基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及航天卫星技术领域，具体地，设及基于光纤光栅的卫星大阵面天线变 形在轨测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 对高分辨率对地遥感卫星而言，由于受日照交变W及季节的影响，卫星结构溫度 环境波动较大，其大阵面天线产生变形，从而导致平面度不能满足使用要求，影响卫星在轨 成像性能。因此需要测得卫星阵面天线的形变量，W便根据形变量实现进一步的天线结构 控制或者信号补偿，使得卫星成像抗干扰性能得到提高。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的卫星大阵面天 线变形在轨测量系统及方法。
[0004] 根据本发明提供的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在 于，包括:光波发生器、传导光纤、多个光栅测点、光波解调器、信息处理器；
[0005] 所述光波发生器包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；
[0006] 所述传导光纤，用于依次连接光波发生器、多个光栅测点、光波解调器W及信息处 理器，并提供光波传输的通道；
[0007] 所述多个光栅测点被布置于卫星阵面天线形面上，用于形成传感网络；
[000引所述光波解调器，用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点的应变和 溫度；
[0009] 所述信息处理器，用于对各个光栅测点的应变和溫度进行计算，并得到天线阵面 形面变形参数。
[0010] 优选地，每个所述光栅测点均包括:Y向测应变光栅传感器、X向测应变光栅传感 器、测溫度光栅传感器、导热支座，且所述Y向测应变光栅传感器、X向测应变光栅传感器、测 溫度光栅传感器之间通过传导光纤连接，所述导热支座采用导热材料;其中，Y向测应变光 栅传感器、X向测应变光栅传感器分别固定于天线阵面的Y方向和X方向，用于测量正交方向 上的应变;测溫度光栅传感器通过导热支座固定于天线阵面上，用于测量该光栅测点处的 溫度和修正应变测量值。
[0011] 优选地，设置在同一路传导光纤上的多个光栅测点之间的栅距不同。
[0012] 根据本发明提供的一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，利用 权上述的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，包括如下步骤：
[0013] 步骤1:利用卫星阵面天线形面上的多个光栅测点测得所述多个光栅测点对应测 点处两个正交方向上的应变和溫度；
[0014] 步骤2:当光波通过光栅测点的光栅时，由应变和溫度引起的栅距变化会改变相应 测点处光纤光栅反射光的中屯、波长，通过光波解调器收集输出的反射光，解调后计算出各 个光栅测点的应变值和溫度，并对应变值进行修正；
[0015] 步骤3:利用信息处理器结合各个光栅测点修正后的应变值和各个光栅测点的布 局尺寸将应变值转换成变形值，求解出卫星大阵面天线形面变形的空间曲面方程。
[0016] 优选地，所述步骤2包括：
[0017] 步骤2.1:测量各个光栅测点在无应变和溫度变化时各个光纤光栅反射光的中屯、 波长，计算公式如下：
[001 引 AB = 2ne 八；
[0019] 式中：?表示光纤光栅反射光的中屯、波长，ne表示纤忍的有效折射率，A表示光栅 栅距；
[0020] 步骤2.2:当光栅测点处存在应变或溫度变化时，计算出由应变或溫度变化所造成 的应变值；
[0021] -当光栅测点处只存在应变时，由光波解调器解调后，所述光栅测点应变值计算公 式如下：
[0023] 式中：e表示作用在光栅测点处的应变，AAb表示光纤光栅反射光中屯、波长的变化 量，Pe表示光纤的有效弹光系数；
[0024] -当光栅测点处只存在溫度变化时，所述光栅测点的光纤光栅反射光的中屯、波长， 计算公式如下：
[0026] 式中：AT表示光栅测点处的溫度变化量，AAt表示由溫度变化造成的光纤光栅反 射光中屯、波长的变化量，Kt表示光纤的波长溫度系数；
[0027] 则光栅测点应变值计算公式如下：
[0029] -当光栅测点处同时存在应变和溫度变化时，光纤光栅反射光中屯、波长的变化量 计算公式如下：
[0030] AAz = A At+AAb;
[0031] 式中：AAz表示修正后的光纤光栅反射光中屯、波长的变化量；
[0032] 则光栅测点应变值计算公式如下：
[0034] 优选地，所述步骤3包括如下步骤：
[0035] 步骤3.1:根据卫星大阵面天线形面上多个光栅测点处修正后的应变值，分别计算 各光栅测点沿X、Y两个方向的主曲率值Kx、Ky;
[0037] 式中：Kx表示光栅测点沿X方向的主曲率值，％表示光栅测点沿Y方向的主曲率值， Ex表示光栅测点使用X向测应变光栅传感器测量并计算得到的应变值，Ey表示光栅测点使用 Y向测应变光栅传感器测量并计算得到的应变值；
