本發(fā)明屬于雷達(dá)天線
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及雷達(dá)天線領(lǐng)域中的一種面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取方法。
背景技術(shù)：
：網(wǎng)狀天線由于其質(zhì)量輕、收攏體積小等優(yōu)點被逐漸應(yīng)用于空間天線設(shè)計中。網(wǎng)狀天線在軌運行過程中，周期性地受到太空輻射熱、沖擊等動力載荷的影響。動力載荷帶來的天線表面變形將引起天線結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，電性能增益下降、副瓣電平上升，波束傾斜，嚴(yán)重影響天線的工作性能。為了分析動力載荷對網(wǎng)狀天線電性能的影響，需要首先建立天線結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型。網(wǎng)狀天線動力學(xué)模型的建立與分析是求解動力載荷對天線電性能影響的關(guān)鍵步驟。網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)跨度大，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)阻尼弱等特征使天線結(jié)構(gòu)具有低振動頻率，模態(tài)密集，結(jié)構(gòu)非線性等復(fù)雜動力特征。按照天線結(jié)構(gòu)的節(jié)點與單元信息建立完整的動力學(xué)模型將使得求解異常復(fù)雜，如何從復(fù)雜的模態(tài)集合中選取影響動力學(xué)模型的關(guān)鍵模態(tài)，是后續(xù)建立恰當(dāng)動力學(xué)模型的核心問題。gawaronski在文獻(xiàn)“advancedstructuraldynamicsandactivecontrolofstructures”(newyork,springer,2004年出版)中，公開了一種采用傳遞函數(shù)h2范數(shù)為性能指標(biāo)，分析各個模態(tài)及其相關(guān)性對傳遞函數(shù)h2范數(shù)影響的大小，進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)的選取，但該方法僅僅可以適用于面向結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的模態(tài)選取，無法實現(xiàn)面向電性能的動力學(xué)關(guān)鍵模態(tài)選取。張潔、黃進(jìn)、宋瑞雪、邱麗麗在中國專利“一種面向控制的大型天線建模方法”(授權(quán)號：zl201310496650.5)中提出了一種面向控制的大型天線動力學(xué)建模方法，該方法同樣沒有直接建立面向電性能進(jìn)行動力學(xué)模型的建立與關(guān)鍵模態(tài)選取。因此，針對空間網(wǎng)狀天線的動力學(xué)關(guān)鍵模態(tài)選取問題，提出了一種面向電性能的關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取方法，克服了傳統(tǒng)動力學(xué)模態(tài)選取方法的不足，實現(xiàn)了在模態(tài)選取過程中完整考慮各階模態(tài)對天線電性能的影響，解決了面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取的問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取方法。該方法從機電集成的角度出發(fā)，完整考慮各階模態(tài)對天線電性能的影響，進(jìn)行空間天線面向電性能的關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)的選取。本發(fā)明的技術(shù)方案是：面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取方法，包括如下步驟：(1)輸入天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電參數(shù)與模態(tài)截斷因子輸入用戶提供的空間網(wǎng)狀天線的幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電參數(shù)與模態(tài)截斷因子；其中幾何參數(shù)包括口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距離；材料參數(shù)包括索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的材料密度、橫截面積、楊氏彈性模量、泊松比；電參數(shù)包括工作波長、饋源參數(shù)、饋源初級方向圖以及包括天線增益、波瓣寬度、副瓣電平、指向精度在內(nèi)的電性能要求；模態(tài)截斷因子為無量綱小數(shù)；(2)計算理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場根據(jù)空間網(wǎng)狀天線幾何參數(shù)中的口徑、焦距、偏置高度，電參數(shù)中的工作波長、饋源參數(shù)、饋源初級方向圖，采用物理光學(xué)法計算理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場；(3)建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型根據(jù)用戶提供的天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型，其中索結(jié)構(gòu)采用只受拉的桿單元進(jìn)行建模，桁架結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行建模，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行建模；(4)提取節(jié)點、單元與形函數(shù)信息以建立的結(jié)構(gòu)有限元模型為基礎(chǔ)，提取有限元模型中處于電磁波照射下的反射面部分的節(jié)點、單元和形函數(shù)信息；(5)計算單元電性能一階系數(shù)矩陣通過下式計算單元電性能一階系數(shù)矩陣：其中，表示單元e的電性能一階系數(shù)矩陣，上標(biāo)e表示從步驟(4)中提取的結(jié)構(gòu)有限元模型中某一單元，下標(biāo)i表示位于單元e上的節(jié)點編號，表示單元e的電性能一階系數(shù)矩陣的第i個分量，符號∈表示從屬關(guān)系，num表示單元e上的節(jié)點總數(shù)，表示單元e的法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場，表示反射面位置矢量，