本發(fā)明屬于通信技術領域，更進一步涉及雷達天線技術領域中的一種網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)三維實體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法。

背景技術：

網(wǎng)狀反射面天線在衛(wèi)星通信、遙感測量、深空探測及對地觀測等技術領域有廣闊的應用前景，是衛(wèi)星有效載荷的關鍵技術之一。為了研究網(wǎng)狀反射面天線的結(jié)構(gòu)性能、無源互調(diào)特性，確定天線結(jié)構(gòu)參數(shù)以及接觸結(jié)點的接觸力，必須對天線結(jié)構(gòu)進行幾何建模、靜力學、動力學及熱力學性能仿真分析，從而達到減少試驗次數(shù)、提高研制效率、降低研制費用等目的。另外，金屬絲網(wǎng)編織形式復雜，而且用于網(wǎng)狀反射面天線的絲網(wǎng)尺寸大、具有上億個微小網(wǎng)孔，無法直接建立其全柔體三維幾何模型。

韓鐘劍，在文獻“編織結(jié)構(gòu)形式對網(wǎng)狀反射面天線電性能的影響分析”(西安電子科技大學碩士論文，2010年)公開了一種生成金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型的方法。該方法采用是MATLAB PDE工具箱內(nèi)建網(wǎng)格生成器，產(chǎn)生了任意(交叉的)矩形、多邊形和圓形平面結(jié)構(gòu)。但該方法存在的不足是，不能描述網(wǎng)子的準確的精細結(jié)構(gòu)，無法滿足實際的需求。

劉鵬飛，在文獻“金屬絲網(wǎng)濾清器阻力特性預測方法研究”(哈爾濱工程大學工程碩士論文，2013年)中公開了一種生成金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型的方法。該方法是首先在保證張緊程度一致的情況下對已有的實驗用絲網(wǎng)進行大量的尺寸測量，運用數(shù)理統(tǒng)計的方法得到該絲網(wǎng)的網(wǎng)孔平均網(wǎng)格間隔和網(wǎng)絲直徑大小，然后,為了能真實反映金屬絲網(wǎng)濾清器內(nèi)部的流動情況，合理體現(xiàn)絲網(wǎng)間搭接形式，建立了沒有經(jīng)過簡化的金屬絲網(wǎng)三維真實模型。最后,基于二維簡化方法，分析得到了金屬絲網(wǎng)的直徑、層間距。但該方法存在的不足是，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，需要大量的實驗測量數(shù)據(jù)，生成金屬絲網(wǎng)的過程復雜且計算量大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術的不足，一種網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)三維實體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法。本發(fā)明采用圖形測量技術獲得金屬絲網(wǎng)胞元的實際坐標，通過截面掃描技術獲得胞元的實體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合陣列技術對金屬絲網(wǎng)的所有胞元進行裝配，從而實現(xiàn)網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)三維實體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的具體步驟如下：一種網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)三維實體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法，步驟如 下：

(1)設定需要編織的網(wǎng)狀反射面天線的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并設定金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中金屬絲的截面直徑D，所述金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)為周期陣列結(jié)構(gòu)；

(2)根據(jù)網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提取網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重復單元，將該重復單元作為網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的胞元；從胞元邊界出發(fā)沿著金屬絲的走向確定胞元內(nèi)所包含的金屬絲的數(shù)量；同時，根據(jù)胞元內(nèi)金屬絲的數(shù)量、金屬絲的走向及金屬絲的顏色深淺，判斷胞元內(nèi)金屬絲交匯處的搭接關系；

(3)在金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元內(nèi)建立三維坐標系，三維坐標系的原點設置于胞元內(nèi)任意一個位置，設定z軸為垂直于金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)所在平面的方向(z軸與x軸正交，z軸與y軸正交)，x軸、y軸組成的平面，即為金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)所在平面(將金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)水平放置在水平面上，金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)在水平面上的投影即為x軸、y軸組成的平面，也是x軸、y軸所在的平面，x軸與y軸正交)，垂直于z軸，對胞元內(nèi)每根金屬絲沿著其走向選定多個測量點，測量點應選擇在兩根金屬絲的交匯處位置及金屬絲彎折較大處位置處，而且沿金屬絲走向選擇與前一測量點最先滿足曲率半徑大于等于4·D的點作為后一測量點，采用圖形測量技術，獲得胞元內(nèi)每根金屬絲上符合曲率要求的測量點的x、y軸坐標；