[0038] 步骤3.2:利用各光栅测点沿X、Y两个方向的主曲率值并结合各测点的布局尺寸来 得到二维曲面方程w(x，y)的表达式，该计算方法可采用现有较为成熟的方法，比如采用双 S次样条(或双Bezier、NURBS)曲面片进行曲率和弧长信息的曲面重建，又比如采用多曲线 重建配合网格细分算法的曲面重建。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0040] 1、本发明提供的测量方法可W对卫星大阵面天线形面变形进行在轨测量，W便于 进一步的天线结构控制或者信号补偿，使得卫星成像抗干扰性能得到提高。
[0041 ] 2、本发明基于光纤光栅技术，灵敏度高，且能够广泛推广。
【附图说明】
[0042] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0043] 图1为本发明提供的卫星大阵面天线变形在轨测量系统结构示意图；
[0044] 图2为本发明提供的单个光栅测点的结构示意图；
[0045] 图3为本发明中光栅传感器测量原理图；
[0046] 图4为本发明中应变与变形转换计算原理示意图。
[0047] 图中；
[004引1-光波发生器；
[0049] 2-传导光纤；
[0050] 3-光栅测点；
[0化1] 4-光波解调器；
[0化2] 5-信息处理器
[0053] 31-Y向测应变光栅传感器
[0054] 32-X向测应变光栅传感器；
[0055] 33-测溫度光栅传感器；
[0化6] 34-导热支座。
【具体实施方式】
[0057] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进。运些都属于本发明 的保护范围。
[0058] 根据本发明提供的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统，其特征在 于，包括:光波发生器1、传导光纤2、多个光栅测点3、光波解调器4、信息处理器5;
[0059] 所述光波发生器1包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；
[0060] 所述传导光纤2,用于依次连接光波发生器1、多个光栅测点3、光波解调器4W及信 息处理器5，并提供光波传输的通道；
[0061] 所述多个光栅测点3被布置于卫星大阵面天线形面上，用于形成传感网络；
[0062] 所述光波解调器4,用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点3的应变 和溫度；
[0063] 所述信息处理器5,用于对各个光栅测点3的应变和溫度进行计算，并得到天线阵 面形面变形参数。
[0064] 具体地，如图1所示，同一路光纤上的各测点之间的光栅栅距不同，由应变和溫度 引起栅距的变化会作用于光波的相应波长处;光波解调器4再对收集到的光波进行解调分 析，解算出各点的应变值和溫度;信息处理器5使用各个测量值进行综合计算，最终得到天 线阵面形面变形。具体的综合计算方法是首先使用各测点的溫度测量值对其相应的两个正 交方向应变测量值进行修正，然后使用修正后的各个测点应变测量值综合各测点布局尺寸 进行应变-变形转换计算，求解出天线阵面形面变形的空间曲面方程，实现天线阵面形面变 形的测量。
[0065] 优选地，每个所述光栅测点3均包括:Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传 感器32、测溫度光栅传感器33、导热支座34，且所述Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光 栅传感器32、测溫度光栅传感器33之间通过光纤连接，所述导热支座％采用导热材料；其 中，Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32分别固定于天线阵面的Y方向和X方 向，用于测量正交方向上的应变;测溫度光栅传感器33通过导热支座34固定于天线阵面上， 用于测量该光栅测点3处的溫度和修正应变测量值。
[0066] 优选地，设置在同一路传导光纤2上的多个光栅测点3之间的栅距不同。
[0067] 具体地，如图2所示，考虑到光栅传感器对应变和溫度都具有线性敏感性，而天线 阵面所处的空间环境溫度变化较大，因此设置了一个测溫度光栅传感器33,来单独地测量 出溫度，再用于修正Y向测应变光栅传感器31、X向测应变光栅传感器32所测量的应变值。导 热支座34选用的是导热材料（比如铜、侣），运样测溫度光栅传感器33的溫度测量可W尽量 准确，并且其与天线阵面的接触面积不应过大，W免使得测溫度光栅传感器33在测量过程 中引入应变的影响。
[0068] 具体地，传导光纤2采用FBG型号。
[0069] 根据本发明提供的基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，包括如下 步骤：
[0070] 步骤1:利用卫星大阵面天线形面上的多个光栅测点3测得所述多个光栅测点3对 应点处的两个正交方向上的应变和溫度；
[0071] 步骤2:当光波通过光栅时，由应变和溫度引起的栅距变化会改变相应处光