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智能結構與相控陣雷達 版權信息
- ISBN：9787030732750
- 條形碼：9787030732750 ; 978-7-03-073275-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
智能結構與相控陣雷達 內容簡介
智能結構技術和相控陣技術是當今前沿技術，將智能結構技術應用于相控陣雷達，提高其環境適應性和服役可靠性，是雷達結構技術研究的一個重要方向。本書重點闡述了相控陣雷達天線的形變感知、機械補償和電補償的理論和實驗研究成果，并介紹了相控陣雷達的智能環境控制和結構健康監測技術，對智能結構技術在相控陣雷達上的應用做了初步探索。
智能結構與相控陣雷達 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 智能結構 1
1.1.1 智能材料 2
1.1.2 智能結構控制 11
1.1.3 智能結構的應用與發展 13
1.2 相控陣雷達 18
1.2.1 相控陣雷達原理 18
1.2.2 典型的相控陣雷達介紹 20
1.3 相控陣雷達結構 26
1.3.1 相控陣雷達結構組成 27
1.3.2 相控陣雷達結構對電性能的影響 34
1.3.3 相控陣雷達結構的“六性”設計和健康管理 38
1.4 智能結構在相控陣雷達中的應用 43
參考文獻 44
第2章 相控陣天線變形的感知 46
2.1 天線變形測量 47
2.1.1 非接觸式測量 47
2.1.2 接觸式測量 49
2.1.3 天線變形測量的問題 51
2.2 天線陣面變形的重構方程 52
2.3 面向陣面變形重構的傳感器布局 54
2.3.1 傳感器布局的研究現狀 54
2.3.2 兩步序列應變傳感器布局方法 56
2.4 傳感器布局優化的試驗對比 62
2.4.1 懸臂梁的布局優化結果 62
2.4.2 試驗平臺的布局優化結果 66
2.5 結構變形重構的測試結果 71
2.5.1 智能蒙皮天線的測試結果 71
2.5.2 相控陣天線試驗平臺的測試結果 80
2.6 本章小結 84
參考文獻 84
第3章 天線變形的機械補償 87
3.1 機械補償原理 88
3.2 機械補償作動器 90
3.2.1 作動器的種類與特性 90
3.2.2 作動器布局優化 96
3.3 精細調整和控制 99
3.3.1 天線陣面與作動器動力學建模 99
3.3.2 天線陣面與作動器的協調控制和軌跡規劃 111
3.4 天線變形機械補償應用驗證 115
3.4.1 天線陣面與單個Stewart并聯機構的應用驗證 115
3.4.2 天線陣面與多個Stewart并聯機構的應用驗證 122
3.4.3 輕薄天線陣面與自適應結構的應用 126
3.5 本章小結 128
參考文獻 128
第4章 天線變形的電補償 130
4.1 電補償方法 131
4.1.1 電補償的基本原理 131
4.1.2 相位補償算法 133
4.1.3 幅相補償算法 134
4.1.4 考慮剛柔位移的電補償 137
4.2 相控陣天線試驗平臺的驗證 139
4.2.1 相控陣天線試驗平臺 139
4.2.2 試驗方案 140
4.2.3 試驗結果 142
4.3 智能蒙皮天線的應用驗證 155
4.3.1 應變-電磁耦合模型 156
4.3.2 智能蒙皮天線樣機系統 158
4.3.3 智能蒙皮天線的電補償試驗 169
4.3.4 智能蒙皮天線的電補償試驗結果 170
4.4 本章小結 177
參考文獻 177
第5章 智能環境控制 180
5.1 環境危害因素 180
5.2 環境控制 187
5.2.1 溫度控制 187
5.2.2 濕度控制 192
5.2.3 灰塵控制 200
5.2.4 漏水漏液控制 205
5.2.5 鹽霧控制 209
5.2.6 主動減振 212
5.2.7 冰雪控制 217
5.3 智能環境控制技術綜合應用 221
5.3.1 智能環境控制系統總體設計 221
5.3.2 智能環境控制系統功能模塊設計與實現 222
參考文獻 231
第6章 雷達結構健康監測 233
6.1 健康監測系統 234
6.2 傳感器信息采集與傳輸 236
6.2.1 傳感器分類與選型 236
6.2.2 傳感器組網與傳輸 239
6.3 雷達結構的損傷和故障識別 240
6.3.1 金屬材料結構件的損傷識別 240
6.3.2 復合材料結構件的損傷識別 241
6.3.3 伺服系統的故障識別 243
6.3.4 冷卻系統的故障識別 244
6.4 故障診斷、決策和預警方法 245
