面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构*

李海洋，周金柱，2，杜敬利，唐宝富，马亚静，蔡智恒

(1. 西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室， 陕西 西安 710071；2. 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116023；3. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构*

李海洋1，周金柱1，2，杜敬利1，唐宝富3，马亚静3，蔡智恒1

(1. 西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室， 陕西 西安 710071；2. 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116023；3. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

智能蒙皮天线能够将集成微带天线和传感元件嵌入到各类武器平台结构中，不仅具有电磁收发和力学承载性能，同时还具有服役状态感知与性能自适应功能。为了解决蒙皮天线因结构变形导致的电性能恶化问题，文中提出了一种嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线结构，并利用模态分析和状态空间理论，从少量光纤光栅测量的应变实时重构天线结构的变形位移场。通过研制的智能蒙皮天线结构变形实验系统，验证了变形位移场重构方法的有效性。该位移场重构方法为智能蒙皮天线电补偿系统的研制奠定了基础。

智能蒙皮天线；电补偿；模态分析；光纤光栅；位移场重构

引 言

随着科学技术的进步，各式各样的天线结构广泛应用于雷达通信、航天航海、卫星导航等领域的军用或民用设备中。特别是现在作战飞机上，已经有70多种天线被安装和使用[1]。功能多、性能高、重量轻的设备是人们追求的目标，也是评价一个系统品质优良的重要指标。随着传输数据的数量不断增多、质量不断提高、距离不断增大，传统天线难以满足各种严峻环境的考验以及苛刻条件的要求。近些年兴起的共形承载天线能够满足武器平台的隐身和气动特性的要求，但是只考虑了与机翼共形设计和力学承载的问题，在性能方面还未实现自适应性[2]。

智能蒙皮天线(SSA)是一种将集成天线阵的射频元件和传感元件嵌入到机载、舰载、星载和车载等武器平台蒙皮结构中的新型高密度集成天线结构。它既可以作为武器平台的承载结构，也可以作为收发电磁波的天线，同时还具有服役状态感知与性能自适应功能，可以广泛应用到新一代战机、无人机、预警飞艇等装备中。例如，该类天线可嵌入到新一代战机的机翼、机腹等结构中，实现战机结构与微波天线的高度融合，在降低天线质量的同时减少了天线数量，提高了隐身特性、气动特性，实现了战机的自动化与智能化。

继20世纪80年代美空军提出“智能蒙皮”这一独特创新构想后，美方空军、海军、各研究机构投入了大量资金和精力进行可行性的预研。文献[3]在此基础上提出了“智能蒙皮”天线的构想，智能特性也加入到了天线结构中。文献[4]将天线结构、太阳能电池与机翼钢架完美融合为一体，研制了一种应用于长航程无人机的多功能机翼。NASA的实验结果表明了这种机翼在飞行中的扭曲、摇摆诱发的机械变形影响天线的辐射性能，然而，他们却没有给出阵面结构变形导致电性能降低的控制补偿方法。文献[5]提出了应用于智能战车上的雷达天线架构，指出刚度、强度、破坏极限等机械物理量会导致天线电磁波束紊乱和内部电平信号变化，并利用信号处理技术来补偿这些因素对电性能的影响。NATO组织荷兰、法国、德国和美国的科学家提出了一种使用大型干涉仪阵列实时测量机翼的阵面结构变形，然后根据变形数据来修正阵列天线的激励电流以实现电性能补偿的方法。然而，由于飞行器的外表面安装大型干涉仪阵列会影响气动性能，因而该方法的实际应用受到限制[6]。

国内部分科研单位也展开了相关研究。文献[7]从宏观角度分析了智能蒙皮天线的封装功能层、射频功能层、控制与信号处理功能层的实现方式，并提出了一种新的结构功能一体化相控阵天线的高密度集成设计方法[8]，但未涉及天线主动性能调控方法的内容。文献[9]主要利用信号处理技术对测量到的电磁波进行信息处理，并利用最小二乘算法对阵列天线的振幅和相位进行实时调整以补偿结构变形的影响。但是，信号处理技术数据信息来源于摄像机或干涉仪等测量系统，在飞行器的外表面安装这些设备会影响其隐身性和气动性。文献[10]利用研制的天线样件验证了面板和蜂窝厚度对夹层微带辐射单元电性能的影响规律，并研究了服役中动态载荷下结构功能一体化力电性能演化机理[11]。上述文献中并未介绍如何得到应用于电补偿方法的变形位移场重构。

结构小、重量轻的天线射频原件及智能感知原件嵌入到飞机的内部，可实现信息的获取与传输，但是外部各种环境载荷会严重影响蒙皮天线的变形，进而导致天线电磁性能极度恶化。为了使天线在服役中仍然保持正常的收发功能，本文基于模态分析和状态空间理论，利用少量光纤光栅所测应变进行天线结构全阵面变形位移场重构，为天线电性能实时补偿，实现天线智能化和功能自修复重建奠定了基础。