(4)根據(jù)胞元內(nèi)金屬絲的走向及交匯處的搭接關系，對胞元內(nèi)每個測量點估計出Z軸的初始坐標值，將將胞元內(nèi)每條金屬絲上的測量點沿著金屬絲走向選擇P個相鄰測量點(P為大于等于4的整數(shù))，采用三維插值函數(shù)進行數(shù)據(jù)擬合，獲得多條三維曲線；

(5)對所有的三維插值曲線，采用截面掃描技術，獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元的實體結(jié)構(gòu)；判斷胞元的實體結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬絲在搭接處是否緊密接觸且無實體干涉，即定義交匯處金屬絲的中心距離在[2D-D/100,2D+D/100]之內(nèi)為金屬絲在搭接處緊密接觸且無實體干涉，如果金屬絲中心距離之間的空間距離小于2D-D/1000，則將交匯處附近測量點的Z坐標每次增加D/1000，直到交疊處的最小距離在[2D-D/100,2D+D/100]范圍內(nèi)，如果金屬絲之間空間距離大于2D+D/100，則將交匯處附近測量點的Z坐標每次減小D/1000，直到交疊處的最小距離在[2D-D/100,2D+D/100]范圍內(nèi)，直至所有胞元內(nèi)所有金屬絲在搭接處均無干涉而又緊密接觸為止，從而得到優(yōu)化的胞元結(jié)構(gòu)；

(6)將優(yōu)化的胞元的實體結(jié)構(gòu)安裝實物圖像進行拼接，如果邊界處的金屬絲接頭不能完全合并，則調(diào)節(jié)不能合并的胞元接頭處的測量點的坐標值，并保證沿金屬絲走向的拼接處的接頭位置附近的相鄰測量點均應滿足曲率半徑大于等于4·D的要求，直至胞元的所有接頭均能與相鄰的金屬絲合并，從而獲得能夠拼接的胞元結(jié)構(gòu)。

(7)將獲得的能拼接的胞元結(jié)構(gòu)采用陣列技術裝配獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)的三維實體結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

第一，本發(fā)明采用圖形測量技術與截面掃描技術獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元的金屬絲的坐標，克服了現(xiàn)有技術在網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實體建模中生成的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型誤差較大的不足，本發(fā)明實現(xiàn)了網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實體結(jié)構(gòu)的準確建模，為網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學性能分析以及無源互調(diào)預測提供了技術基礎的優(yōu)點。

第二，本發(fā)明采用多項式擬合方法與陣列技術對網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的所有胞元進行裝配，克服了現(xiàn)有技術網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)建模中需要大量實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計學分析導致計算量大的不足，使得本發(fā)明有效地提高索網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)建模的設計效率，為網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學性能分析提供了技術保障的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明所依據(jù)的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的圖像；

圖3為本發(fā)明的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的胞元及坐標系；

圖4為金屬絲直徑的測量示意圖，為獲得絲網(wǎng)的實際尺寸，以金屬絲直徑為比例轉(zhuǎn)換關系；

圖5為金屬絲測量點的選取示意圖，所選擇的測量點應該滿足相應的曲率半徑要求；

圖6為本發(fā)明所建的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元內(nèi)的金屬絲網(wǎng)發(fā)生了實體干涉示意圖；

圖7為本發(fā)明所建的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元內(nèi)的金屬絲網(wǎng)位置調(diào)整后，不再發(fā)生實體干涉的示意圖；

圖8為本發(fā)明的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中接頭處理前后的胞元圖；

圖9為本發(fā)明的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元的三維結(jié)構(gòu)圖；

圖10為本發(fā)明建立的面積為5mm×5mm的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

本發(fā)明的基本思路是，本發(fā)明公開了一種網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)三維實體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法，具體步驟包括：(1)給定網(wǎng)狀反射面天線的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)或者圖像；(2)確定金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的胞元及胞元內(nèi)金屬絲數(shù)量、搭接關系；(3)獲得胞元測量點的二維坐標值；(4)根據(jù) 測量點獲得胞元的三維曲線；(5)獲得交匯處無干涉而又緊密接觸的胞元結(jié)構(gòu)；(6)對胞元接頭進行處理獲得能夠拼接的胞元結(jié)構(gòu)；(7)采用陣列技術裝配獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)三維實體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用圖形測量技術與截面掃描技術，結(jié)合陣列技術實現(xiàn)了網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)的三維實體結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術在結(jié)構(gòu)實現(xiàn)過程中誤差較大且計算量大的不足，具有精度高、結(jié)構(gòu)準確的優(yōu)點。首先給定金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)實物或圖像，依據(jù)網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的圖像，獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的胞元，采用圖形測量技術測量出網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元的二維坐標值，并根據(jù)金屬絲直徑轉(zhuǎn)換出絲網(wǎng)的實際尺寸關系，根據(jù)胞元中金屬絲網(wǎng)的走向及搭接關系，以及三維插值函數(shù)獲得胞元的三維結(jié)構(gòu)，然后采用截面掃描技術，獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元結(jié)構(gòu)，調(diào)整測量點的z坐標使胞元中的金屬絲在搭接處緊密接觸且無實體干涉，然后對接頭進行處理，將處理后的胞元運用陣列技術裝配獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)的三維拓撲結(jié)構(gòu)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。