6.4.1 故障診斷與預測方法研究 245
6.4.2 基于數據驅動的故障診斷與預測方法 246
6.5 雷達結構健康監測工程應用 248
6.5.1 雷達結構安全監測應用研究 248
6.5.2 伺服系統健康監測應用研究 254
6.5.3 冷卻系統狀態監測應用研究 256
6.6 本章小結 257
參考文獻 258
前言
第1章 緒論 1
1.1 智能結構 1
1.1.1 智能材料 2
1.1.2 智能結構控制 11
1.1.3 智能結構的應用與發展 13
1.2 相控陣雷達 18
1.2.1 相控陣雷達原理 18
1.2.2 典型的相控陣雷達介紹 20
1.3 相控陣雷達結構 26
1.3.1 相控陣雷達結構組成 27
1.3.2 相控陣雷達結構對電性能的影響 34
1.3.3 相控陣雷達結構的“六性”設計和健康管理 38
1.4 智能結構在相控陣雷達中的應用 43
參考文獻 44
第2章 相控陣天線變形的感知 46
2.1 天線變形測量 47
2.1.1 非接觸式測量 47
2.1.2 接觸式測量 49
2.1.3 天線變形測量的問題 51
2.2 天線陣面變形的重構方程 52
2.3 面向陣面變形重構的傳感器布局 54
2.3.1 傳感器布局的研究現狀 54
2.3.2 兩步序列應變傳感器布局方法 56
2.4 傳感器布局優化的試驗對比 62
2.4.1 懸臂梁的布局優化結果 62
2.4.2 試驗平臺的布局優化結果 66
2.5 結構變形重構的測試結果 71
2.5.1 智能蒙皮天線的測試結果 71
2.5.2 相控陣天線試驗平臺的測試結果 80
2.6 本章小結 84
參考文獻 84
第3章 天線變形的機械補償 87
3.1 機械補償原理 88
3.2 機械補償作動器 90
3.2.1 作動器的種類與特性 90
3.2.2 作動器布局優化 96
3.3 精細調整和控制 99
3.3.1 天線陣面與作動器動力學建模 99
3.3.2 天線陣面與作動器的協調控制和軌跡規劃 111
3.4 天線變形機械補償應用驗證 115
3.4.1 天線陣面與單個Stewart并聯機構的應用驗證 115
3.4.2 天線陣面與多個Stewart并聯機構的應用驗證 122
3.4.3 輕薄天線陣面與自適應結構的應用 126
3.5 本章小結 128
參考文獻 128
第4章 天線變形的電補償 130
4.1 電補償方法 131
4.1.1 電補償的基本原理 131
4.1.2 相位補償算法 133
4.1.3 幅相補償算法 134
4.1.4 考慮剛柔位移的電補償 137
4.2 相控陣天線試驗平臺的驗證 139
4.2.1 相控陣天線試驗平臺 139
4.2.2 試驗方案 140
4.2.3 試驗結果 142
4.3 智能蒙皮天線的應用驗證 155
4.3.1 應變-電磁耦合模型 156
4.3.2 智能蒙皮天線樣機系統 158
4.3.3 智能蒙皮天線的電補償試驗 169
4.3.4 智能蒙皮天線的電補償試驗結果 170
4.4 本章小結 177
參考文獻 177
第5章 智能環境控制 180
5.1 環境危害因素 180
5.2 環境控制 187
5.2.1 溫度控制 187
5.2.2 濕度控制 192
5.2.3 灰塵控制 200
5.2.4 漏水漏液控制 205
5.2.5 鹽霧控制 209
5.2.6 主動減振 212
5.2.7 冰雪控制 217
5.3 智能環境控制技術綜合應用 221
5.3.1 智能環境控制系統總體設計 221
5.3.2 智能環境控制系統功能模塊設計與實現 222
參考文獻 231
第6章 雷達結構健康監測 233
6.1 健康監測系統 234
6.2 傳感器信息采集與傳輸 236
6.2.1 傳感器分類與選型 236
6.2.2 傳感器組網與傳輸 239
6.3 雷達結構的損傷和故障識別 240
6.3.1 金屬材料結構件的損傷識別 240
6.3.2 復合材料結構件的損傷識別 241
6.3.3 伺服系統的故障識別 243
6.3.4 冷卻系統的故障識別 244
6.4 故障診斷、決策和預警方法 245
6.4.1 故障診斷與預測方法研究 245
6.4.2 基于數據驅動的故障診斷與預測方法 246
6.5 雷達結構健康監測工程應用 248
6.5.1 雷達結構安全監測應用研究 248
6.5.2 伺服系統健康監測應用研究 254
6.5.3 冷卻系統狀態監測應用研究 256
6.6 本章小結 257
參考文獻 258
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智能結構與相控陣雷達 節選
