本发明专利技术公开了一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法，其特征在于，先把光纤光栅嵌入到蒙皮天线结构中，然后利用应变-位移转换矩阵把感知的应变转化为变形位移，最后通过感知的变形位移修改蒙皮天线的激励电流，从而达到补偿结构变形对电性能的影响的目的。本发明专利技术的有益之处在于：本发明专利技术的方法不仅能够实时监测蒙皮天线结构的力学性能，实现结构的健康监控，而且通过本发明专利技术的方法能够解决服役中的结构振动和变形导致的蒙皮天线电性能降低问题；光纤光栅传感器质量轻，能够嵌入到结构内部，不影响飞行器的气动和隐身性能，可以应用到预警机、战斗机、无人机、隐身战舰等领域，是保证蒙皮天线性能可靠服役的关键技术。
【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法
本专利技术涉及一种智能蒙皮天线电补偿方法，具体涉及一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法，属于天线
技术介绍
智能蒙皮天线是指将集成天线阵的射频元件和传感元件嵌入到机载、舰载、星载和车载结构中。在服役中，由于气动、振动、冲击或温度载荷的影响，会引起智能蒙皮天线结构的变形，进而导致天线电性能降低。本专利技术是为解决天线服役中电性能恶化而提出的一种电补偿方法。在相关的研究中，NASA研制了一种应用于长航程无人机的机翼，其天线阵列、太阳能电池与机翼结构完全融为一体。NASA的实验结果表明了这种多功能机翼在飞行中的扭曲、摇摆诱发的机械变形影响天线的辐射性能，然而，他们却没有给出阵面结构变形导致电性能降低的控制补偿方法。这些结果在文献“StructurallyIntegratedantennaconceptsforhaleUAVS.NASAReport-2006-214513.LangleyResearchCenterHampton,Virginia,2006:23681-2199.”中有过报道。为了克服振动对机载结构一体化天线电性能的影响，美国空军实验室利用压电作动器自动补偿结构变形对天线阵面形状的影响。这些结果在文献“AlgermissenS,MonnerHP,KnottP,SekoraR.Closed-loopsubspaceidentificationforvibrationcontrolofstructureintegratedantennaarrays.2011IEEEAerospaceConference,BigSky,MT,USA,2011:1-12.”有过报道。然而，该方法只能保障天线阵面的形状可以控制，而形状可控并不能保障电性能可控，这也导致了电性能的实时补偿效果差。NATO组织了荷兰、法国、德国和美国的科学家提出了一种使用大型干涉仪阵列实时测量机翼的阵面结构变形，然后根据变形数据来修正阵列天线的激励电流以实现电性能的补偿。该方法在文献“H.Schippers,J.HvanTongeren,P.Knott,etc.VibratingantennasandcompensationtechniquesResearchinNATO/RTO/SET087/RTG50.2007IEEEAerospaceConference,1-13.”中有报道。然而，在飞行器的外表面安装中大型干涉仪阵列会影响气动性能，这也限制了该方法的实际应用。国内主要利用信号处理技术对测量到的电磁波进行信息处理，并利用最小二乘或光谱分析算法对阵列天线的振幅和相位进行实时调整以补偿结构变形的影响。这些结果在文献“杨志伟，贺顺，廖桂生，欧阳缮.机翼共形阵列的阵元位置估计方法.电子学报，2013，41(10)：1969-1974”和“曾祥能，何峰，张永顺，董臻.星载SAR天线阵面形变分析与补偿方法.国防科技大学学报，2012,34(3):158-163”中有报道。这些文献利用信号处理技术对服役中的天线电性能进行补偿，并且补偿所使用的数据来自于摄像机或干涉仪。然而，在飞行器的外表面安装中这些传感器会影响其气动和隐身性能。综上，现有方法存在以下不足：(1)基于压电作动器的主动控制补偿方法要求复杂的检测和控制制装置，并且只能保障天线阵面形状的可以控制，而形状可控并不能保障电性能可控；(2)利用信号处理技术的补偿方法，其补偿效果依赖测量装置获得的数据。然而，在飞行器外表面安装中大型干涉仪阵列或光电摄像系统，不仅会影响飞行器的气动和隐身性能，而且难以获得埋入结构内部天线阵面辐射单元的变形位移，影响补偿效果。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法，该方法不仅能够实时监测蒙皮天线结构的力学性能，实现结构的健康监控，而且通过该方法能够解决服役中的结构振动和变形导致的蒙皮天线电性能降低问题。