參照附圖1，本發(fā)明具體實施方式如下：

步驟1，給定網(wǎng)狀反射面天線的金屬絲網(wǎng)實物或者該金屬絲網(wǎng)的實物圖片，如果給定金屬絲網(wǎng)實物，需要將該絲網(wǎng)平鋪垂直(與絲網(wǎng)平鋪所在平面相垂直)照相并獲得圖片，所述金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)為周期陣列結(jié)構(gòu)，所提供圖片只有在邊緣處有截斷的面；給定金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中金屬絲的截面直徑D，圖中所示金屬絲網(wǎng)直徑為50微米；

步驟2，根據(jù)步驟1中提供的圖片，如圖2所示，提取網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重復單元，將該重復單元作為網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的胞元，如圖2中黑框標示出的結(jié)構(gòu)；從胞元邊界出發(fā)沿著金屬絲的走向確定胞元內(nèi)所包含的金屬絲的數(shù)量；同時，根據(jù)胞元內(nèi)金屬絲的數(shù)量、金屬絲的走向及金屬絲的顏色深淺，判斷胞元內(nèi)金屬絲交匯處的搭接關系；

步驟3，在金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元內(nèi)(基于步驟1所獲得的圖片)建立三維坐標系，三維坐標系的原點可以設置于胞元內(nèi)任意一個位置，此處將坐標原點選到胞元中間位置，設定垂直于金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)所在平面的方向為z軸，金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)所在平面向右選為x軸，金屬絲網(wǎng)陣列結(jié)構(gòu)所在平面向上選為y軸，所建立的坐標系如圖3所示，圖片內(nèi)所有金屬絲z坐標為0。

對胞元內(nèi)每根金屬絲沿著其走向選定測量點，測量點首先應該包括兩根金屬絲的交匯處位置的點及金屬絲彎折較大處位置的點，其次，沿金屬絲走向選擇與前一測量點最先滿足曲率半徑大于等于4·D的點作為后一測量點，如圖5所示，圖中F_i為前一測量點，沿著金屬 絲走向，選定F_i+1為后一測量點，F(xiàn)_i+1與F_i之間弧長為Δs，其切線變化角度為Δβ，則曲率半徑并滿足R'≥4D。按照上述方法逐個選定測量點，采用圖形測量技術，獲得胞元內(nèi)每根金屬絲上符合曲率半徑要求的測量點的x、y軸坐標；所述的圖形測量技術是指，對網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的胞元進行數(shù)字測量，獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的胞元上每根金屬絲的測量點的坐標。

在步驟1所提供的圖片中選取選擇較為均勻的金屬絲(圖像邊界清晰且直徑無明顯變化的金屬絲)，沿金屬絲直徑方向在金屬絲兩側(cè)建立兩個測量點，如圖4所示的A、B兩點，測量A、B兩點坐標值分別為A點(x_A,y_A)、B點(x_B,y_B)，求出圖中所示AB點的距離 為減小誤差，按照該方法可以建立M組直徑測量點并計算出相應距離L_i(i＝1,2,...,M)，計算出圖像上的平均測量直徑該直徑實際中對應了實物的金屬絲直徑D，因此，圖片中的金屬絲圖像與實物的比例關系為

在獲得比例關系α后，對測量的x、y坐標分別除以該比例關系即可得對應的實物尺寸。

步驟4，根據(jù)胞元內(nèi)金屬絲的走向及交匯處的搭接關系，對胞元內(nèi)每個測量點估計出z軸的初始坐標值，先選取金屬絲交匯的位置，對于交匯處位于金屬絲搭接上方的測量點z坐標賦值為D，遠離交匯處的測量點賦值為0，沿著金屬絲的走向賦值為D的測量點到賦值為0的測量點之間的其它測量點，按照距離交匯處的遠近從0到D逐漸遞增；對于交匯處位于金屬絲搭接下方的測量點z坐標賦值為-D，遠離交匯處的測量點賦值為0，沿著金屬絲的走向賦值為-D的測量點到賦值為0的測量點之間的其它測量點，按照距離交匯處的遠近從0到-D逐漸遞減；

