论文题目：基于光纤光栅应变测量技术的天线阵面变形监测应用研究
摘要：大型天线阵面在服役过程中,受随机脉动风、极端环境的高温和大口径自重等载荷影响,阵面结构会发生形变,导致天线单元发生位置偏移,进而使天线波束指向发生偏转,致使天线电性能恶化。因此为了保证天线在服役过程中的性能要求,需要针对天线阵面结构展开变形监测和位移场重构,快速准确地获得天线的阵面信息,并根据天线的变形情况进行电性能的补偿。在天线变形测量方面,光纤传感技术具有测量精度高、抗干扰能力强、信号传输距离远等独特优势,弥补了传统检测技术的缺陷,非常适合通信光纤等工程设施的检测。而在天线位移场重构领域,模态法是一种最常用的方法。模态法重构技术求解稳定,重构精度高,只需要少量的传感器信息就可以实现结构形变的重构[1]。本论文以实际项目作为背景,针对天线阵面变形实时在线监测的需求和该项目天线自身的结构特点,将变形测量技术与形变重构理论相结合,建立了一套阵面变形在线监测系统,实现对天线结构变形状况的实时反馈和快速精准反演,以达到对天线电信号定量补偿的目的,从而增强天线探测威力、提高天线探测精度。本论文主要完成的工作如下:首先,根据项目的实际需求,对光纤光栅应变测量技术展开了研究,对光纤光栅传感器的光谱特性和温度补偿的原理做出分析,并设计了光纤传感器的布局、安装方案。在此基础上,基于模态法的应变–位移转换关系,结合光纤布拉格传感器测量的应变信息完成天线阵面的位移场重构,实现对天线阵面的实时在线监测。其次,使用Visual Studio开发平台,根据设计方案分模块完成了天线阵面变形在线监测软件平台的开发工作,该软件包含5个功能模块:（1）数据传输模块:利用Socket和解调仪协议实现了上位机和光纤光栅解调仪之间数据的收发和远程控制;（2）数据处理模块:基于UDP协议实现了数据的采集、解析与处理,并调用模态算法,进行位移场的重构;（3）数据显示模块:分别以表格和图像的形式对采集的数据和重构的阵面进行实时演示;（4）数据库模块:完成了数据表的设计,并对数据存储功能作了改进和优化;（5）设备参数配置模块:实现了硬件设备参数的配置。最后,搭建天线阵面变形在线监测系统联调测试平台,进行了整体测试验证,包括位移重构准确性验证和监测软件功能与性能的测试。将工业摄影测量所得结果作为真值和利用模态法的重构结果进行比对。测试结果表明该监测方案具有可行性,并且有较高的重构精度和灵敏度。
关键词：光纤传感器;结构应变;天线阵面变形监测;模态法;摄影测量
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 光纤光栅传感器的工程应用现状
1.2.2 变形重构理论国内外研究现状
1.3 论文结构安排
第二章 系统的总体设计及关键技术
2.1 总体研究方案
2.2 系统总体架构及主要组成
2.3 系统需求分析
2.3.1 软件功能需求
2.3.2 非功能性需求
2.3.3 软件可行性分析
2.4 系统关键技术
2.4.1 光纤应变测量技术
2.4.2 模态算法
2.4.3 动态链接库
2.4.4 开发工具介绍
2.4.5 多线程编程技术
2.4.6 摄影测量技术
2.5 本章小结
第三章 光纤光栅应变传感技术
3.1 光纤传感器概述
3.2 光纤光栅的光谱特性分析
3.3 光纤应变测量的温度补偿
3.4 传感器选型
3.5 传感器布局
3.6 传感器安装与维护
3.7 光纤光栅解调仪
3.8 本章小结
第四章 天线阵面变形监测软件平台的实现
4.1 软件总体架构
4.2 工作流程
4.3 数据采集模块
4.3.1 光纤传感器采集
4.3.2 角度传感器采集
4.4 数据处理模块
4.4.1 数据接收与解析
4.4.2 原始数据滤波处理
4.4.3 应变值计算
4.4.4 位移重构算法设计
4.4.5 位移重构软件实现
4.5 数据显示模块
4.5.1 主界面显示
4.5.2 列表显示
4.5.3 图形化显示
4.6 数据库模块
4.6.1 数据表关系
4.6.2 数据表设计
4.6.3 数据库优化
4.7 设备参数配置模块
4.7.1 热膨胀系数的设置
4.7.2 网络参数的设置
4.7.3 传感器基本信息的设置
4.8 信息查询模块
4.9 数据存储模块
4.10 本章小结
第五章 系统测试
5.1 系统测试环境
5.2 位移重构准确性测试
5.2.1 摄影测量
5.2.2 重构效果
5.3 软件功能模块测试
5.3.1 数据传输与通讯模块
5.3.2 数据处理模块
5.3.3 数据显示模块
5.3.4 数据库模块
5.3.5 设备参数配置模块
5.3.6 信息查询模块
5.3.7 数据存储模块
5.4 软件性能测试
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