CN110047136B - 一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法,包括步骤有:(1)根据频率选择表面天线罩的实物模型建立若干区域,包括M个抛物面和1个圆锥面;(2)在抛物面和圆锥面上截取与实物模型轮廓重合的部分,按其高度进行拼接,形成曲面I;以实物模型左右两侧的棱状边条所在的平面为剖面,将曲面I复制一个关于剖面的镜像面;(3)分别在区域上建立局部坐标系;(4)建立一个单元模型;(5)在每个区域的母线上建立一列单元模型;(6)在每个区域中,绕着中心轴旋转复制,得到完整的频率选择表面单元阵列,建模。本发明提高了建模精度,且为频率选择表面天线罩的力学、电磁学特性分析提供精度可控且适于并行计算的仿真模型。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域,尤其涉及一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法。
背景技术
作为天线的保护装置,天线罩广泛应用于军事、民用无线电领域,如飞机的机头雷达罩、地空、空空导引头天线罩、机翼电子战天线罩、机背卫通天线罩等,几乎有天线之处就会有天线罩的存在。频率选择表面(FSS,Frequency Selective Surfaces)是一种通过表面结构设计达到调控电磁波的传输与散射特性的空间滤波结构,将其应用于天线罩,在保护天线的同时可显著提高天线的隐身能力,具有重要价值。
分析频率选择表面天线罩的力学、电磁特性的前提是准确建模,为了保证飞行武器的空气动力学性能和隐身外形设计,机头频率选择表面天线罩一般为不可展尖锥曲面外形设计,此时频率选择表面不能再按照平面二维周期阵列的理想形式进行设计和应用,极大地增加了建模难度,导致共形频率选择表面天线罩的设计受限于曲面布阵建模方法的缺乏而无法形成合理的控制方案,目前尚未见其公开报道的快速精确建模方法。因此,针对非旋转对称不可展尖锥曲面模型难以构建的问题,亟需一种有效的计算机辅助建模方法,为频率选择表面天线罩的力学、电磁学特性分析提供精度可控的仿真模型。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供了一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法,以提高不可展尖锥曲面频率选择表面天线罩的建模精度,进而为频率选择表面天线罩的力学、电磁学特性分析提供精度可控且适于并行计算的仿真模型。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法,其改进之处在于:所述方法包括如下步骤:
(1)根据频率选择表面天线罩的实物模型建立若干分段逼近的区域,包括M个抛物面和1个圆锥面;
(2)在所述抛物面和所述圆锥面上截取与实物模型轮廓重合的部分,记录下所截取的高度,并进行拼接,形成曲面I;以实物模型左右两侧的棱状边条所在的平面为剖面,将所述曲面I复制一个关于所述剖面的镜像面,形成不可展曲面I;
(3)分别在区域上建立局部坐标系;
(4)在每个区域上根据频率选择表面单元形式建立一个单元模型;
(5)在每个区域的母线上建立一列所述单元模型;
(6)在每个区域中,绕着中心轴旋转复制,得到完整的频率选择表面单元阵列,建模。
优选的:所述M个抛物面和1个圆锥面的顶点均指向直角坐标系XYZ轴的Z轴负轴方向;
所述M个抛物面和1个圆锥面的几何参数通过逐次迭代优化获取;初次建模时,以实物模型的高度、底面半径建立1个圆锥面,计算与实物模型的重合程度,若差距超过建模任务需要的精度,则将所述实物模型分成N段再建模;
将所述实物模型分成两段后:
建立所述圆锥面时:以实物模型的二分之一高度和二分之一高度处的横截面半径建立所述圆锥面;
建立所述抛物面时:采用二维笛卡尔坐标系(x,y)的方式,建立三点正定方程组,建立所述抛物面。
较优选的:步骤(2)包括:
1)用X轴x=b值处的YZ平面分别将所述M个抛物面切开,得到M个抛物面面片;其中b值为:
b=|r-a|
式中,r为圆锥面的底面半径,a为所述抛物面上和所述圆锥面上与实物模型轮廓重合的部分的最大尺寸;
2)按设定高度分别截取所述M个抛物面面片,并拼接起来,合成曲面II;
3)将所述合成曲面II向X轴x=b处平移后,复制一个针对YOZ平面的镜像,得到不可展曲面II;
4)用X轴x=a值处的YZ平面将所述1个圆锥面切开,得到1个曲面III,将所述曲面III向X轴x=b处平移后,复制一个针对YOZ平面的镜像,将所述曲面III与其镜像组合得到不可展曲面III;
5)将所述不可展曲面II和所述不可展曲面III进行合成,得到不可展曲面I。
较优选的:步骤(3)所述分别在区域上建立局部坐标系,包括:
根据所述M个抛物面上高度和一个单元的高度计算得到每个区域的单元层数,单元层数等于抛物面的高度除以单元的高度,取整数;
对每个单元层上建立局部坐标系。
较优选的:步骤(4)所述频率选择表面单元由上层介质层、中间金属FSS薄膜层、下层介质层组成;本发明上下介质层材料相对介电常数4.3,损耗正切≤0.02,厚度均为1mm,中间金属FSS薄膜层的单元形式为圆环孔径型,金属孔径外环和内环半径分别为3.5mm和1.9mm,单元长和宽均为7.8mm。
较优选的:将所述M个局部坐标系中每个局部坐标系上建立两个等高圆柱,圆柱半径根据单元模型中的参数(金属孔径外环和内环半径)确定,将两个等高圆柱相减得到圆环柱,将所述不可展曲面I与所述圆环柱的相交部分作为单元模型。
较优选的:步骤(5)所述在每个区域的母线上建立一列单元模型,包括在每个抛物面的母线上建立一列单元模型。
较优选的:步骤(6)包括:
将一列单元模型最下面的单元,绕着Z轴旋转设定的角度,并复制Q个单元,再绕着Z轴旋转与所述设定的角度相反的角度,并复制Q个单元;设定的角度等于:用区域中的抛物面上每层的四分之一周长除以每个单元的宽度得到单元的个数,再用90°除以单元的个数,取整数,即为角度数值;
将曲面II减去所述Q个单元,可得曲面FSS阵列IV;
将曲面FSS阵列IV向X轴x=b处平移,并复制一个针对YOZ平面的镜像,曲面FSS阵列IV与其镜像组合得到不可展曲面频率选择表面阵列。
实施本发明的,具有以下有益效果:
本发明解决了非旋转对称不可展尖锥曲面外形频率选择表面天线罩的计算机辅助建模问题,比传统的通过平面二维周期阵列进行弯曲建模大大提高了建模精度,该方法合理可控,可以通过自由选择区域的个数和大小来调节建模精度与效率,此外该方法为分区域建模,可直接用于频率选择表面天线罩的力学、电磁学等特性的区域分解并行仿真计算。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图;
图2是本发明实施例的不可展曲面I示意图。
图3是本发明实施例的得到不可展曲面III的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本实施例结合图1至图3进行说明。
本实施例提供的一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法,其改进之处在于:所述方法包括如下步骤:
(1)根据频率选择表面天线罩的实物模型建立若干分段逼近的区域,包括M个抛物面和1个圆锥面;因现实中需要达到的天线罩外形是一个曲率连续变化的外形,故本实施例在进行分段逼近的操作为:首先垂直于轴线切成上下两个区域,对每个区域用一个近似的圆锥面或者抛物面(误差由用户设定)来逼近这个区域,与区域重叠的区域保留,额外的区域通过x=a平面切掉,剩下的部分就是这个区域的一半,然后做镜像并和镜像拼成一个整体。具体的:
M个抛物面和1个圆锥面的顶点均指向直角坐标系XYZ轴的Z轴负轴方向;
所述M个抛物面和1个圆锥面的几何参数(包括底面半径,高度,截取的位置)通过逐次迭代优化获取;初次建模时,以实物模型的高度、底面半径建立1个圆锥面,计算与实物模型的重合程度,若差距超过建模任务需要的精度,则将所述实物模型分成N段再建模。分段建模时,用垂直于轴线的平面分成上下两段,如果两段拟合达不到用户设定误差内,则用两个平面分成三段,依此类推。
