CN114252032A - 一种基于微波超材料的微形变场高精度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体火箭发动机测试领域，具体涉及一种基于微波超材料的微形变场高精度测量系统及方法。包括贴附柔性介质材料的发动机壳体、发射/接收天线、微波成像雷达、微波高频信号采集器、微波信号调制/解调装置、数据处理系统、矢量分析仪、微波信号源、图像分析系统及图像反演算法系统，双绞线依次连接。本发明采用微波超材料超常的电磁特性用于固体火箭发动机的应变测量，装置的环境适应性更强，测量控制精度高，且试验过程中各环节对不确定度的影响更小，安装操作更加简便。柔性超材料阵列实现由点到场的分布测量，测量广度大；微波成像技术实现强的环境适应性，确保实验结果准确；无线微波传输，实现无接触式测量，降低工作风险。
Description
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机测试领域，具体涉及一种基于微波超材料的微形变场高精度测量系统及方法。
背景技术
针对固体火箭发动机测试系统的微形变测量，目前大多采用Fabry-Perot干涉腔制作成光纤光栅、数字图像、电阻应变片测试技术、激光散斑测试技术等。
美国在航天飞机X-33的表面上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，用于对航天飞机振动模态实验时的应力应变场实时健康监测研究，但由于光纤光栅真空固化后对于壳体材料的结构可靠性影响，并无尝试在高速高空中飞行测试应用。在真实大气环境的直升机飞行试验中俄罗斯研制的新型光纤光栅传感器，采用埋入式结构已应用于发动机壳体应变测量、及材料缺陷诊断，光纤光栅1100℃，波长解调速度1ms。但这种研究表明，埋入的光纤光栅应变传感网络对壳体结构可靠性产生了一定的影响。
中国空气动力研究院在高超声速飞行器研制过程中通过利用单模光纤加工形成的Fabry-Perot干涉腔制作成光纤光栅来感应考核关键件在气动、温度载荷下的热结构性能，讨论分析了该技术在传感器制作工艺、安装工艺、检测评估等方面存在的问题。试验研究结果表明强振动高温下测试性能不稳定，需要在制作安装工艺和高温性能检测评估上开展深入研究，提高F-P光纤应变计的稳定性和一致性。
某研究所开展了基于光纤光栅的固体火箭发动机壳体应变场的测试技术研究，进行了多次搭载试验，取得了一定研究成果。但由于光纤光栅在壳体表面缠绕、胶体固化等工艺的复杂性和一致性，以及强振动噪声对光纤光栅干扰作用，导致壳体应变场测试数据重复性和测试精度不足。
现有技术的缺点有：
(1)对于Fabry-Perot干涉腔制作成光纤光栅，试验研究结果表明强振动高温下测试性能不稳定，需要在制作安装工艺和高温性能检测评估上开展深入研究。
(2)对于数字图像相关测试技术，试验研究结果表明强振动、强光环境使得关键检测设备工作有效性难以保证，试验过程的强杂散光直接造成背景灰度噪声过大，无法实现应变场的测量。
由于固体火箭发动机试验与测试环境伴随着高温、高压、强振动、强噪声、强光、强粉尘等复杂环境限制，光学、超声、视频图像等先进应力应变场测量手段无法应用到固体火箭发动机应力应变场测试，目前仅能采用金属应变片的形式进行单点应变参数采集，因此也越来越难以满足先进固体火箭发动机综合性能评价的需求，亟需由由点至场、无线、高精度、强环境适应性的应力应变场测试技术补齐恶劣环境下、复杂表面应力应变场测试的瓶颈问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明提供一种基于微波超材料的微形变场高精度测量系统及方法，以解决复杂表面应力应变场测试的瓶颈问题。
为解决技术问题本发明采用的技术方案
一种基于微波超材料的微形变场高精度测量系统，包括贴附柔性介质材料的发动机壳体、发射/接收天线、微波成像雷达、微波高频信号采集器、微波信号调制/解调装置、数据处理系统、矢量分析仪、微波信号源、图像分析系统及图像反演算法系统，
所述微波信号源发出低频率的微波原始信号；
所述微波调制/解调装置，将微波信号调制装置得到所需高频段信号，为装置提供持续稳定的微波信号源；
所述发射/接收天线固定在滑轨上，通过电磁阀门在试车时使其固定段频率打向贴附柔性介质材料的发动机壳体；
所述微波高频信号采集器，微波达到超材料表面激发散射出的电磁信号与微波高频信号采集器接收天线相连接，接收待测贴附柔性介质材料的发动机壳体反射回来的电磁波从而达到无接触式场测量；
所述微波成像雷达，接收微波信号；
所述数据处理系统，通过检测被测物质介电常数的变化分布呈像，再软件算法将图像呈现在计算机中以便更加准确的找到应变场发生的位置，
所述图像分析系统，通过矢量网络分析仪针对应变场位置将信号放大提取，将返回信号的S参数提取出来，将提取出来的图像信息转化为数字信息；
所述矢量分析仪，通过主成分分析对原始光谱数据进行降维；
所述图像反演算法系统，分析对超材料复介电常数场的变化情况，得知与应力场的变化关系。