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運算，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，表示遠(yuǎn)場觀察點的單位矢量，qi表示步驟(4)中提取的相對于第i個節(jié)點的形函數(shù)，θs表示位置矢量在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)s表示饋源坐標(biāo)系，θ表示遠(yuǎn)場觀察點俯仰角，σe表示單元e在口徑面內(nèi)的投影面積；(6)組集總體電性能一階系數(shù)矩陣通過下式組集總體電性能一階系數(shù)矩陣：其中，g表示總體電性能一階系數(shù)矩陣，表示單元e的電性能一階系數(shù)矩陣，上標(biāo)e表示從步驟(4)中提取的結(jié)構(gòu)有限元模型中某一單元，m表示單元總數(shù)，a表示有限元組集運算；(7)進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析根據(jù)天線結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，確定天線結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動的各階振動頻率和對應(yīng)的陣型模態(tài)向量與模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(8)輸出模態(tài)矩陣將天線結(jié)構(gòu)的振型模態(tài)向量按列存放在模態(tài)矩陣中，并將其輸出；(9)計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度9a)通過下式計算電性能對模態(tài)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)列向量：gq＝φt·g其中，gq為電性能對模態(tài)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)列向量，下標(biāo)q表示模態(tài)坐標(biāo)，φ為步驟(8)輸出的模態(tài)矩陣，上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置運算，g為步驟(6)得到的總體電性能一階系數(shù)矩陣；9b)通過下式計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度：其中，dq表示電性能對模態(tài)的一階靈敏度，下標(biāo)q表示模態(tài)坐標(biāo)，π表示圓周率，r表示遠(yuǎn)場觀察點位置矢量幅度，η表示自由空間波阻抗，p表示步驟(1)中饋源參數(shù)計算得到的總輻射功率，e0表示步驟(2)得到的理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場，gq為步驟(9a)得到的電性能對模態(tài)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)列向量，上標(biāo)*表示共軛運算，上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置運算；(10)輸出模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)天線結(jié)構(gòu)有限元模型與步驟(7)的模態(tài)分析結(jié)果，輸出模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(11)計算電性能對模態(tài)的重要性因子通過下式計算電性能對模態(tài)的重要性因子：ζ＝γ·dq其中，ζ為電性能對模態(tài)的重要性因子，γ為步驟(10)得到的模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)，dq為步驟(9)得到的電性能對模態(tài)的一階靈敏度；(12)判斷重要性因子是否大于模態(tài)截斷因子判斷重要性因子是否大于步驟(1)輸入的模態(tài)截斷因子，如果大于，則滿足模態(tài)截斷要求，轉(zhuǎn)至步驟(13)，否則轉(zhuǎn)至步驟(14)；(13)選取滿足截斷要求的模態(tài)當(dāng)重要性因子大于模態(tài)截斷因子時，選取滿足截斷要求的模態(tài)；(14)舍棄不滿足截斷要求的模態(tài)當(dāng)重要性因子不大于模態(tài)截斷因子時，舍棄不滿足截斷要求的模態(tài)。上述步驟(2)所述的物理光學(xué)法是一種基于面電流分布的高頻近似方法，計算公式如下：其中，e0表示遠(yuǎn)區(qū)電場，表示遠(yuǎn)場觀察點位置矢量，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，η表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運算，r表示遠(yuǎn)場觀察點位置矢量幅度，π表示圓周率，表示單位并矢，表示單位矢量的并矢，σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量處的面電流密度，表示反射面位置矢量，表示遠(yuǎn)場觀察點的單位矢量，σ表示投影口面，表示單位法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明首先輸入天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電參數(shù)與與模態(tài)截斷因子，采用物理光學(xué)法計算理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場，與此同時，根據(jù)幾何參數(shù)、材料參數(shù)信息建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型；其次，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)有限元模型，提取節(jié)點、單元與形函數(shù)信息，計算單元電性能一階系數(shù)矩陣，并組集總體電性能一階系數(shù)矩陣；在天線結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，輸出模態(tài)矩陣；再次，結(jié)合總體電性能一階系數(shù)矩陣與模態(tài)矩陣，計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度；然后，在結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，輸出模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并以此計算電性能對模態(tài)的重要性因子；最后，重要性因子是否大于模態(tài)截斷因子，滿足則選取，否則舍棄。