CN109543334B - 一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，首先，建立相控阵雷达的流固耦合模型，在给定随机过程的风速时程曲线下将离散的风速施加到相控阵雷达上，计算得到相控阵阵面上随时间变化的风压分布；其次，将时变的风压分布作用在相控阵雷达的固体结构上，计算得到随时间变化的阵面位移；最后，通过结构‑电耦合模型计算得到随时间变化的方向图函数，同时获取随机载荷作用下主瓣增益、波束宽度等时变电性能。本发明为复杂的机电耦合装备在随机载荷作用下的电性能变化情况提供了一种有效的分析方法，所获取的时变方向图可用于电性能的不确定性分析，为实际工程应用提供指导和参照。

Description

一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法
技术领域
本发明属于机电耦合技术领域，具体涉及一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法。
背景技术
有源相控阵雷达是一种复杂高性能电子装备，是电、机、热等多学科相结合的系统，在实际服役过程中，常受到不同级别风载荷的影响。分析相控阵雷达在时变风载荷作用下电性能所受的影响，能够有效的为机电一体化设计提供更符合实际需要的指导，有助于进一步掌握复杂工况对电子装备的影响机理。然而，由于受到实际测试条件的限制、技术和经济条件的影响，很难通过实地测量分析风载荷对电性能的影响。通过建立相控阵雷达的多场耦合仿真模型，对实际工况进行模拟相对而言更加经济可行。因此这种时变风载荷作用下相控阵雷达动态电性能的分析方法对实际工程应用具有重大意义。
发明内容
针对风载荷对相控阵雷达的作用难以直接测量的困难，本发明提出一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，从而通过相控阵雷达多场耦合模型，分析在风载荷作用下电性能受影响的情况。具体包括如下步骤
步骤1：对风速样本进行采样分析，建立风速与时间的时程关系曲线，统计风速的概率密度分布；
步骤2：对风速的时程关系曲线进行离散，作为分段载荷分步施加到相控阵雷达阵面上；
步骤3：建立相控阵雷达的流固耦合模型，将离散的风速时程曲线分段加载到模型上，获取相控阵阵面上的风压分布；
步骤:4：建立相控阵雷达的结构有限元模型，将步骤1所获取的时变风压分布分段加载到有限元模型上，计算得到相控阵阵面随时间变化的位移场分布；
步骤5：将阵面上的时变空间位移场转化为天线单元节点位置上随时间变化的位移量；
步骤6：将时变的单元位移量代入机电耦合模型中，计算得到天线的阵因子时变方向图；
步骤7：将天线单元方向图代入阵因子方向图中，获取全阵的方向图，并从方向图中提取时变主瓣增益、波束宽度等电性能参数。
进一步的，在所述步骤1中，风速和风向都可以发生变化，在记性风速分布统计时，考虑某一方向的风速时程进行采样分析。风载荷以风压形式施加在天线阵面上，将会引起相控阵雷达桁架结构和阵面的变形，造成阵元位置的偏移，而阵元位置的偏移将会影响最终相控阵雷达的电磁性能，考虑风载荷的大小和方向是随时间不断变化的，因此不同大小，不同方向的风载荷将会对相控阵雷达的电磁性能造成随时间变化的动态影响。
进一步的，在所述步骤2中，离散过程所采用的步长根据精度要求和计算要求可适当调整。风载荷可分为平均风和脉动风，平均风作为较为稳定的一部分，可根据各地年最大风速的极值分布确定，脉动风作为不确定的因素，通常采用随机过程方式进行描述。
进一步的，在所述步骤3中，风速的时程曲线可以是平稳随机过程，也可以带有风起步阶段非平稳随机过程段，其本身由平均风和脉动风两部分组成，对时程曲线在进行时间上的离散，分段获取不同风速下的风压分布。
进一步的，在所述步骤4中，采用上一步骤计算得到的时变风压分段加载，进行动力学分析，综合每一段计算得到的位移响应，获取整个阵面的位移场分布。
进一步的，在所述步骤5中，天线单元的位移变化由阵面位移场对应的每个天线单元位置的变化量等效计算得到。
进一步的，在所述步骤6中，机电耦合模型的阵因子方向图函数具有如下表达式
Figure GDA0002478563030000021
其中，
Figure GDA0002478563030000022