一种基于微波超材料的微形变场高精度测量方法，操作步骤如下：
S1：微波超材料传感器的设计与传感机理研究，采用尺寸和温度与氧化稳定性高的超材料物质与形状；
S2：搭建超材料微波成像与图像处理的应变场分布测试系统；
S3：微波超材料传感器频域传输光谱与微形变关系模型的建立。
进一步地，所述S3的操作步骤如下：
S31：利用主成分分析对原始光谱数据进行降维；
S32：针对超材料传输光谱与固体火箭发动机壳体微形变之间的非线性关系，选用非线性模型支持向量回归(SVR)对特征传输光谱与微形变的关系进行建模，也是将输入空间的x通过映射函数
映射到更高维度的特征空间，
S33：在特征空间内在线性函数两侧制造了一个″间隔带″，对于所有落入到间隔带内的样本，都不计算损失；只有间隔带之外的，才计入损失函数；
S34：通过最小化间隔带的宽度与总损失来最优化模型，提高基于超材料传感器的固体火箭发动机微形变测试的准确性与灵敏度。
进一步地，所述S31通过Principle Component Analysis，PCA进行分析。
本发明获得的有益效果
本发明采用微波超材料超常的电磁特性用于固体火箭发动机的应变测量，装置的环境适应性更强，测量控制精度高，且试验过程中各环节对不确定度的影响更小，安装操作更加简便。柔性超材料阵列实现由点到场的分布测量，测量广度大；微波成像技术实现强的环境适应性，确保实验结果准确；无线微波传输，实现无接触式测量，降低工作风险。
附图说明
图1：基于微波超材料的微形变场高精度测量系统流程图；
图2：基于超材料的固体火箭发动机壳体形变测试示意图；
图3：不同形变状态下的超材料及其传输频谱示意图；
具体实施方式
本发明技术方案的基本内容为设计一套针对固体火箭发动机测试时存在强振动、高辐射、强噪声、以及复杂的电磁环境等问题，基于超材料微波成像技术完成对固体火箭发动机应变场位置及其相关数据的精确测量，通过利用微波反射成像与超材料的微波强吸收效应，研究入射电磁波对微形变超材料的复介电常数分布探测成像技术，构建复杂曲面微波复介电常数分布与奇异点吸收微波频率变化模型，实现微波反射性能与微应变场的图像反演，达到试验测量目的。
首先，微波超材料传感器的设计与传感机理研究，采用优良的尺寸和温度与氧化稳定性高的超材料物质与形状，设计并研究。搭建超材料微波成像与图像处理的应变场分布测试系统。微波超材料传感器频域传输光谱与微形变关系模型的建立，本发明拟首先利用主成分分析(Principle Component Analysis，PCA)对原始光谱数据进行降维，假设图片信息是一个n维的矩阵，但是由于其数据量较大，我们将n维特征映射到k维上，从原始的空间中顺序地找一组相互正交的坐标轴，新的坐标轴的选择与数据本身是密切相关的。其中，第一个新坐标轴选择是原始数据中方差最大的方向，第二个新坐标轴选取是与第一个坐标轴正交的平面中使得方差最大的，第三个轴是与第1，2个轴正交的平面中方差最大的。依次类推，可以得到n个这样的坐标轴，相当于只保留包含绝大部分方差的维度特征，而忽略包含方差几乎为0的特征维度，实现有效减少样本信息的维度，排除数据重叠识别造成的干扰因素。第二，针对超材料传输光谱与固体火箭发动机壳体微形变之间的非线性关系，选用非线性模型支持向量回归(SVR)对特征传输光谱与微形变的关系进行建模，也是将输入空间的x通过映射函数
映射到更高维度的特征空间，然后再在特征空间内在线性函数两侧制造了一个“间隔带”，对于所有落入到间隔带内的样本，都不计算损失；只有间隔带之外的，才计入损失函数。之后再通过最小化间隔带的宽度与总损失来最优化模型，提高基于超材料传感器的固体火箭发动机微形变测试的准确性与灵敏度。
为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对本发明所提出的技术方案的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
微波超材料的微形变场高精度测量系统主要由贴附柔性介质材料的发动壳体、发射/接收天线、微波成像雷达、微波高频信号采集器、微波信号调制/解调装置、数据处理系统、矢量分析仪、微波信号源、图像分析系统及图像反演算法系统组成。
本发明工作原理，首先，微波信号源发出低频率的微波原始信号，再通过采用数字调相或正交调幅等多进制调制技术微波调制系统将基带信号调制为中频或射频载波已调信号，之后通过微波信号调制/解调装置将一种非线性的电路控制环路将微波信号调制装置得到所需高频段信号，为装置提供持续稳定的微波信号源；其次，将发射天线固定在滑轨上，通过电磁阀门再试车时使其将固定段频率打向被测的贴附柔性介质材料的发动机壳体。根据麦克斯韦原理，微波达到超材料表面时会产生微小感应电流，从而感应电流又会激发出磁场，将激发散射出的电磁信号用与高频信号收集器接收天线相连接，接收待测贴附柔性介质材料的发动机壳体反射回来的电磁波从而达到无接触式场测量。最后，将微波信号传入微波成像雷达中，再通过检测被测物质介电常数的变化分布呈像，再软件算法将图像呈现在计算机中以便更加准确的找到应变场发生的位置，之后，通过矢量网络分析仪针对应变场位置将信号放大提取，将返回信号的S参数提取出来，将提取出来的图像信息转化为数字信息，再利用主成分分析(Principle Component Analysis，PCA)对原始光谱数据进行降维，有效减少样本信息的维度，排除数据重叠识别造成的干扰因素。最后，用非线性模型支持向量回归(SVR)对特征传输光谱与微形变的关系进行建模，找出超材料传输光谱与固体火箭发动机壳体微形变之间的非线性关系。