建立所述圆锥面时:以实物模型的二分之一高度和二分之一高度处的横截面半径建立所述圆锥面;
建立所述抛物面时:采用二维笛卡尔坐标系(x,y)的方式,建立三点正定方程组,建立所述抛物面,具体为:首先限定抛物面经过两个关键点1和点2,所述两点的坐标模仿二维笛卡尔坐标系(x,y)的方式描述,即所述关键点1的坐标是(实物模型的底面半径,抛物面上点1的未知高度),关键点2的坐标是(实物模型二分之一高度处的横截面半径,抛物面上点2的未知高度),所述两点的满足抛物面方程,即可建立2个含有未知高度1和未知高度2以及未知焦距的方程。此外再根据条件:抛物面上点1的未知高度与抛物面上点2的未知高度差为实物模型的二分之一高度,可再可建立1个含有未知高度1和未知高度2的方程,此时共有3个方程,共含有3个未知数,构成正定方程组,以此求出抛物面的焦点坐标和2个关键点的坐标,根据这些信息就可以创建满足该抛物面方程的抛物面。将这1个抛物面和1个圆锥面组合,继续观察与实物模型的重合程度,同理,若差距仍超过建模任务所需要的精度,则将实物模型进一步分成三段,以此类推,逐渐增加抛物面的数目,直到组合体与实物模型的重合程度满足建模任务所需要的精度。
(2)在所述抛物面和所述圆锥面上截取与实物模型轮廓重合的部分,记录下所截取的高度,并进行拼接,形成曲面I;以实物模型左右两侧的棱状边条所在的平面为剖面,将所述曲面I复制一个关于所述剖面的镜像面;具体包括:
1)用X轴x=b值处的YZ平面分别将所述M个抛物面切开,得到M个抛物面面片;其中b值为:
b=|r-a|
式中,r为圆锥面的底面半径,a为所述抛物面上和所述圆锥面上与实物模型轮廓重合的部分的最大尺寸;
2)按设定高度分别截取所述M个抛物面面片,并拼接起来,合成曲面II;
3)将所述合成曲面II向X轴x=b处平移后,复制一个针对YOZ平面的镜像,得到不可展曲面II;
4)用X轴x=a值处的YZ平面将所述1个圆锥面切开,得到1个曲面III,将所述曲面III向X轴x=b处平移后,复制一个针对YOZ平面的镜像,将所述曲面III与其镜像组合得到不可展曲面III,如图3所示;
5)将所述不可展曲面II和所述不可展曲面III进行合成,得到不可展曲面I,如图2所示。
(3)分别在区域上建立局部坐标系,即根据所述M个抛物面上高度和一个单元的高度计算得到每个区域的单元层数,单元层数等于抛物面的高度除以单元的高度,取整。本实施例对每个单元层上建立局部坐标系。
(4)在每个区域上根据频率选择表面单元形式建立一个单元模型;具体的,频率选择表面单元由上层介质层、中间金属FSS薄膜层、下层介质层组成。上下介质层材料相对介电常数4.3,损耗正切≤0.02,厚度均为1mm,中间金属FSS薄膜层的单元形式为圆环孔径型,金属孔径外环和内环半径分别为3.5mm和1.9mm,单元长和宽均为7.8mm。
具体的,将所述M个局部坐标系中每个局部坐标系上建立两个等高圆柱,圆柱半径根据单元模型中的参数(金属孔径外环和内环半径)确定,将两个等高圆柱相减得到圆环柱,将所述不可展曲面I与所述圆环柱的相交部分作为单元模型。
(5)在每个抛物面的母线上建立一列单元模型;
(6)在每个区域中,绕着中心轴旋转复制,得到完整的频率选择表面单元阵列,建模。具体的:将一列单元模型最下面的单元,绕着Z轴旋转设定的角度,并复制Q个单元,再绕着Z轴旋转与所述设定的角度相反的角度,并复制Q个单元;设定的角度等于:用区域中的抛物面(对每个区域都需要进行这样的操作,如区域一来源于抛物面一,就对该抛物面一进行操作)上每层的四分之一周长除以每个单元的宽度得到单元的个数,再用90°除以单元的个数,取整数,即为角度数值;
将曲面II减去所述Q个单元,可得曲面FSS阵列IV;
将曲面FSS阵列IV向X轴x=b处平移,并复制一个针对YOZ平面的镜像,曲面FSS阵列IV与其镜像组合得到不可展曲面频率选择表面阵列。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于频率选择表面的天线罩三维建模方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:
(1)根据频率选择表面天线罩的实物模型建立若干分段逼近的区域,包括M个抛物面和1个圆锥面;
所述M个抛物面和1个圆锥面的顶点均指向直角坐标系XYZ轴的Z轴负轴方向;
所述M个抛物面和1个圆锥面的几何参数通过逐次迭代优化获取;初次建模时,以实物模型的高度、底面半径建立1个圆锥面,计算与实物模型的重合程度,若差距超过建模任务需要的精度,则将所述实物模型分成N段再建模;
将所述实物模型分成两段后:
建立所述圆锥面时:以实物模型的二分之一高度和二分之一高度处的横截面半径建立所述圆锥面;
建立所述抛物面时:采用二维笛卡尔坐标系(x,y)的方式,建立三点正定方程组,建立所述抛物面;
(2)在所述抛物面和所述圆锥面上截取与实物模型轮廓重合的部分,记录下所截取的高度,并进行拼接,形成曲面I;以实物模型左右两侧的棱状边条所在的平面为剖面,将所述曲面I复制一个关于所述剖面的镜像面,形成不可展曲面I;
1)用X轴x=b值处的YZ平面分别将所述M个抛物面切开,得到M个抛物面面片;其中b值为:
b=r-a
式中,r为圆锥面的底面半径,a为所述抛物面上和所述圆锥面上与实物模型轮廓重合的部分的最大尺寸;
2)按设定高度分别截取所述M个抛物面面片,并拼接起来,合成曲面II;
3)将所述合成曲面II向X轴x=b处平移后,复制一个针对YOZ平面的镜像,得到不可展曲面II;
4)用X轴x=a值处的YZ平面将所述1个圆锥面切开,得到1个曲面III,将所述曲面III向X轴x=b处平移后,复制一个针对YOZ平面的镜像,将所述曲面III与其镜像组合得到不可展曲面III;
5)将所述不可展曲面II和所述不可展曲面III进行合成,得到不可展曲面I;
(3)分别在每个所述分段逼近的区域上建立局部坐标系;
(4)在每个区域上根据频率选择表面单元形式建立一个单元模型;
(5)在每个区域的母线上建立一列所述单元模型;
(6)在每个区域中,绕着中心轴旋转复制,得到完整的频率选择表面单元阵列,建模。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述分别在区域上建立局部坐标系,包括:
根据所述M个抛物面上高度和一个单元的高度计算得到每个区域的单元层数,单元层数等于抛物面的高度除以单元的高度,取整数;
对每个单元层上建立局部坐标系。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤(4)所述频率选择表面单元由上层介质层、中间金属频率选择表面FSS薄膜层、下层介质层组成。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:将每个所述局部坐标系上建立两个等高圆柱,将两个等高圆柱相减得到圆环柱,将所述不可展曲面I与所述圆环柱的相交部分作为单元模型。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤(5)所述在每个区域的母线上建立一列单元模型,包括在每个抛物面的母线上建立一列单元模型。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤(6)包括:
将一列单元模型最下面的单元,绕着Z轴旋转设定的角度,并复制Q个单元,再绕着Z轴旋转与所述设定的角度相反的角度,并复制Q个单元;设定的角度等于:用区域中的抛物面上每层的四分之一周长除以每个单元的宽度得到单元的个数,再用90°除以单元的个数,取整数,即为角度数值;
将曲面II减去所述Q个单元,可得曲面频率选择表面FSS阵列IV;
将曲面频率选择表面FSS阵列IV向X轴x=b处平移,并复制一个针对YOZ平面的镜像,曲面频率选择表面FSS阵列IV与其镜像组合得到不可展曲面频率选择表面阵列。
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