为天线方向图函数(电场强度)，j为虚数，
Figure GDA0002478563030000023
为自由空间的传播常数(相移常数)，m、n分别为天线单元横向、纵向个数，dx，dy为天线单元横向和纵向的间距，Δx0,0，Δy0,0，Δz0,0为初始单元误差，cosαx，cosαy，cosαz为方向导数，Δxmn，Δymn，Δzmn为天线单元所受风压的变形量。
进一步的，在所述步骤7中，天线单元方向图根据天线单元的种类不同，存在不同形式，可以是喇叭天线、微带天线、极化天线、对称阵子天线等。
本发明的有益效果包括：相控阵雷达由于规模庞大，同时又是多场耦合系统，在服役期间所受的风载荷难以直接测量，在风载荷作用下的电性能变化特点更加难以确定，本发明通过建立相控阵雷达仿真模型，考虑风载荷的时变特性，获取在时变风载荷作用下相控阵雷达的电性能变化情况，对实际工程应用具有重要意义；本发明在建立多场耦合模型过程中，充分考虑了风载荷对电性能的影响机理，在不同物理场之间通过完整的数据传递，减少了由于过多简化造成的误差，所获取的时变电性能结果更符合实际；本发明的耦合机理有利于推广到更多复杂工况对电性能的影响，如温度、雪载荷、冲击载荷等。
附图说明
图1是本发明中相控阵超级子阵的三维模型；
图2是流固耦合分析时的网格划分情况；
图3是风速的时程曲线；
图4是流体动力学分析的边界条件设置；
图5是作用在天线面板上的风压分布；
图6是风压作用下天线阵面的变形情况；
图7是阵因子方向图的基本原理；
图8是变形前后阵因子方向图对比；
图9是变形前后相控阵辐射方向图变化；
图10是时变的天线辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1示出了相控阵雷达超级子阵试验平台的三维模型(正面/背面)。该实验平台大致尺寸为2M×3M，拥有天线单元数32×64＝768个，外壳材料采用1Gr18Ni9Ti，天线面板采用铝合金6061-T6。该实验平台由天线面板、T/R组件设备和支撑背架组成。在搭建试验平台时，为了考察天线面板形变与电性能的关系，人为的降低了天线面板刚度，由9个蜗轮蜗杆机构取代原先的天线面板支撑结构。
图2示出了进行流体动力学分析时的网格划分情况。网格划分时，在天线面板部分进行网格精细化控制，在进行风压计算时，抑制相控阵雷达的固体部分，将固体部分考虑为刚体，在空气腔正面施加垂直于天线阵面的风载荷，风速大小为图3所示的风速时程曲线。风速的时程曲线可由各地气象站资料获取，也可以实地实验获取，通常，风速的时程曲线包含前部的非平稳随机过程段和平稳随机过程段。
图4示出了进行流体动力学分析时的边界条件，其中，空气腔下面定义为Wall，前后两面分别为风的入口(input)和出口(output)，其余面设置为symmetry。分析类型设置为为瞬态分析，在定义受风平面时将天线面板等几个主要受风面和变形区域作为主要区域，定义为Wall。
图5示出了在某段风压作用下天线阵面面板所受到的风压分布情况。通过分段获取不同风速下的风压，即可得到在图3风速时程曲线的风载荷作用下，阵面所受到的时变的风压。此处考虑了时变风速作用下风压的瞬态变化，将每一步的风压分布储存作为后续计算结构变形的输入参量。
图6示出了某一时刻下(t＝10s)风压作用时天线面板的位移分布情况。将上一步的时变风压分布作为输入载荷作用于天线结构上，获取每一时刻所受风压产生的变形量，由结果显示，当前(t＝10s)此时阵面面板的最大变形量为16.844mm。
图7示出了相控阵雷达阵因子方向图的基本原理，带有天线单元误差的阵因子方向图具有如下的表达式：
Figure GDA0002478563030000041
该方向图函数考虑了由于阵面误差带来的相位差，从而影响天线辐射远场的电性能参数。其中，
Figure GDA0002478563030000042
为天线方向图函数(电场强度)，j为虚数，
Figure GDA0002478563030000043
为自由空间的传播常数(相移常数)，m、n分别为天线单元横向、纵向个数，dx，dy为天线单元横向和纵向的间距，Δx0,0，Δy0,0，Δz0,0为初始单元误差，cosαx，cosαy，cosαz为方向导数，Δxmn，Δymn，Δzmn为天线单元的变形量。
