的实际温度场，从而重构出反射面天线的实际温度场。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1.确定反射面天线的结构方案、温度传感器布局方案及温度信息库

本实施例中，以西安电子科技大学7.3米反射面天线为案例进行分析。主反射面面板材料为硬铝(YL12)，材料的弹性模量为72GPa，密度为2.78e3kg/cm³，导热系数为190W/(m·K)，比热容为875J/(kg·K)，泊松比为0.33。图2为该反射面天线面板的温度传感器布局示意图，且在本实施例中分别于时刻7:00和12:00提取了其相应的测量数据。图3为西安电子科技大学南校区在2016年11月18日实验现场环境温度。

2.确定环域个数

根据公式(1)依次得到环域边界线所在圆的半径为1.2m、1.55m、1.9m、2.25m、2.6m、2.95m、3.3m，图4为该反射面天线面板的环域划分示意图。

3.计算初始温度场

以天线的第6个环域为例，在中午12点和下午5点，根据公式(2)，将在温度数据库中确定的第6个环域的温度场进行转动变换，分别得到其初始温度场，并各取10个点如图5、图6所示。

4.计算每个环域的类比系数

第6个环域内的温度传感器在中午12点和下午5点测量的温度值分别列于表1。从初始温度场中提取当前工况下第6个环域内温度传感器所在位置处的温度值列于表2。根据公式(3)分别计算得到在中午12点和下午5点第6个环域的类比系数为0.84和0.99，其他环域以此类推。

表1第6个环域内温度传感器测量的温度值

表2第6个环域内温度传感器所在位置处的温度值

5.重构实际温度场，并与仿真温度场对比

根据公式(4)，利用在中午12点和下午5点第6个环域的类比系数、初始温度场和实验场环境温度，分别计算得到第6个环域的实际温度场，如图7和图8所示，其他环域的温度场以此类推，最后重构出整个天线的实际温度场。图9和图10为面板80个节点位置分别在中午12点和下午5点的实际温度和仿真温度，表明实际温度的分布规律与仿真温度的分布规律基本吻合。表3所示对在中午12点和下午5点的均方跟误差t_RMS、最大误差t_MAX、类比系数η_i，下午5点时天线均方根误差和最大误差均较小，整体温差较小，吻合效果较好。

表3中午12点和下午5点参数对比图

除此以外，通过本方法还快速重构出2016年11月18日从早上8点到下午17点该反射面天线面板温度云图，如图11所示。

通过上述分析可以看出，尽管预估温度存在一定误差，但均在工程允许范围之内。采用本发明的方法可以有效对反射面天线面板的实际温度场进行快速重构，计算方法简单、计算量较小，避免了仿真有限元模型需要花费的大量的时间，保证了获取反射面天线面板的实际温度场的快速性，有效提高了工作效率和天线反射面精度，进而提高天线综合性能。

Claims (6)

1.一种基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据反射面天线的结构参数、工作频率及材料属性，确定反射面天线结构方案及温度传感器布局方案；

(2)根据反射面天线的结构方案及其所在的地理位置、天气状况和工作姿态，在热分析软件中对不同工况下的反射面天线进行热仿真分析，并将仿真结果整合成该反射面天线的温度信息库；

(3)根据温度传感器布局方案，将反射面天线的面板划分为N个环域，并取N个环域中第i个环域i＝1；

(4)根据实验现场的环境，确定反射面天线方位俯仰角以及太阳光线与反射面的夹角；

(5)确定第i个环域内温度传感器的数量n_i及位置；

(6)提取当前工况下第i个环域内温度传感器采集的实际数值；

(7)根据得到的温度信息库确定第i个环域的温度场t_i；

(8)根据得到的反射面天线第i个环域的温度场，计算当前工况下第i个环域的初始温度场；

(9)根据得到的当前工况下第i个环域的初始温度场，提取当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置处的初始温度值t′_ij；

(10)根据得到的当前工况下第i个环域内温度传感器采集的实际数值和当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置的初始温度值，计算天线第i个环域的类比系数；

步骤(10)按如下过程进行：

假设当前工况下的环境温度为T₀℃，已知第i个环域内第j个传感器采集的实际数值为t_ij℃，从初始温度场t′_i中提取当前工况下第i个环域内温度传感器所在位置的初始温度值为t′_ij，其中变量j满足1≤j≤n_i；

根据天线结构热类比特性，计算天线第i个环域的类比系数η_i：

式中，k为温度传感器的数量，满足1≤k≤n_i；

(11)利用第i个环域的类比系数修正第i个环域的初始温度场，从而重构反射面天线第i个环域的实际温度场，判断变量i是否大于或等于N，若不满足，令i＝i+1，重复步骤(5)-(10)；若满足，则整合N个环域的实际温度场，从而重构出反射面天线的实际温度场。

2.根据权利要求1所述的基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反射面天线的结构参数包括反射面口径、焦距及面板排布情况；所述反射面天线的材料属性包括反射面面板材料的密度、导热系数、比热容、弹性模量和泊松比。

3.根据权利要求1所述的基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，其特征在于，步骤(2)中，建立温度数据库时天线的纬度为0°，即保证太阳从反射面天线正上方经过。

4.根据权利要求1所述的基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，其特征在于，步骤(3)中，根据温度传感器布局方案将反射面天线的面板划分为N个环域，假设同一环面板上的温度传感器所在位置到圆心的距离相同，则沿着面板的径向方向，距离最近的两环面板上的传感器所在位置到圆心的距离分别为R₁、R₂，取

则面板上以R₃为半径的圆周即为相邻两环域的分界线。

5.根据权利要求1所述的基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，其特征在于，步骤(8)中，将第i个环域的温度场t_i转动后得到当前工况下第i个环域的初始温度场t′_i：

式中，

为温度场t_i绕天线口径面的中心轴线旋转

度时的转动因子；T₀为前工况下的环境温度。

6.根据权利要求1所述的基于结构热类比的反射面天线温度快速重构方法，其特征在于，步骤(11)利用第i个环域的类比系数η_i修正第i个环域的初始温度场t′_i，从而重构天线第i个环域的实际温度场T_i，

T_i＝η_i(t′_i-T₀)+T₀ (4)。

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