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据设计的智能蒙皮天线几何结构建立蒙皮天线结构的有限元模型，完成蒙皮天线结构的模态分析；第二步，从模态分析结果中提取出位移模态数据和应变模态数据，并分别利用位移模态数据和应变模态数据形成位移模态矩阵[Φ]N×n和应变模态矩阵[Ψ]M×n，然后利用下面的公式构建应变位移转换矩阵：式中，T是维数为N×M的矩阵；N和M分别表示位移节点数和光栅测量的应变点数，N>M；n表示使用的模态数；第三步，利用第二步建立的应变位移转换矩阵T和第一步建立的有限元模型构建传感器布局优化模型，该优化模型为：式中，||T||和||T-1||分别表示矩阵T和其逆矩阵的范数，||T||·||T-1||表示矩阵T的条件数；xl和xh表示传感器布置在x方向的坐标最小和最大值，yl和yh表示传感器布置在y方向的坐标最小和最大值；第四步，根据确定的传感器布局位置，在智能蒙皮天线结构中埋入光纤光栅智能夹层，制造集成光纤光栅的智能蒙皮天线；第五步，根据光纤光栅测量的原理，在时刻t秒时，第i个光栅在测量位置pi＝[xi，yi]T处测量得到的应变εi(t)为：式中，pe为光纤的有效光弹常数，λi＝2neΛ表示第i个光纤光栅的中心波长，ne为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期，△λi(t)为时刻t秒时结构变形导致的波长偏移量；第六步，利用第二步构建的应变位移转换矩阵T把测量的结构应变转化为结构变形的位移Z(t)：Z(t)＝T·E(t)(4)式中，T是N×M维的位移应变转换矩阵，E(t)＝[ε1(t),ε2(t),…,εM(t)]T表示在t时刻由M个光栅测量点测量处应变组成的M×1维向量，Z(t)＝[z1(t),z2(t),…,zN(t)]T表示N×1维向量结构变形位移，N和M分别表示估计的位移节点数和应变测量点总数，N>M；第七步，根据每时刻t获得的所有光纤光栅测量站点处数据{(pi,zi(t)),i＝1,2,...,L}，利用数据拟合或插值算法构建蒙皮天线结构变形的形貌函数f(p)：z(t)＝f(p)(5)式中，向量p＝[x,y]T表示光栅站点处的结构变形水平坐标，z表示光栅站点处p＝[x,y]T处的法向变形位移；第八步，估计结构变形导致的第ij个辐射单元中心的位置变形量其中，△xij是第ij个辐射单元中心位置沿水平面内X方向的结构变形量，△yij是第ij个辐射单元中心位置沿水平面内Y方向的结构变形量，△zij(t)是第ij个辐射单元中心位置沿天线表面Z方向的结构变形量，Z方向是法向方向，△zij(t)满足如下关系：△zij(t)＝f(pij)(6)式中，pij＝[△xij,△yij]T是由天线设计中确定的第ij个辐射单元中心位置的水平坐标；第九步，根据估计的第ij个辐射单元中心位置的变形量构建天线阵第ij个辐射单元激励电流的补偿相位ΔΩij：式中，j表示复数的虚部单位；表示在远区观察方向(θ,φ)处的单位极化矢量θ是俯仰角，它是远区观察点与直角坐标系中Z轴正方向的夹角，φ是方位角，它是远区观察点在XOY平面内的投影与X轴正方向的夹角，k＝2π/λ0表示波常数本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据设计的智能蒙皮天线几何结构建立蒙皮天线结构的有限元模型，完成蒙皮天线结构的模态分析；第二步，从模态分析结果中提取出位移模态数据和应变模态数据，并分别利用位移模态数据和应变模态数据形成位移模态矩阵[Φ(y)]N×n和应变模态矩阵[Ψ(y)]M×n，然后利用下面的公式构建应变位移转换矩阵：T=[Φ]N×n·([Ψ]M×nT·[Ψ]M×n)-1·[Ψ]M×nT---(1)]]>式中，T是维数为N×M的矩阵；N和M分别表示位移节点数和光栅测量的应变点数，N>M；n表示使用的模态数；第三步，利用第二步建立的应变位移转换矩阵T和第一步建立的有限元模型构建传感器布局优化模型，该优化模型为：Find:x1,x2,...,xMy1,y2,...,yMMin:||T||·||T‑1|| (2)s.t.xl≤xi≤xhyl≤yi≤yh(i=1,2,...,M)]]>式中，||T||和||T‑1||分别表示矩阵T和其逆矩阵的范数，||T||·||T‑1||表示矩阵T的条件数；xl和xh表示传感器布置在x方向的坐标最小和最大值，yl和yh表示传感器布置在y方向的坐标最小和最大值；第四步，根据确定的传感器布局位置，在智能蒙皮天线结构中埋入光纤光栅智能夹层，制造集成光纤光栅的智能蒙皮天线；第五步，根据光纤光栅测量的原理，在时刻t秒时，第i个光栅在测量位置pi＝[xi,yi]T处测量得到的应变εi(t)为：ϵi(t)=Δλi(t)(1-pe)λi---(3)]]>式中，pe为光纤的有效光弹常数，λi＝2neΛ表示第i个光纤光栅的中心波长，ne为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