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1.本發(fā)明從天線結(jié)構(gòu)有限元模型出發(fā)，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，將模態(tài)分析得到的模態(tài)矩陣與電性能一階系數(shù)矩陣進(jìn)行結(jié)合，獲得了電性能對模態(tài)的一階靈敏度，從而完整考慮了各階模態(tài)對天線電性能的影響。2.本發(fā)明結(jié)合模態(tài)等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電性能對模態(tài)的一階靈敏度獲得了電性能對模態(tài)的重要性因子，克服了傳統(tǒng)動力學(xué)模態(tài)選取方法無法考慮電性能的不足，解決了面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取的問題。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。附圖說明圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為網(wǎng)狀天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為網(wǎng)狀天線投影示意圖；圖4為網(wǎng)狀天線電性能對模態(tài)的一階靈敏度圖；圖5為網(wǎng)狀天線振型模態(tài)等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖；圖6為網(wǎng)狀天線電性能對模態(tài)的重要性因子圖；圖7為沖擊激勵作用下的電性能響應(yīng)時間歷程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖1，對本發(fā)明具體實施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：本發(fā)明提供了一種面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取方法，包括如下步驟：步驟1，輸入用戶提供的空間網(wǎng)狀天線的幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電參數(shù)與模態(tài)截斷因子；其中幾何參數(shù)包括口徑、焦距、偏置距離、前后網(wǎng)面最小距離；材料參數(shù)包括索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的材料密度、橫截面積、楊氏彈性模量、泊松比；電參數(shù)包括工作波長、饋源參數(shù)、饋源初級方向圖以及包括天線增益、波瓣寬度、副瓣電平、指向精度在內(nèi)的電性能要求；模態(tài)截斷因子為無量綱小數(shù)；步驟2，根據(jù)天線幾何參數(shù)中的口徑、焦距、偏置高度，電參數(shù)中的工作波長、饋源參數(shù)、饋源初級方向圖，采用下式物理光學(xué)法計算理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場：其中，e0表示遠(yuǎn)區(qū)電場，表示遠(yuǎn)場觀察點位置矢量，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，η表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運算，r表示遠(yuǎn)場觀察點位置矢量幅度，π表示圓周率，表示單位并矢，表示單位矢量的并矢，σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量處的面電流密度，表示反射面位置矢量，表示遠(yuǎn)場觀察點的單位矢量，σ表示投影口面，表示單位法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場；步驟3，根據(jù)用戶提供的天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型，其中索結(jié)構(gòu)采用只受拉的桿單元進(jìn)行建模，桁架結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行建模，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行建模；步驟4，以建立的結(jié)構(gòu)有限元模型為基礎(chǔ)，提取有限元模型中處于電磁波照射下的反射面部分的節(jié)點、單元和形函數(shù)信息；步驟5，計算單元電性能一階系數(shù)矩陣通過下式計算單元電性能一階系數(shù)矩陣：其中，表示單元e的電性能一階系數(shù)矩陣，上標(biāo)e表示從步驟4中提取的結(jié)構(gòu)有限元模型中某一單元，下標(biāo)i表示位于單元e上的節(jié)點編號，表示單元e的電性能一階系數(shù)矩陣的第i個分量，符號∈表示從屬關(guān)系，num表示單元e上的節(jié)點總數(shù)，表示單元e的法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場，表示反射面位置矢量，exp表示自然對數(shù)的指數(shù)運算，j表示虛數(shù)單位，k表示自由空間波數(shù)，表示遠(yuǎn)場觀察點的單位矢量，qi表示步驟4中提取的相對于第i個節(jié)點的形函數(shù)，θs表示位置矢量在饋源坐標(biāo)系下的俯仰角，下標(biāo)s表示饋源坐標(biāo)系，θ表示遠(yuǎn)場觀察點俯仰角，σe表示單元e在口徑面內(nèi)的投影面積；步驟6，組集總體電性能一階系數(shù)矩陣通過下式組集總體電性能一階系數(shù)矩陣：其中，g表示總體電性能一階系數(shù)矩陣，表示單元e的電性能一階系數(shù)矩陣，上標(biāo)e表示從步驟4中提取的結(jié)構(gòu)有限元模型中某一單元，m表示單元總數(shù)，a表示有限元組集運算；步驟7，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，確定天線結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動的各階振動頻率和對應(yīng)的陣型模態(tài)向量與模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)；步驟8，將天線結(jié)構(gòu)的振型模態(tài)向量按列存放在模態(tài)矩陣中，并將其輸出；步驟9，計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度9a)通過下式計算電性能對模態(tài)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