CN109443224A - 一种雷达天线阵面变形测量系统及方法 - Google Patents

一种雷达天线阵面变形测量系统及方法 Download PDF

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高会军
彭高亮
许世龙
刘世伟
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Abstract

本发明一种雷达天线阵面变形测量系统及方法，可以对雷达天线阵面的变形量进行实时、间接地测量。传感器阵列采集雷达天线阵面表面各点的应变信号，传感器阵列的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的输出端与上位机的输入端相连；数据处理模块对传感器阵列采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号并去噪声；上位机对数据处理模块处理后的应变信号进行雷达天线阵面变形量的计算。雷达天线阵面变形测量方法包括如下步骤：采集雷达天线阵面表面各点的表面应变，得到应变信号；将采集到的应变信号解调、转换为数字信号并去噪声；采用逆有限单元法求解出处理后的雷达天线阵面表面各点变形量。

Description

一种雷达天线阵面变形测量系统及方法
技术领域
本发明属于雷达天线阵面变形测量领域，更具体的说，涉及一种雷达天线阵面变形测量系统及方法。
背景技术
在雷达天线的工作过程中，因重力、风载、受热等外载荷作用，雷达天线阵面会产生变形。这种变形对于雷达性能具有较大的负面影响，会使雷达的指向精度、分辨能力、有效作用距离等降低，对于大型高精度雷达的影响尤为显著。为了使雷达系统的性能得到保证，需要对雷达天线阵面的变形量进行实时测量。而对于雷达这类装备而言，往往不能够依靠某一基准对变形进行直接测量，因此有必要提出一种间接测量手段来解决这一问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种雷达天线阵面变形测量系统及方法，可以对雷达天线阵面的变形量进行实时、间接地测量。
为解决上述技术问题，本发明一种雷达天线阵面变形测量系统由分布在雷达天线阵面表面的传感器阵列、数据处理模块和上位机组成，可以对雷达天线阵面的变形量进行实时、间接地测量。
所述传感器阵列采集雷达天线阵面表面各点的应变信号，所述传感器阵列的输出端与所述数据处理模块的输入端相连，所述数据处理模块的输出端与所述上位机的输入端相连；
所述数据处理模块对所述传感器阵列采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号并去噪声；
所述上位机对所述数据处理模块处理后的应变信号进行雷达天线阵面变形量的计算。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种雷达天线阵面变形测量系统所述传感器阵列由多个测量单元组成，每个测量单元为呈0°、45°和90°排列的三段光纤Bragg光栅。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种雷达天线阵面变形测量系统所述数据处理模块包括光纤光栅解调仪和单片机，所述光纤光栅解调仪将所述传感器阵列采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号后传给所述单片机进行去噪声处理。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种雷达天线阵面变形测量系统所述上位机为计算机，所述数据处理模块和上位机之间通过串口通讯方式通信。
为解决上述技术问题，本发明一种雷达天线阵面变形测量方法，所述雷达天线阵面变形测量方法包括如下步骤：
步骤一：采集雷达天线阵面表面各点的表面应变，得到应变信号；
步骤二：将步骤一中采集到的应变信号解调、转换为数字信号并去噪声；
