[发明专利]一种基于应变传感器的天线结构变形的间接测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及天线结构领域，具体是一种基于应变传感器的天线结构变形的间接测量方法。

背景技术

面天线广泛应用于现代卫星通讯系统、空间科学等领域中。反射面精度是衡量天线性能的重要指标之一，而且随着天线口径的增大，工作频率的提高，对反射面精度要求也越来越高。然而，天线工作过程中要受到各种载荷的作用，除自身重力外，天线还会受到温度载荷、风荷、冰雪载荷等作用，这些都会引起反射面的变形。这种变形将直接影响到天线电气工作性能，严重的还会使得天线失去作用。因此，需要对天线的变形情况进行测量，为进行反射面的形面调整和变形补偿提供依据。

天线制造完成后需要首先测量反射面精度，一般用经纬仪或微波全息摄影技术。通常使用经纬仪进行初装后的面板调整，使用微波全息摄影用于反射面精确测量与调整。常用的测量方法有经纬仪测量法、照相摄影法、微波全息法和激光测距法等，但这些方法要么操作复杂，耗时长，要么精度不够、更不能满足实时测量的需求。

考虑到结构变形与其应变之间的关系，可以通过测量结构应变的方法来间接地测量结构的变形。应变传感器应用范围广，结构轻小，对天线影响小，对复杂环境的适应性强。但大中型桁架天线一般是由数量庞大的构件组成的，出于经济上和实际结构限制方面的原因，不可能在每个构件上都布置传感器。要布置尽量少的传感器而测量足够多的动态参数，就必须对传感器进行优化布置。

对于简单结构，有经验的工程试验人员可以较容易地确定传感器的位置，而对于复杂结构，传感器的数目和位置的选择就相当困难。因此需要寻找一种方法，能指导传感器数目与位置的确定，并能判断所选择的传感器数目与位置是否恰当。

发明内容

本发明给出了一种基于应变传感器的天线结构变形的间接测量方法，该方法可解决数目一定时的传感器布置问题，并通过算例来说明这种方法的可行性。

该方法是通过以下方案来实现的。

一种基于应变传感器的天线结构变形的间接测量方法，该方法包括下述步骤：

1）确定包含各工况下天线结构变形的最小完备模态集

基于模态坐标评价向量按照参与变形程度对备选模态进行排序，根据模态删除前后变形向量的线性相关性来得到可描述各工况下天线结构变形的最小完备模态集；

2）确定观测最小完备模态集时应变传感器的布置位置

采用有效独立法进行传感器布置，删除对目标模态的独立性贡献最小的自由度，直到剩余自由度数目与传感器数目相同；

3）确定从应变到位移的映射矩阵

根据小变形情况下天线结构的位移与应变之间为线性关系，利用数值仿真或实测数据计算出映射矩阵；

4）利用应变测量值观测天线结构的变形

根据应变和位移之间的对应关系，利用布置在指定位置的传感器测量出天线结构的应变后通过映射矩阵得到天线结构的位移。

进一步地，所述步骤1）中，基于模态坐标评价向量按照参与变形程度对备选模态进行排序，根据模态删除前后变形向量的线性相关性来得到能够描述各工况下天线结构变形的最小完备模态集，通过下述方法来实现：

1a）设天线结构需要在M个载荷工况下工作，第j（j=1,2,...,M）个工况下天线结构对应的变形位移为U_j；

1b）确定包含天线结构所有工况变形的备选模态集，将其前N阶模态作为备选模态集，其中N应不小于应变传感器的数目；利用所选的N阶模态向量构造出天线结构的模态矩阵

其中，为天线结构的第i阶模态向量；

1c）对于第j个变形工况，设天线结构对应的模态坐标为

q_j=[q_1j,q_2j,...,q_Nj]^T      （2）

其中，q_ij为第j个变形工况下的第i阶模态对应的模态坐标；为使模态坐标q_ij描述结构变形时的误差最小，模态坐标应使得如下的误差函数最小化

e_j=(U_j-Φq_j)^T(U_j-Φq_j)      （3）这样可得第j个变形工况下的模态坐标为

q_j=(Φ^TΦ)^-1Φ^TU_j      （4）