一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，包括：1）基于模態(tài)坐標(biāo)評(píng)價(jià)向量按照參與變形程度對(duì)備選模態(tài)進(jìn)行排序，根據(jù)模態(tài)刪除前后變形向量線性相關(guān)性得到能夠描述天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集；2）采用有效獨(dú)立法進(jìn)行傳感器布置，刪除對(duì)目標(biāo)模態(tài)的獨(dú)立性貢獻(xiàn)最小的自由度，直到剩余自由度數(shù)目與傳感器數(shù)目相同；3）根據(jù)小變形情況下天線結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)變之間為線性關(guān)系，利用數(shù)值仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)計(jì)算映射矩陣；4）根據(jù)應(yīng)變和位移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用布置在指定位置傳感器測量出天線結(jié)構(gòu)應(yīng)變后通過映射矩陣得到天線結(jié)構(gòu)的位移。本發(fā)明的方法可以使用應(yīng)變傳感器間接地測量出天線的變形，且計(jì)算量小，求解速度快、實(shí)時(shí)性高。
【專利說明】一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體是一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測
量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面天線廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、空間科學(xué)等領(lǐng)域中。反射面精度是衡量天線性能的重要指標(biāo)之一，而且隨著天線口徑的增大，工作頻率的提高，對(duì)反射面精度要求也越來越高。然而，天線工作過程中要受到各種載荷的作用，除自身重力外，天線還會(huì)受到溫度載荷、風(fēng)荷、冰雪載荷等作用，這些都會(huì)引起反射面的變形。這種變形將直接影響到天線電氣工作性能，嚴(yán)重的還會(huì)使得天線失去作用。因此，需要對(duì)天線的變形情況進(jìn)行測量，為進(jìn)行反射面的形面調(diào)整和變形補(bǔ)償提供依據(jù)。
[0003]天線制造完成后需要首先測量反射面精度，一般用經(jīng)緯儀或微波全息攝影技術(shù)。通常使用經(jīng)緯儀進(jìn)行初裝后的面板調(diào)整，使用微波全息攝影用于反射面精確測量與調(diào)整。常用的測量方法有經(jīng)緯儀測量法、照相攝影法、微波全息法和激光測距法等，但這些方法要么操作復(fù)雜，耗時(shí)長，要么精度不夠、更不能滿足實(shí)時(shí)測量的需求。
[0004]考慮到結(jié)構(gòu)變形與其應(yīng)變之間的關(guān)系，可以通過測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的方法來間接地測量結(jié)構(gòu)的變形。應(yīng)變傳感器應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)天線影響小，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。但大中型桁架天線一般是由數(shù)量龐大的構(gòu)件組成的，出于經(jīng)濟(jì)上和實(shí)際結(jié)構(gòu)限制方面的原因，不可能在每個(gè)構(gòu)件上都布置傳感器。要布置盡量少的傳感器而測量足夠多的動(dòng)態(tài)參數(shù)，就必須對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置。
[0005]對(duì)于簡單結(jié)構(gòu)，有經(jīng)驗(yàn)的工程試驗(yàn)人員可以較容易地確定傳感器的位置，而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳感器的數(shù)目和位置的選擇就相當(dāng)困難。因此需要尋找一種方法，能指導(dǎo)傳感器數(shù)目與位置的確定，并能判斷所選擇的傳感器數(shù)目與位置是否恰當(dāng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明給出了一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，該方法可解決數(shù)目一定時(shí)的傳感器布置問題，并通過算例來說明這種方法的可行性。
[0007]該方法是通過以下方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0008]一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，該方法包括下述步驟:
[0009]I)確定包含各工況下天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集
[0010]基于模態(tài)坐標(biāo)評(píng)價(jià)向量按照參與變形程度對(duì)備選模態(tài)進(jìn)行排序，根據(jù)模態(tài)刪除前后變形向量的線性相關(guān)性來得到可描述各工況下天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集；
[0011]2)確定觀測最小完備模態(tài)集時(shí)應(yīng)變傳感器的布置位置
[0012]采用有效獨(dú)立法進(jìn)行傳感器布置，刪除對(duì)目標(biāo)模態(tài)的獨(dú)立性貢獻(xiàn)最小的自由度，直到剩余自由度數(shù)目與傳感器數(shù)目相同；
[0013]3)確定從應(yīng)變到位移的映射矩陣[0014]根據(jù)小變形情況下天線結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)變之間為線性關(guān)系，利用數(shù)值仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)計(jì)算出映射矩陣；
[0015]4)利用應(yīng)變測量值觀測天線結(jié)構(gòu)的變形
[0016]根據(jù)應(yīng)變和位移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用布置在指定位置的傳感器測量出天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)變后通過映射矩陣得到天線結(jié)構(gòu)的位移。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟I)中，基于模態(tài)坐標(biāo)評(píng)價(jià)向量按照參與變形程度對(duì)備選模態(tài)進(jìn)行排序，根據(jù)模態(tài)刪除前后變形向量的線性相關(guān)性來得到能夠描述各工況下天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集，通過下述方法來實(shí)現(xiàn):