將胞元內(nèi)每條金屬絲上的測量點沿著金屬絲走向選擇P個相鄰測量點(P為大于等于4的整數(shù))，采用三維插值函數(shù)進行數(shù)據(jù)擬合，即可獲得包含P個測量點的三維曲線。本實施例中P＝10，所采用的三維數(shù)據(jù)插值函數(shù)為

f(x,y,z)＝u₁+u₂x+u₃y+u₄z+u₅x²+u₆y²+u₇z²+u₈xy+u₉xz+u₁₀yz

其中，x,y,z為胞元內(nèi)沿金屬絲走向所選定的第1個測量點和第10個測量點之間的三維曲線上任意一點的坐標值，u₁～u₁₀為待定系數(shù)，將選擇的P＝10個測量點的坐標值帶入三維數(shù)據(jù)插值函數(shù)，并令f(x,y,z)＝0求解獲得。

對于該根金屬絲后面不足10個測量點，可以向前延順取夠10個測量點計算出三維數(shù)據(jù)插值函數(shù)的待定系數(shù)，并以該插值函數(shù)計算后續(xù)金屬絲上的坐標。

步驟5，對于步驟4獲得的多條三維插值曲線，采用截面掃描技術，即采用網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元的金屬絲的截面沿著其所在的三維曲線形成實體結(jié)構(gòu)的技術，獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中胞元的幾何結(jié)構(gòu)；

判斷胞元的幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬絲在交匯處是否緊密接觸且無實體干涉，即定義交匯處金屬絲的中心距離在[2D-D/100,2D+D/100]之內(nèi)為金屬絲在搭接處緊密接觸且無實體干涉，如果金屬絲中心距離之間的空間距離小于2D-D/1000，則金屬絲之間發(fā)生互相交疊，即是發(fā)生了實體干涉，如果金屬絲之間空間距離大于2D+D/100，則金屬絲之間搭接不緊密；當交疊處的最小距離小于2D-D/1000，如圖6所示的圓圈標示的交匯處的金屬絲發(fā)生了實體干涉，將交匯處附近測量點的Z坐標每次增加D/1000，直到交疊處的最小距離在[2D-D/100,2D+D/100]范圍內(nèi)，調(diào)整后的金屬絲如圖7中的圓圈所標示；當交疊處的最小距離大于2D+D/100，將交匯處附近測量點的Z坐標每次減小D/1000，直到交疊處的最小距離在[2D-D/100,2D+D/100]范圍內(nèi)，直至所有胞元內(nèi)所有金屬絲在搭接處均無干涉而又緊密接觸為止，從而得到優(yōu)化的胞元結(jié)構(gòu)；

步驟6，將優(yōu)化的胞元結(jié)構(gòu)向周圍平移，按照步驟一中提供的圖像進行拼接，對于邊界處的金屬絲接頭，如果能如圖8所示能夠與相連的金屬絲合并則執(zhí)行步驟7，如果不能完全合并，則調(diào)節(jié)不能合并的胞元接頭處的測量點的坐標值，并保證沿金屬絲走向的拼接處的接頭位置附近的相鄰測量點均應滿足曲率半徑大于等于4·D的要求，從而獲得能夠拼接的胞元結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

步驟7，將步驟6獲得的能拼接的胞元結(jié)構(gòu)采用陣列技術裝配獲得網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)的三維拓撲結(jié)構(gòu)，所采用的陣列技術即將網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中優(yōu)化的能夠拼接的胞元結(jié)構(gòu)，沿著胞元的x、y坐標方向復制擴展，以獲取任意尺寸的網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。按照該發(fā)明的方法獲得的5mm×5mm金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖10所示。

下面結(jié)合仿真圖對本發(fā)明做進一步說明：

1.仿真結(jié)果：

通過圖形測量技術和截面掃描技術，得到網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖10所示?？梢钥闯雒恳桓饘俳z是光滑的，并且金屬絲接頭處的銜接光滑，滿足工程上進行力學性能分析的要求。仿真試驗表明，采用本發(fā)明可有效的生成網(wǎng)狀反射面天線金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員的公知技術。