本发明经过模拟发动机表面柔性介质材料受力形变试验验证，试验校准数据见图2：基于超材料的固体火箭发动机壳体形变测试示意图，明显的体现了发动机在试车过程中壳体因内部压强、温度等因素而产生的微小应变。我们通过贴敷在壳体外侧的耐高温超材料柔性介质，将此微小应变“传递”至更好测量微形变的超材料上，从而反映出壳体的应变情况。
图3为不同形变状态下的超材料及其传输频谱示意图，图2中已经将微小应变传递至柔性超材料的形变上，之后我们对柔性超材料介质在微小形变时的频谱信息做出了分析，由图可知，达当超材料结构发生0.5mm微小形变时，频谱信息发生了近600MHz的变化，完全可以达到换算对应信噪比规定。证明了该方法测试理论具有可行性。
根据仿真实验数据将超材料结构所构成的等效电路，根据公式(1)得到S参数相关数据，之后将S参数根据公式(2)计算出提取得到超材料的归一化的吸收频谱数据如表一所示：
5(absorb)＝s11 2-s21 2 (2)
为了更好的验证此方式具有可行性，将仿真实验数据导出进行数据换算，由表1可知，柔性介质材料形变1mm，接收频谱蓝移500MHz，线性度较为明显，验证了该装置的合理性和可行性。
表1 不同程度形变超材料归一化吸收值表
由于数据量较大，故采用间隔点平均取值作为输出数据，上表可知，可根据柔性吸收谱强度与频率偏移关系，反演出其微形变，从而确定发动机形变数量关系。
Claims (4)
1.一种基于微波超材料的微形变场高精度测量系统，其特征在于：包括贴附柔性介质材料的发动机壳体、发射/接收天线、微波成像雷达、微波高频信号采集器、微波信号调制/解调装置、数据处理系统、矢量分析仪、微波信号源、图像分析系统及图像反演算法系统，
所述微波信号源发出低频率的微波原始信号；
所述微波调制/解调装置，将微波信号调制装置得到所需高频段信号，为装置提供持续稳定的微波信号源；
所述发射/接收天线固定在滑轨上，通过电磁阀门在试车时使其固定段频率打向贴附柔性介质材料的发动机壳体；
所述微波高频信号采集器，微波达到超材料表面激发散射出的电磁信号与微波高频信号采集器接收天线相连接，接收待测贴附柔性介质材料的发动机壳体反射回来的电磁波从而达到无接触式场测量；
所述微波成像雷达，接收微波信号；
所述数据处理系统，通过检测被测物质介电常数的变化分布呈像，再软件算法将图像呈现在计算机中以便更加准确的找到应变场发生的位置，
所述图像分析系统，通过矢量网络分析仪针对应变场位置将信号放大提取，将返回信号的S参数提取出来，将提取出来的图像信息转化为数字信息；
所述矢量分析仪，通过主成分分析对原始光谱数据进行降维；
所述图像反演算法系统，分析对超材料复介电常数场的变化情况，得知与应力场的变化关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波超材料的微形变场高精度测量方法，其特征在于，操作步骤如下：
S1：微波超材料传感器的设计与传感机理研究，采用尺寸和温度与氧化稳定性高的超材料物质与形状；
S2：搭建超材料微波成像与图像处理的应变场分布测试系统；
S3：微波超材料传感器频域传输光谱与微形变关系模型的建立。
3.根据权利要求2所述的一种基于微波超材料的微形变场高精度测量方法，其特征在于，所述S3的操作步骤如下：
S31：利用主成分分析对原始光谱数据进行降维；
S32：针对超材料传输光谱与固体火箭发动机壳体微形变之间的非线性关系，选用非线性模型支持向量回归(SVR)对特征传输光谱与微形变的关系进行建模，也是将输入空间的x通过映射函数
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S33：在特征空间内在线性函数两侧制造了一个″间隔带″，对于所有落入到间隔带内的样本，都不计算损失；只有间隔带之外的，才计入损失函数；
S34：通过最小化间隔带的宽度与总损失来最优化模型，提高基于超材料传感器的固体火箭发动机微形变测试的准确性与灵敏度。
4.根据权利要求3所述的一种基于微波超材料的微形变场高精度测量方法，其特征在于：所述S31通过Principle Component Analysis，PCA进行分析。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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