[0018]Ia)設(shè)天線結(jié)構(gòu)需要在M個(gè)載荷工況下工作，第j (j=l, 2，...，Μ)個(gè)工況下天線結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的變形位移為Uj ；
[0019]Ib)確定包含天線結(jié)構(gòu)所有工況變形的備選模態(tài)集，將其前N階模態(tài)作為備選模態(tài)集，其中N應(yīng)不小于應(yīng)變傳感器的數(shù)目；利用所選的N階模態(tài)向量構(gòu)造出天線結(jié)構(gòu)的模態(tài)矩陣
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，其特征在于，該方法至少包括下述步驟: 1)確定包含各工況下天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集 基于模態(tài)坐標(biāo)評(píng)價(jià)向量按照參與變形程度對(duì)備選模態(tài)進(jìn)行排序，根據(jù)模態(tài)刪除前后變形向量的線性相關(guān)性來得到能夠描述各工況下天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集； 2)確定觀測最小完備模態(tài)集時(shí)應(yīng)變傳感器的布置位置 采用有效獨(dú)立法進(jìn)行傳感器布置，刪除對(duì)目標(biāo)模態(tài)的獨(dú)立性貢獻(xiàn)最小的自由度，直到剩余自由度數(shù)目與傳感器數(shù)目相同； 3)確定從應(yīng)變到位移的映射矩陣 根據(jù)小變形情況下天線結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)變之間為線性關(guān)系，利用數(shù)值仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)計(jì)算出映射矩陣； 4)利用應(yīng)變測量值觀測天線結(jié)構(gòu)的變形 根據(jù)應(yīng)變和位移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用布置在指定位置的傳感器測量出天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)變后通過映射矩陣得到天線結(jié)構(gòu)的位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，其特征在于，所述步驟1)中，基于模態(tài)坐標(biāo)評(píng)價(jià)向量按照參與變形程度對(duì)備選模態(tài)進(jìn)行排序，根據(jù)模態(tài)刪除前后變形向量的線性相關(guān)性來得到能夠描述各工況下天線結(jié)構(gòu)變形的最小完備模態(tài)集，通過下述方法來實(shí)現(xiàn): 1a)設(shè)天線結(jié)構(gòu)需要在M個(gè)載荷工況下工作，第j個(gè)工況下天線結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的變形位移為Uj, j=l,2,...,M； lb)確定包含天線結(jié)構(gòu)所有工況變形的備選模態(tài)集，將其前N階模態(tài)作為備選模態(tài)集，其中N應(yīng)不小于應(yīng)變傳感器的數(shù)目；利用所選的N階模態(tài)向量構(gòu)造出天線結(jié)構(gòu)的模態(tài)矩陣
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，其特征在于，所述步驟2)中，采用有效獨(dú)立法進(jìn)行傳感器布置，刪除對(duì)目標(biāo)模態(tài)的獨(dú)立性貢獻(xiàn)最小的自由度，直到剩余自由度數(shù)目與傳感器數(shù)目相同，通過下述方式來實(shí)現(xiàn): 2a)設(shè)定天線結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)目為n，描述其變形的最小完備模態(tài)集中的模態(tài)數(shù)目為K，由模態(tài)疊加原理，天線結(jié)構(gòu)的位移Us則表示為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，其特征在于，所述步驟3)中，根據(jù)小變形情況下天線結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)變之間為線性關(guān)系，利用數(shù)值仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)計(jì)算出映射矩陣，通過下述方法實(shí)現(xiàn): 3a)小變形情況下天線結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)變之間是線性關(guān)系，存在矩陣B可將應(yīng)變映射成位移，其關(guān)系式為: U=BXE (20)其中，U e Rnxi為天線結(jié)構(gòu)的位移向量，η為天線結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)目，E e Rsxi為天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)變向量，S為應(yīng)變傳感器的數(shù)目； 3b)從式(20)可知矩陣B為nX S矩陣，而對(duì)于一組給定載荷下的應(yīng)變與位移關(guān)系，得到η個(gè)方程；由此，求解B必須加載不同的測試載荷，上式變形為: UnXM-B X Esxm (21) 其中M為載荷工況數(shù)； 用矩陣的偽逆來解上式中的B，得到的解具有最小平方誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)變傳感器的天線結(jié)構(gòu)變形的間接測量方法，其特征在于，所述步驟4)中，根據(jù)應(yīng)變和位移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用布置在指定位置的傳感器測量出天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)變后通過映射矩陣B，將測量到的應(yīng)變值E代入式(20)即得到天線結(jié)構(gòu)的變形位移U。
【文檔編號(hào)】G01B21/32GK103776416SQ201410012927
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】杜敬利, 保宏, 魏傳達(dá), 趙澤, 段學(xué)超, 韓生弟 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)