步骤三：采用逆有限单元法求解出步骤二中处理后的雷达天线阵面表面各点变形量。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种雷达天线阵面变形测量方法的步骤一中采用多个三段呈0°、45°和90°分布的光纤Bragg光栅采集雷达天线阵面表面各点三个方向的表面应变，设雷达天线阵面表面上某点X、Y方向的线应变分别为εx和εy，角应变为γxy，则：
其中，ε0°为平面直角坐标系内沿水平方向的线应变，ε45°为平面直角坐标系沿与水平方向呈45°夹角方向的线应变，ε90°为平面直角坐标系内沿竖直方向的线应变。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种雷达天线阵面变形测量方法采用逆有限单元法求解出步骤二中处理后的雷达天线阵面表面各点变形量的具体方法为：
采用矩形板单元对雷达天线阵面结构进行离散化，对于任意一个矩形板单元而言，引入自然坐标系Ouv，并以1点为原点；
令其中m为矩形板单元的长度，n为矩形板单元的宽度，该矩形板单元共有4个节点，12个自由度，故设：
w＝bT·a
其中w为矩形板单元内部任意一节点的变形量，b为插值基向量，bT为b的转置向量，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量；
则对于矩形板单元内部任意节点i，其位移向量qi为：
其中，wi为节点i在雷达天线阵面法线方向的变形，θxi为节点i绕X轴的转角，θyi为节点i绕Y轴的转角，Bq i为根据插值基向量b构造的插值矩阵，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量；
于是矩形板单元的位移模式qe为：
其中，q1为节点1的位移向量，q2为节点2的位移向量，q3为节点3的位移向量，q4为节点4的位移向量，Bq 1为与节点1对应的插值矩阵，Bq 2为与节点2对应的插值矩阵，Bq 3为与节点3对应的插值矩阵，Bq 4为与节点4对应的插值矩阵，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量，B为矩形板单元4个节点的插值矩阵拼合而成的单元插值矩阵；
用节点自由度表示待定系数向量a,于是矩形板单元内任一节点的位移w为：
w＝bT·a＝bT·(B-1qe)≡N(u,v)qe
其中，b为插值基向量，bT为b的转置向量，B-1为单元插值矩阵的逆矩阵，qe为矩形板单元的位移模式；N为形函数矩阵，是自然坐标u，v的函数；
则矩形板单元内部任意节点i的应变向量ei为：
其中，εxi为该点沿X方向的线应变,εyi为该点沿Y方向的线应变,εxyi为该点的角应变，w为该点沿雷达天线阵面法线方向的变形量，z为雷达天线阵面厚度的0.5倍，Mi(u,v)为应变-位移矩阵,qe为矩形板单元的位移模式；
在矩形板单元内部取4节点，分别测出4节点的应变向量后将矩阵拼合，得到：
其中，ee为矩形板单元的应变向量,由四处节点的应变向量组成；ei(i＝1,2,3,4)为节点i的应变向量，Mi(i＝1,2,3,4)为节点i的应变-位移矩阵,qe为矩形板单元的位移模式,M为矩形板单元4个节点的应变-位移矩阵拼合而成的单元应变-位移矩阵；
从而求解出矩形板单元的位移模式qe，即雷达天线阵面表面各点的变形量：
qe＝M-1·ee
其中，ee为矩形板单元的应变向量,M-1为矩形板单元应变-位移矩阵的逆矩阵。
一种雷达天线阵面变形测量系统及方法的有益效果为：
1.对于雷达这类装备而言，往往不能够依靠某一基准对变形进行直接测量，本发明可以对雷达天线阵面的变形量进行实时、间接地测量。
2.测量单元采用光纤Bragg光栅进行应变测量，可以有效地防止电磁干扰。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种雷达天线阵面变形测量系统的结构示意图。
图2为本发明一种雷达天线阵面变形测量系统中测量单元的结构示意图。
图3为本发明一种雷达天线阵面变形测量方法中四节点逆有限元单元示意图。
图中：雷达天线阵面11；传感器阵列12；数据处理模块13；上位机14。
具体实施方式
具体实施方式一：
下面结合图1-3说明本实施方式，本发明属于雷达天线阵面变形测量领域，更具体的说，涉及一种雷达天线阵面变形测量系统，可以对雷达天线阵面的变形量进行实时、间接地测量。