期，△λi(t)为时刻t秒时结构变形导致的波长偏移量；第六步，利用第二步构建的应变位移转换矩阵T把测量的结构应变转化为结构变形的位移Z(t)：Z(t)＝T·E(t) (4)式中，T是N×M维的位移应变转换矩阵，E(t)＝[ε1(t),ε2(t),…,εM(t)]T表示在t时刻由M个光栅测量点测量处应变组成的M×1维向量，Z(t)＝[z1(t),z2(t),…,zN(t)]T表示N×1维向量结构变形位移，N和M分别表示估计的位移节点数和应变测量点总数，N>M；第七步，根据每时刻t获得的所有光纤光栅测量站点处数据{(pi,zi(t)),i＝1,2,...,L}，利用数据拟合或插值算法构建蒙皮天线结构变形的形貌函数f(p)：z(t)＝f(p) (5)式中，向量p＝[x,y]T表示光栅站点处的结构变形水平坐标，z表示光栅站点处p＝[x,y]T处的法向变形位移；第八步，估计结构变形导致的第ij个辐射单元中心的位置变形量其中，沿蒙皮天线结构法向方向的变形位移△zij满足如下关系：z(t)＝f(pij) (6)式中，pij＝[△xij,△yij]T是由天线设计中确定的第ij个辐射单元中心位置的水平坐标；第九步，根据估计的第ij个辐射单元中心位置的变形量构建天线阵第ij个辐射单元激励电流的补偿相位△Ψij：ΔΩij=exp[jkr^·Δr^ij(t)]---(7)]]>式中，j表示复数的虚部单位；表示在远区观察方向(θ,φ)处的单位极化矢量k＝2π/λ0表示波常数，λ0是自由空间波长；第十步，利用补偿相位修正天线的激励电流，获得补偿后的蒙皮天线电性能：E^(θ,φ)=Σi=-mmΣj=-llIijexp(jkr^·Δr^ij(t))Fij(θ,φ)exp[-jkr^·(r‾ij+Δrij(t))]---(8)]]>式中，表示补偿后天线在方向(θ,φ)处的电场方向图；Ιij表示第ij个辐射单元的激励电流；Fij(θ,φ)表示第ij个辐射单元的有源单元方向图；m和l分别表示沿x和y轴方向的微带辐射单元个数，每个辐射单元间的距离为dx与dy；θ和φ分别表示天线在远区的观察方向，表示从坐标原点到第ij个辐射单元中心的位置矢量，其中，表示该辐射单元在直角坐标系中的三个分量；△rij(t)表示服役期间由于冲击、振动或气动载荷导致的蒙皮天线结构变形量。...
【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据设计的智能蒙皮天线几何结构建立蒙皮天线结构的有限元模型，完成蒙皮天线结构的模态分析；第二步，从模态分析结果中提取出位移模态数据和应变模态数据，并分别利用位移模态数据和应变模态数据形成位移模态矩阵[Φ]N×n和应变模态矩阵[Ψ]M×n，然后利用下面的公式构建应变位移转换矩阵：式中，T是维数为N×M的矩阵；N和M分别表示位移节点数和光栅测量的应变点数，N>M；n表示使用的模态数；第三步，利用第二步建立的应变位移转换矩阵T和第一步建立的有限元模型构建传感器布局优化模型，该优化模型为：式中，||T||和||T-1||分别表示矩阵T和其逆矩阵的范数，||T||·||T-1||表示矩阵T的条件数；xl和xh表示传感器布置在x方向的坐标最小和最大值，yl和yh表示传感器布置在y方向的坐标最小和最大值；第四步，根据确定的传感器布局位置，在智能蒙皮天线结构中埋入光纤光栅智能夹层，制造集成光纤光栅的智能蒙皮天线；第五步，根据光纤光栅测量的原理，在时刻t秒时，第i个光栅在测量位置pi＝[xi,yi]T处测量得到的应变εi(t)为：式中，pe为光纤的有效光弹常数，λi＝2neΛ表示第i个光纤光栅的中心波长，ne为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期，Δλi(t)为时刻t秒时结构变形导致的波长偏移量；第六步，利用第二步构建的应变位移转换矩阵T把测量的结构应变转化为结构变形的位移Z(t)：Z(t)＝T·E(t)(4)式中，T是N×M维的位移应变转换矩阵，E(t)＝[ε1(t),ε2(t),…,εM(t)]T表示在t时刻由M个光栅测量点测量处应变组成的M×1维向量，Z(t)＝[z1(t),z2(t),…,zN(t)]T表示N×1维向量结构变形位移，N和M分别表示估计的位移节点数和应变测量点总数，N>M；第七步，根据每时刻t获得的所有光纤光栅测量站点处数据{(pi,zi(t)),i＝1,2,...,L}，利用数据拟合或插值算法构建蒙皮天线结构变形的形貌函数f(p)：z(t)＝f(p)(5)式中，向量p＝[x,y]T表示光栅站点处的结构变形水平坐标...
【专利技术属性】
技术研发人员：周金柱，李勋，段宝岩，黄进，王从思，李鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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