)列向量：gq＝φt·g其中，gq為電性能對模態(tài)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)列向量，下標(biāo)q表示模態(tài)坐標(biāo)，φ為步驟8輸出的模態(tài)矩陣，上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置運算，g為步驟6得到的總體電性能一階系數(shù)矩陣；9b)通過下式計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度：其中，dq表示電性能對模態(tài)的一階靈敏度，下標(biāo)q表示模態(tài)坐標(biāo)，π表示圓周率，r表示遠(yuǎn)場觀察點位置矢量幅度，η表示自由空間波阻抗，p表示步驟1中饋源參數(shù)計算得到的總輻射功率，e0表示步驟2得到的理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場，gq為步驟9a得到的電性能對模態(tài)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)列向量，上標(biāo)*表示共軛運算，上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置運算；步驟10，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)有限元模型與步驟7的模態(tài)分析結(jié)果，輸出模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)；步驟11，計算電性能對模態(tài)的重要性因子通過下式計算電性能對模態(tài)的重要性因子：ζ＝γ·dq其中，ζ為電性能對模態(tài)的重要性因子，γ為步驟10得到的模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)，dq為步驟9得到的電性能對模態(tài)的一階靈敏度；步驟12，判斷重要性因子是否大于步驟1輸入的模態(tài)截斷因子，如果大于，則滿足模態(tài)截斷要求，轉(zhuǎn)至步驟13，否則轉(zhuǎn)至步驟14；步驟13，當(dāng)重要性因子大于模態(tài)截斷因子時，選取滿足截斷要求的模態(tài)；步驟14，當(dāng)重要性因子不大于模態(tài)截斷因子時，舍棄不滿足截斷要求的模態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點可通過以下仿真實驗進(jìn)一步說明：1.仿真條件：網(wǎng)狀天線最大投影口徑9.23m、焦距6m，偏置高度5m，前后網(wǎng)面最小間距0.2m，如圖2所示。工作頻率2ghz，饋源采用cosine-q類型饋源，極化方式為右旋圓極化，饋源參數(shù)為qx＝qy＝8.338，饋源傾斜角41.64度。網(wǎng)狀反射面前網(wǎng)面在口徑面內(nèi)沿半徑方向等分6段，如圖3所示，其中虛線代表周邊桁架，實線代表索網(wǎng)。2.仿真結(jié)果：根據(jù)網(wǎng)狀天線參數(shù)，計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度，得到圖4所示電性能對前八階模態(tài)的靈敏度值；圖5為網(wǎng)狀天線前十階主軸方向上的振型模態(tài)等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)；圖6為網(wǎng)狀天線前九階電性能對模態(tài)的重要性因子計算結(jié)果。從圖6可以看出網(wǎng)狀天線面向電性能的動力學(xué)模型關(guān)鍵模態(tài)選擇為第2、4、6階模態(tài)，舍棄其它模態(tài)。針對天線結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷的電性能響應(yīng)時間歷程，分別采用準(zhǔn)確模型與本發(fā)明方法進(jìn)行計算，圖7分別為采用準(zhǔn)確模型與本發(fā)明方法建立的得到的電性能動力響應(yīng)時間歷程圖。表1為最小主軸方向系數(shù)。結(jié)合圖7與表1可以看出，本發(fā)明方法得到的電性能動力響應(yīng)時間歷程曲線與準(zhǔn)確模型計算結(jié)果吻合，驗證了方法的有效性。表1本方法與準(zhǔn)確模型比較表最小主軸方向系數(shù)準(zhǔn)確模型43.261db本發(fā)明方法43.270db綜上所述，本發(fā)明首先輸入天線幾何參數(shù)、材料參數(shù)、電參數(shù)與與模態(tài)截斷因子，采用物理光學(xué)法計算理想天線遠(yuǎn)區(qū)電場，與此同時，根據(jù)幾何參數(shù)、材料參數(shù)信息建立天線結(jié)構(gòu)有限元模型；其次，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)有限元模型，提取節(jié)點、單元與形函數(shù)信息，計算單元電性能一階系數(shù)矩陣，并組集總體電性能一階系數(shù)矩陣；在天線結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，輸出模態(tài)矩陣；再次，結(jié)合總體電性能一階系數(shù)矩陣與模態(tài)矩陣，計算電性能對模態(tài)的一階靈敏度；然后，在結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，輸出模態(tài)振型等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并以此計算電性能對模態(tài)的重要性因子；最后，重要性因子是否大于模態(tài)截斷因子，滿足則選取，否則舍棄。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1.本發(fā)明從天線結(jié)構(gòu)有限元模型出發(fā)，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，將模態(tài)分析得到的模態(tài)矩陣與電性能一階系數(shù)矩陣進(jìn)行結(jié)合，獲得了電性能對模態(tài)的一階靈敏度，從而完整考慮了各階模態(tài)對天線電性能的影響。2.本發(fā)明結(jié)合模態(tài)等效質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電性能對模態(tài)的一階靈敏度獲得了電性能對模態(tài)的重要性因子，克服了傳統(tǒng)動力學(xué)模態(tài)選取方法無法考慮電性能的不足，解決了面向電性能的空間網(wǎng)狀天線關(guān)鍵動力學(xué)模態(tài)選取的問題。本實施方式中沒有詳細(xì)敘述的部分屬本行業(yè)的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12