所述雷达天线阵面变形测量系统由分布在雷达天线阵面11表面的传感器阵列12、数据处理模块13和上位机14组成。
所述传感器阵列12采集雷达天线阵面11表面各点的应变信号，可以选用现有的变形测量传感器。所述传感器阵列12的输出端与所述数据处理模块13的输入端相连，所述数据处理模块13的输出端与所述上位机14的输入端相连。
所述数据处理模块13对所述传感器阵列12采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号并去噪声，可以根据所需实现的功能选择现有的设备；
所述上位机14对所述数据处理模块13处理后的应变信号进行雷达天线阵面11变形量的计算。上位机14为可以执行程序的计算机，用于计算出雷达天线阵面11的变形量并展示给相关人员。
具体实施方式二：
下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述传感器阵列12由多个测量单元组成，每个测量单元为呈0°、45°和90°排列的三段光纤Bragg光栅。光纤Bragg光栅为公知常识，在此不再过多阐述。测量单元采用光纤Bragg光栅进行应变测量，可以有效地防止电磁干扰。为方便传感器布置，减少线束数量，同一方向的Bragg光栅被刻在同一根光纤上。即一根光纤可以同时测量并传输多点的应变数据。通过波分复用技术，将光划分为与光栅数量相同数目的频段，每个光栅对应一个独立的频段，以便后续解调。
具体实施方式三：
下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述数据处理模块13包括光纤光栅解调仪和单片机，所述光纤光栅解调仪将所述传感器阵列12采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号后传给所述单片机进行去噪声处理。光纤光栅解调仪根据频段将信号解调后得到各个测量点的中心波长偏移量，进而求得测量点的应变量，并完成光信号到电信号的转换，即将模拟信号转换为数字信号。所述测量点即下文中的节点。光纤光栅解调仪可以根据需要选择市场上现有的。经过转换后的信号再通过单片机的滤波程序去掉噪声等干扰后被发送至上位机。单片机可以采用STM32单片机。
具体实施方式四：
下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述上位机14为计算机，所述数据处理模块13和上位机14之间通过串口通讯方式通信。
具体实施方式五：
下面结合图1-3说明本实施方式，本发明属于雷达天线阵面变形测量领域，更具体的说，涉及一种雷达天线阵面变形测量方法，可以对雷达天线阵面的变形量进行实时、间接地测量。
所述雷达天线阵面变形测量方法包括如下步骤：
步骤一：采集雷达天线阵面表面各点的表面应变，得到应变信号；
步骤二：将步骤一中采集到的应变信号解调、转换为数字信号并去噪声；
步骤三：采用逆有限单元法求解出步骤二中处理后的雷达天线阵面表面各点变形量。
具体实施方式六：
下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤一中采用多个三段呈0°、45°和90°分布的光纤Bragg光栅采集雷达天线阵面表面各点三个方向的表面应变，测量单元采用光纤Bragg光栅进行应变测量，可以有效地防止电磁干扰。三段呈0°、45°、90°分布的光纤Bragg光栅可以测得阵面上某点三个方向的应变，根据材料力学的有关理论，进而可以换算为该点在水平X、Y方向的线应变以及角应变。设雷达天线阵面表面上某点X、Y方向的线应变分别为εx和εy，角应变为γxy，则：
其中，ε0°为平面直角坐标系内沿水平方向的线应变，ε45°为平面直角坐标系沿与水平方向呈45°夹角方向的线应变，ε90°为平面直角坐标系内沿竖直方向的线应变。
具体实施方式七：
下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，采用逆有限单元法求解出步骤二中处理后的雷达天线阵面表面各点变形量的具体方法为：