1 智能蒙皮天线的原理

如图1所示，智能蒙皮天线嵌入战机并与其高度融合，以实现战机的通信、射击、制导等目的。智能蒙皮天线的几何结构主要包括上蒙皮、蜂窝层、射频层、感知层、下蒙皮等。其中，蒙皮和蜂窝层分别由玻璃布和蜂窝材料制作，起到防止腐蚀及抵抗气动载荷，保护感知层和射频层的作用。射频层由微波高频板材制作，由天线单元、馈电网络及T/R组件等组成，主要实现电磁收发、信号放大和调幅移相等功能。感知层由聚酰亚胺薄膜和内嵌光纤制作，实时感知天线表面信息并反馈给控制系统。

图1 智能蒙皮天线电补偿流程

图1给出了智能蒙皮天线电补偿流程图。在天线电补偿过程中，首先由内嵌的少量光纤光栅传感器感知对应位置处的应变信息，利用应变位移的关系重构天线阵面变形位移场，再根据机电耦合电性能调控方法，获取激励电流相位调整量，通过控制移相器调节相位来补偿天线的电性能。

电补偿方法利用重构的位移场修正天线激励电流，补偿后天线的电性能[12]：

(1)

对变形后的智能蒙皮天线电补偿过程中，若满足如下方程：

(2)

则可以得到智能蒙皮天线未变形情况下天线阵列的电性能计算公式：

(3)

从而消除了结构变形对电性能的影响，解决了天线服役过程中电性能恶化的问题。

2 位移场重构方法

2.1 光纤工作原理

每一根光纤对应一个中心波长，它依赖于光栅的周期。当光束入射到布拉格光栅时，会发生折射、透射和反射现象，其中被光栅反射的波长要遵循布拉格条件，即满足以下方程：

(4)

研究表明，当有外界应变或温度变化时，在不考虑应变与温度之间的耦合关系时，布拉格光栅波长的变化规律如下式所示：

(5)

(6)

2.2 位移场重构

对于多自由度线弹性阻尼系统，模态坐标系下力学模型方程可以表示为：

(7)

(8)

(9)

其中，模态输入矩阵Bm、模态阻尼矩阵Z、自然频率矩阵Ω表达式分别为：

(10)

(11)

(12)

将结构力学模型方程表示为状态空间方程的形式，状态向量为：

(13)

式(8)和式(9)可以表示为：

(14)

y=Cx

(15)

输出矩阵C=[CmqCmv]=[ζsel0]，其中ζsel为模态矩阵。若ζsel为应变传感器，则为模态应变矩阵，若为位移传感器，则ζsel为模态位移矩阵。

式(15)表示了天线结构上任一点的应变或位移(依赖于所使用的传感器类型)，可以表示为状态空间变量与输出矩阵的关系。

显然，输出向量也满足：

(16)

因此，假设在结构上的M个位置布置了应变传感器，那么可以得到放置传感器处的应变：

(17)

同样，根据式(16)，可得到全阵面的结构变形位移yr：

(18)

(19)

2.3 分析流程

图2给出了智能蒙皮天线天线阵面变形重构分析的流程。首先建立有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)模型，进行模态分析并提取模态应变信息和模态位移信息；其次结合所提模态信息建立应变位移转换矩阵；再次通过该转换矩阵将所测应变信息转换为智能蒙皮天线全阵面估计位移；最后对实测位移与估计位移进行对比得到重构误差。

图2 分析流程图

3 仿真计算

3.1 建立有限元模型

利用ANSYS复合材料单元shell181建立智能蒙皮天线有限元模型，天线模型结构几何尺寸为200 mm ×130 mm × 1.5 mm。

各层厚度尺寸见表1，天线各层材料物性参数见表2。

表1 天线各层厚度尺寸 mm

表2 天线各层材料物性参数

蒙皮天线一端固定，一端受力，其有限元模型如图3所示。

图3 智能蒙皮天线有限元模型

3.2 仿真结果

图4给出了传感器布局位置及测点位置，测点1、测点2表示2个测点，其余圆圈表示所布传感器位置。其中，传感器布局位置是利用优化算法结合所建立的有限元模型确定的。2个测点布在2个较典型的位置，1个在面板中间，1个靠近面板右下角。

图4 传感器布局及测试点位置

图5和图6分别给出了在受力端加一个恒定载荷F= 10 N(t≤ 1)时，测点1和测点2处位移的重构、仿真及误差随时间变化曲线。

图5 测点1位移重构、仿真及误差时变曲线

图6 测点2位移重构、仿真及误差时变曲线

从图5和图6可以看到，2 个测点处重构和仿真位移比较接近，其误差的数量级均较小。从仿真结果来看，重构精度能够满足天线电性能补偿要求。

4 实验

4.1 实验对象

为了验证上述方法的合理性和有效性，本文首先研制了一个4 层复合结构的智能蒙皮天线，它由上下蒙皮、射频层和智能感知层组成。

蒙皮由2 层厚度为0.2 mm的玻璃布制成；射频层基板采用0.508 mm的Rogers板材，首先根据设计的电路图进行天线腐铜，然后焊接移相器、放大器、衰减器和微控制器等芯片完成射频层制作；智能感知层的复合制作，先依据所优化的传感器位置在单层聚酰亚胺薄膜上进行标定，再将光栅固定到标定位置，最后平铺1 层涂有环氧树脂AB胶的聚酰亚胺薄膜进行复合；将4 层材料按照下层蒙皮、射频层、智能感知层、上层蒙皮的顺序两两粘接，最后进行抽真空和加热固化等复合工艺完成天线样件制作。