图8示出了在选取天线单元等效位置的阵面位移作为天线单元的等效位移，获取所有天线单元的变形量，代入天线阵因子方向图函数中，得到变形前后阵因子方向图的变化。由图可知，天线阵面的变形对天线方向图的副瓣增益影响十分显著。
图9示出了在建立天线单元模型、获取天线单元方向图后，代入到相控阵耦合模型中，得到完整的相控阵辐射方向图。天线单元选取喇叭天线，工作频率选取为10GHz。天线单元的方向图由HFSS仿真计算获取。
图10示出了在时变风载荷作用下相控阵雷达的时变辐射方向图。该方向图可以动态显示不同时段下的天线增益变化量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，具体包括如下步骤：
步骤1：对风速样本进行采样分析，建立风速与时间的时程关系曲线，统计风速的概率密度分布；
步骤2：对风速的时程关系曲线进行离散，作为分段载荷分步施加到相控阵雷达阵面上；
步骤3：建立相控阵雷达的流固耦合模型，将离散的风速时程曲线分段加载到模型上，获取相控阵阵面上的风压分布；
步骤4：建立相控阵雷达的结构有限元模型，将步骤1所获取的时变风压分布分段加载到有限元模型上，计算得到相控阵阵面随时间变化的位移场分布；
步骤5：将阵面上的时变空间位移场转化为天线单元节点位置上随时间变化的位移量；
步骤6：将时变的单元位移量代入机电耦合模型中，计算得到天线的阵因子时变方向图；
步骤7：将天线单元方向图代入阵因子方向图中，获取全阵的方向图，并从方向图中提取时变主瓣增益、波束宽度电性能参数。
2.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤1中，风载荷以风压形式施加在天线阵面上，将会引起相控阵雷达桁架结构和阵面的变形，造成阵元位置的偏移，而阵元位置的偏移将会影响最终相控阵雷达的电磁性能，考虑风载荷的大小和方向是随时间不断变化的，因此不同大小，不同方向的风载荷将会对相控阵雷达的电磁性能造成随时间变化的动态影响。
3.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤2中，风载荷可分为平均风和脉动风，平均风作为稳定的一部分，可根据各地年最大风速的极值分布确定，脉动风作为不确定的因素，采用随机过程方式进行描述。
4.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤3中，风速的时程曲线是平稳随机过程，或带有风起步阶段非平稳随机过程段，其本身由平均风和脉动风两部分组成，对时程曲线在进行时间上的离散，分段获取不同风速下的风压分布。
5.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤4中，采用上一步骤计算得到的时变风压分段加载，进行动力学分析，综合每一段计算得到的位移响应，获取整个阵面的位移场分布。
6.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤5中，天线单元的位移变化由阵面位移场对应的每个天线单元位置的变化量等效计算得到。
7.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤6中，机电耦合模型的阵因子方向图函数具有如下表达式
Figure FDA0002492071190000021
其中，
Figure FDA0002492071190000022
为天线方向图函数，j为虚数，
Figure FDA0002492071190000023
为自由空间的传播常数，m、n分别为天线单元横向、纵向个数，dx，dy为天线单元横向和纵向的间距，Δx0,0，Δy0,0，Δz0,0为初始单元误差，cosαx，cosαy，cosαz为方向导数，Δxmn，Δymn，Δzmn为天线单元所受风压的变形量，βmn为相位差。
8.根据权利要求1所述的一种随机风载荷作用下相控阵雷达动态电性能分析方法，其特征在于，在所述步骤7中，天线单元方向图根据天线单元的种类不同，存在不同形式，包括喇叭天线、微带天线、极化天线、对称阵子天线。
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