采用矩形板单元对雷达天线阵面结构进行离散化，每个矩形板单元有四个节点，每个节点有三个自由度，分别为厚度方向的位移wz，即挠度，绕X轴的转动和绕Y轴的转动。在小变形条件下，认为节点的XY坐标不变，仅有wz变化。因此，所有节点的位移wz共同决定了雷达天线阵面的变形。
对于任意一个矩形板单元而言，引入自然坐标系Ouv，并以1点为原点；
令其中m为矩形板单元的长度，n为矩形板单元的宽度，该矩形板单元共有4个节点，12个自由度，故设：
w＝bT·a
其中w为矩形板单元内部任意一节点的变形量，b为插值基向量，bT为b的转置向量，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量；
则对于矩形板单元内部任意节点i，其位移向量qi为：
其中，wi为节点i在雷达天线阵面法线方向的变形，θxi为节点i绕X轴的转角，θyi为节点i绕Y轴的转角，Bq i为根据插值基向量b构造的插值矩阵，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量；
于是矩形板单元的位移模式qe为：
其中，q1为节点1的位移向量，q2为节点2的位移向量，q3为节点3的位移向量，q4为节点4的位移向量，Bq 1为与节点1对应的插值矩阵，Bq 2为与节点2对应的插值矩阵，Bq 3为与节点3对应的插值矩阵，Bq 4为与节点4对应的插值矩阵，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量，B为矩形板单元4个节点的插值矩阵拼合而成的单元插值矩阵；
用节点自由度表示待定系数向量a,于是矩形板单元内任一节点的位移w为：
w＝bT·a＝bT·(B-1qe)≡N(u,v)qe
其中，b为插值基向量，bT为b的转置向量，B-1为单元插值矩阵的逆矩阵，qe为矩形板单元的位移模式；N为形函数矩阵，是自然坐标u，v的函数；
则矩形板单元内部任意节点i的应变向量ei为：
其中，εxi为该点沿X方向的线应变,εyi为该点沿Y方向的线应变,εxyi为该点的角应变，w为该点沿雷达天线阵面法线方向的变形量，z为雷达天线阵面厚度的0.5倍，Mi(u,v)为应变-位移矩阵,qe为矩形板单元的位移模式；
在矩形板单元内部取4节点，分别测出4节点的应变向量后将矩阵拼合，得到：
其中，ee为矩形板单元的应变向量,由四处节点的应变向量组成；ei(i＝1,2,3,4)为节点i的应变向量，Mi(i＝1,2,3,4)为节点i的应变-位移矩阵,qe为矩形板单元的位移模式,M为矩形板单元4个节点的应变-位移矩阵拼合而成的单元应变-位移矩阵；
从而求解出矩形板单元的位移模式qe，即雷达天线阵面表面各点的变形量：
qe＝M-1·ee
其中，ee为矩形板单元的应变向量,M-1为矩形板单元应变-位移矩阵的逆矩阵。
方法可以归纳为：根据上述矩形板单元节点的变形求解算法，变形求解程序首先根据所测得应变数据完成各个矩形板单元的应变矩阵构造。之后再根据节点编号，将各个矩形板单元通过节点相互关联，对矩形板单元矩阵进行拼合形成雷达天线阵面总体的应变矩阵，最后根据雷达天线阵面的支撑形式代入边界条件之后进行计算，得到各个节点的变形量。节点以外的点的变形值可根据其所在矩形板单元的应变矩阵代入局部坐标进行插值计算。至此，雷达天线阵面上所有点的变形都可以得到。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种雷达天线阵面变形测量系统，其特征在于：所述雷达天线阵面变形测量系统由分布在雷达天线阵面(11)表面的传感器阵列(12)、数据处理模块(13)和上位机(14)组成；
所述传感器阵列(12)采集雷达天线阵面(11)表面各点的应变信号，所述传感器阵列(12)的输出端与所述数据处理模块(13)的输入端相连，所述数据处理模块(13)的输出端与所述上位机(14)的输入端相连；
所述数据处理模块(13)对所述传感器阵列(12)采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号并去噪声；
所述上位机(14)对所述数据处理模块(13)处理后的应变信号进行雷达天线阵面(11)变形量的计算。
2.根据权利要求1所述的一种雷达天线阵面变形测量系统，其特征在于：所述传感器阵列(12)由多个测量单元组成，每个测量单元为呈0°、45°和90°排列的三段光纤Bragg光栅。