图7为智能蒙皮天线复合制作过程，图8和图9分别为未复合的智能感知层和研制的智能蒙皮天线样件。

图7 智能蒙皮天线复合制作过程

图8 未复合的感知层

图9 智能蒙皮天线样件

4.2 实验装置

智能蒙皮天线位移场重构是后续开展电磁辐射性能实验和自适应电补偿性能的验证和调试的基础。然而，现有的微波暗室中的夹持装置是一个固定装置，不能模拟天线在实际服役过程中的变形。为此，专门设计了一种实验装置使天线结构产生变形，如图10所示，该装置可以模拟天线在服役过程中所受到的弯曲和扭转等多种工况。

图10 智能蒙皮天线变形实验装置

4.3 实验及结果

图11为智能蒙皮天线位移场重构测试系统，该系统由变形实验装置使智能蒙皮天线产生变形，利用嵌入天线内部的光纤光栅和光纤解调仪得到对应传感器位置处的应变，通过上述位移重构方法得到重构的变形位移场数据信息。复合板结构表面粘贴40个均布排列的靶标点，采用三维摄影测量技术，测量复合板变形，以对位移场重构方法的正确性和可行性进行验证。

图11 位移场重构测试系统

在弯曲和扭转2种工况下，靶标点处重构变形与实测变形对比如下：

弯曲工况：

图12 靶标点的重构变形与实测变形对比

扭转工况：

图13 靶标点的重构变形与实测变形对比

从图12和图13可以看出，在弯曲和扭转工况下，40个均布靶标点的重构变形与实测变形吻合度较好，说明了重构方法的有效性和合理性。2种工况下的均方根误差和最大估计误差见表3，可以看出2 种工况下均方根误差均小于0.8 mm，最大估计误差小于2 mm。另外，由于传感器优化布局过程中主要考虑了弯曲工况，该工况所计算均方根误差和最大估计误差均较小。

表3 2种工况下的均方根误差和最大估计误差 mm

工况均方根误差最大估计误差弯曲0．410．77扭转0．751．81

本文实验是对智能蒙皮天线静态变形下进行的重构，后续会展开动态变形重构实验。

5 结束语

本文基于模态分析和状态空间理论，利用少量嵌入智能蒙皮天线内部的光纤光栅感知应变信息重构全阵面变形位移场，为基于机电耦合理论的电性能补偿方法奠定了基础。设计并制作了智能蒙皮天线变形实验装置，解决了现有微波暗室缺乏模拟天线服役中变形的装置问题，该装置可以模拟天线弯曲和扭转等多种变形工况。仿真结果和样件试验结果均表明，重构变形与实测变形具有较好的吻合度，验证了该方法的有效性。

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李海洋(1990-)，男，硕士研究生，主要从事结构优化设计、模型修正及传感器布局工作。

周金柱(1979-)，男，副教授，主要从事智能蒙皮天线的机电耦合建模与控制、电子装备多学科优化设计。

Displacement Field Reconstruction for Electrical Compensation ofSmart Skin Antenna

LI Hai-yang1，ZHOU Jin-zhu1,2，DU Jing-li1，TANG Bao-fu3，MA Ya-jing3，CAI Zhi-heng1

(1.KeyLaboratoryofElectronicEquipmentStructureDesignofMinistryofEducation,XidianUniversity,Xi′an710071,China；2.StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China；3.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Smart skin antenna can embed integrated micro strip antenna and smart sensors into all kinds of weapons platform structures. Not only does it have the function of electromagnetic transceiver and the mechanical bearing performance, but also it has the function of working state perception and performance. In order to solve the deterioration problem of electrical performance resulted from the smart skin antenna structure deformation in the severe environment, this essay invents a new type of smart skin antenna into which the optical fiber is embedded, and reconstructs the antenna deformation displacement from the strain measured by the small amount of the optical fiber in real-time, based on the modal analysis and state space. With the experiment system of smart skin antenna structure deformation, the effectiveness of the deformation displacement reconstruction method is testified. This deformation displacement reconstruction method makes a base for the research of smart skin antenna electrical compensation system.

smart skin antenna; electrical compensation; modal analysis; fiber Bragg grating; displacement field reconstruction

2016-08-28

国家自然科学基金资助项目(51305323，51405364，51490660)；工业装备结构分析国家重点实验室开放基金资助项目(GZ15110)；陕西省自然科学基金资助项目(2016JM5002)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JB160420)

TN82

A

1008-5300(2017)01-0019-06