基于应变测量方法的卫星天线阵列变形检测

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1、第29卷第6期航天器环境工程2012年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERlNG663基于应变测量方法的卫星天线阵列变形检测郭蒙，何汉辉，肖定邦(国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙410072)摘要：文章介绍了基于应变测量的卫星天线变形检测方法。该方法针对卫星天线在实际_Y-作中产生的阵列形变，应用弹性力学的有关理论和解析方法，通过测量天线阵列单元面板表面的应变数据推导并拟合出天线阵列弯曲的挠度函数，绘制出天线阵列单元的变形构型。实验表明，该方法有较高的精度，能够为天线输出信号的相位校正控制提供依据。关键词：应变测量；天线阵列单元；挠度函数；变形检测中

2、图分类号：V4144+1：V474文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)06—0663—04DoI：10．3969a．issn．1673—1379．2012．06．013基于微小型化制造技术，将SAR天线与卫星平台进行一体化设计而构成的新概念卫星，称之为微型SAR天线卫星。SAR天线卫星采用轻薄、易展开的天线阵(如机械伸展式或膨胀展开式机构支撑之下的薄膜天线)，将射频电路、供电部件、运算控制等功能模块平板化并与各天线阵列单元集成设计，构成独立的具有发射、接收及处理功能的有源发射接收单元(T／R单元)。在实际工作中，SAR天线卫星的天线阵列单元会因为热传递不均、机械运动

3、等而发生变形，改变阵列的发射构型，从而造成发射波束形状畸变，产生波束指向误差，影响系统性能。因此，对天线的发射构型形变进行测量，对天线输出信号的相位进行相应的校正控制，是保证天线系统性能的关键。于江掣lJ提出了基于数字近景摄影测量的天线变形测量方法；王长武等【2J提出了通过加速度传感器建立雷达天线阵面工作变形的实时测量系统；Peterman等人【3J提出了通过连续测量阵列面板标记物的波束相位偏移来测量和补偿阵列单元形变的方法。本文从应变测量出发，通过对变形天线表面的应变参数进行分析和计算，推导出了天线阵列单元的形变参数以及阵列构型，为地面进行相应的天线输出信号相位校正控制提供了依据。

4、相比其他方法而言，应变测量方法具有精度高、无基准误差等优点，更加便于采用微小型化加工工艺集成到天线阵列单元面板上，而且受真空、温度等空间环境的影响较小，只要能够精确地测量出天线阵列的应变分布数据，就能拟合得到形变后的阵列构型。1整体设计方案SAR天线卫星的柔性天线以LPC高分二产材料作为基板，采用折纸工艺将基板制成预设的形状，即所谓的“缝隙天线”(图1)。缝隙天线内部搭载电子T／R单元以及配电电缆，这为应变片的布置预留了位置。应图l缝隙天线结构不意图Fig．1Schematicdiagramoftheapertureantenna天线阵列单元面板的变形，可以近似看作为矩形薄板的小挠度

5、弯曲，采用弹性力学理论进行分析。在工程结构中，薄板的定义[4】是满足以下条件：(志～i1。，～fi6<～、．百1～j1)，(1)收稿日期：2012．05—01；修回日期：2012．11—15作者简介：郭蒙(1988一)，男，硕士研究生，研究方向为微机电系统；E-mail：gmfine一0618@163．com。何汉辉(1964一)男，副教授，研究方向为机电测控技术。航天器环境工程第29卷式中：b为板的较小边长；巧为板的厚度。对薄板的小挠度理论，普遍采用以下基本假定(基尔霍夫一乐甫假定)：1)原垂直于板中面的直法线，在弯曲变形后仍为直线，且此直线仍然垂直于弯曲了的中面；2)在横向载荷作

6、用下，薄板发生微小弯曲时，板中面的纵向位移很小，可忽略不计。形单元将整个薄板模型划分为10×10个小正方形单元，表面节点数为1l×11个(见图2)。加载求解后，用ANSYS中的LISTRESULTS命令记录下薄板表面每个节点的最和勺数据。根据以上假定，可知薄板z方向上的应变sz以及薄板在汜、yz平面内的切应变阮、跏均为0，再由应变一位移方程可得薄板变形后x、Y方向上的应变ex、勺分别为Fig·2厂_——————————————矿图2薄板弯曲的ANSYS仿真模型TheANSYSsimulationmodelofthebendingrectangularplate占。：iOn：一百02W

7、；勺：iov：一百02w。(2)3利用MATLABMAT软件进行数据处理q2瓦2一百；勺2万2一矿。(2)利用软件迸仃数琚处理式中：U为薄板上一点在x方向上的位移；v为薄板上该点在Y方向上的位移；W为薄板上该点在z方向上的位移。其中，薄板中面的挠度函数仅为x和Y的函数。根据假设，垂直于中面的任一根法线上各点的位移W均相同。由于位移U和v相对于位移W要小2～3个数量级，一般情况下可以忽略。因此在绘制天线面板变形图的时候，可以选定z方向上的变形值来表示整个天线