3.根据权利要求1所述的一种雷达天线阵面变形测量系统，其特征在于：所述数据处理模块(13)包括光纤光栅解调仪和单片机，所述光纤光栅解调仪将所述传感器阵列(12)采集的应变信号进行解调、将模拟信号转换为数字信号后传给所述单片机进行去噪声处理。
4.根据权利要求1所述的一种雷达天线阵面变形测量系统，其特征在于：所述上位机(14)为计算机，所述数据处理模块(13)和上位机(14)之间通过串口通讯方式通信。
5.一种雷达天线阵面变形测量方法，其特征在于：所述雷达天线阵面变形测量方法包括如下步骤：
步骤一：采集雷达天线阵面表面各点的表面应变，得到应变信号；
步骤二：将步骤一中采集到的应变信号解调、转换为数字信号并去噪声；
步骤三：采用逆有限单元法求解出步骤二中处理后的雷达天线阵面表面各点变形量。
6.根据权利要求5所述的一种雷达天线阵面变形测量方法，其特征在于：步骤一中采用多个三段呈0°、45°和90°分布的光纤Bragg光栅采集雷达天线阵面表面各点三个方向的表面应变，设雷达天线阵面表面上某点X、Y方向的线应变分别为εx和εy，角应变为γxy，则：
其中，ε0°为平面直角坐标系内沿水平方向的线应变，ε45°为平面直角坐标系沿与水平方向呈45°夹角方向的线应变，ε90°为平面直角坐标系内沿竖直方向的线应变。
7.根据权利要求6所述的一种雷达天线阵面变形测量方法，其特征在于：采用逆有限单元法求解出步骤二中处理后的雷达天线阵面表面各点变形量的具体方法为：
采用矩形板单元对雷达天线阵面结构进行离散化，对于任意一个矩形板单元而言，引入自然坐标系Ouv，并以1点为原点；
令其中m为矩形板单元的长度，n为矩形板单元的宽度，该矩形板单元共有4个节点，12个自由度，故设：
w＝bT·a
其中w为矩形板单元内部任意一节点的变形量，b为插值基向量，bT为b的转置向量，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量；
则对于矩形板单元内部任意节点i，其位移向量qi为：
其中，wi为节点i在雷达天线阵面法线方向的变形，θxi为节点i绕X轴的转角，θyi为节点i绕Y轴的转角，Bq i为根据插值基向量b构造的插值矩阵，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量；
于是矩形板单元的位移模式qe为：
其中，q1为节点1的位移向量，q2为节点2的位移向量，q3为节点3的位移向量，q4为节点4的位移向量，Bq 1为与节点1对应的插值矩阵，Bq 2为与节点2对应的插值矩阵，Bq 3为与节点3对应的插值矩阵，Bq 4为与节点4对应的插值矩阵，a＝[a1 a2 ... a12]T为待定系数向量，B为矩形板单元4个节点的插值矩阵拼合而成的单元插值矩阵；
用节点自由度表示待定系数向量a,于是矩形板单元内任一节点的位移w为：
w＝bT·a＝bT·(B-1qe)≡N(u,v)qe
其中，b为插值基向量，bT为b的转置向量，B-1为单元插值矩阵的逆矩阵，qe为矩形板单元的位移模式；N为形函数矩阵，是自然坐标(u，v)的函数；
则矩形板单元内部任意节点i的应变向量ei为：
其中，εxi为该点沿X方向的线应变,εyi为该点沿Y方向的线应变,εxyi为该点的角应变，w为该点沿雷达天线阵面法线方向的变形量，z为雷达天线阵面厚度的0.5倍，Mi(u,v)为应变-位移矩阵,qe为矩形板单元的位移模式；
在矩形板单元内部取4节点，分别测出4节点的应变向量后将矩阵拼合，得到：
其中，ee为矩形板单元的应变向量,由四处节点的应变向量组成；ei(i＝1,2,3,4)为节点i的应变向量，Mi(i＝1,2,3,4)为节点i的应变-位移矩阵,qe为矩形板单元的位移模式,M为矩形板单元4个节点的应变-位移矩阵拼合而成的单元应变-位移矩阵；
从而求解出矩形板单元的位移模式qe，即雷达天线阵面表面各点的变形量：
qe＝M-1·ee
其中，ee为矩形板单元的应变向量,M-1为矩形板单元应变-位移矩阵的逆矩阵。
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