第1章 緒論 1.1 智能結構 智能結構是指包含集成于母體結構中的傳感、驅動系統的主動結構，能夠自主對外界或內部變化的具體特征進行判斷、辨識，并自動采取*優控制方法的結構。如圖1.1所示，廣義的智能結構可分為以下幾個層次：*簡單的形式是在結構中添加傳感器與作動器，具備簡單的在線監測功能（可應結構）或按預置算法改變物理狀態（自適應結構），可稱為智能結構的雛形；將傳感器和作動器結合，形成能主動控制結構特性的閉環反饋系統，稱為受控結構；隨著微電子技術與集成技術的發展，將傳感器、作動器嵌入母體結構，實現控制結構高度集成和一體化，稱為主動結構；智能結構的*高層次是具備在線學習和智能邏輯判斷能力，讓產品具有自感知、自監測，乃至自診斷、自修復的功能，實現產品對復雜環境和惡劣工況的自適應，極大地提高相關設備或裝備的可靠性、安全性和環境適應性，并降低被動防護或強化設計的成本[1]。 圖1.1 智能結構層次[1] 如圖1.2所示，智能結構同時包含傳感器、作動器和控制器三個要素，具備自主辨識和分布控制功能[1]。傳感器能夠實時傳遞各個關注點的應力、應變、加速度、溫濕度等物理信號，并將之轉化為控制器能夠辨識的數字信號；控制器根據傳感信息和預置的控制算法，向作動器發出動作指令，使其對外界和內部的狀態變化做出合理的反應，以保障母體結構的基本功能。 圖1.2 智能結構工作原理圖[1] 航空航天工程研究需求推動了智能結構的研究和發展：一是大型柔性太空結構形狀與振動控制；二是飛機結構自主狀態檢測診斷。特別是為了提高飛機的耐久性，保證其剛強度和安全性要求，美國軍方在20世紀70年代末就提出了飛機完整性計劃（Aircraft Structural Integrity Program，ASIP），**次將結構狀態監測系統引入實踐。目前，智能結構已經在飛機、軌道交通、橋梁建筑等領域廣泛應用，并逐漸向工程機械裝備、復雜機電裝備等領域擴展。同時，隨著新型智能材料的開發及現代控制理論和微電子技術的進步，智能結構在集成化、智能化、網絡化方面均有不同程度的進展，進一步提高了其應用價值。智能結構應用大部分仍局限在受控結構或主動結構的層次，智能結構的*高層次還很少應用，但隨著人工智能、物聯網、大數據等技術的發展，具備自主學習和矯正能力的智能結構將越來越多地進入實際應用。 智能結構的研究可以概括為三大關鍵技術方向：一是智能材料的開發，包括傳感材料和致動材料，這是智能結構研究的基礎，高靈敏度、高線性度、大頻寬的材料能夠大幅簡化系統設計，提高智能結構性能；二是智能結構控制方法的研究，將智能材料對外界物理變化的感知、相應的控制策略以及作動能力結合，才能滿足智能結構自診斷、自修復、自適應的要求；三是智能材料的集成技術，主要是通過內埋或表面黏接等封裝方式實現構件與傳感/致動的一體化，并充分考慮智能集成結構的可靠性、環境適應性開展針對性設計，實現智能結構的工程化應用。 1.1.1 智能材料 智能材料是研究智能結構的基礎。根據其在工作時發揮作用的不同，可以分為兩大類[2]：一類是能把外界物理量變化轉化為可檢測的光電信號的材料，可以用來制成傳感器以感知外界環境以及自身工作狀態的變化，如光纖應變傳感器；另一類是能在信號驅動下產生合適的變形、溫變、剛度變化等響應的材料，如電致伸縮材料、磁致伸縮材料等，該類材料常用于作動器。壓電材料既可做傳感器，也可做作動器，是應用*廣泛的一種智能材料。 1. 壓電材料 壓電材料是能實現機械能-電能轉換的智能材料。正/逆壓電效應反映的是一種機電耦合效應，基于這兩種效應，機械能和電能可以相互轉換，如圖1.3所示[2]。利用正壓電效應，壓電材料可用作傳感器；利用逆壓電效應，壓電材料可用作作動器。 圖1.3 壓電效應[2] 壓電材料可分為壓電晶體、壓電聚合物和壓電陶瓷三種，其優缺點和具體應用如表1.1所示[2]。 表1.1 壓電材料優缺點和具體應用[2] 注：聚偏氟乙烯（poly（vinylidene fluoride），PVDF）；鋯鈦酸鉛（Pb（Zr11xTix）O3，PZT）。 2. 光纖應變傳感器 與傳統的電測類傳感材料相比，光纖應變傳感器具有體積小、質量輕、精度高、抗電磁干擾等優點，在土木工程等領域的結構監測中得到廣泛應用。根據測量原理的不同，光纖應變傳感器可以分為光強測量式和干涉測量式兩種。由于干涉測量式光纖損耗小、精度高，理論上僅需要一根光纖就能完成檢測任務，因此其應用潛力*大。現有四種*具潛質的干涉測量式光纖傳感器可用于智能結構，它們是Fabry-Perot光纖傳感器、雙模光纖傳感器、偏振光纖傳感器和光纖光柵傳感器。前三種均是基于光的雙路干涉現象的不同應用。如圖1.4（a）所示[3]，Fabry-Perot光纖傳感器是利用兩面互相平行且垂直于光纖軸線的鏡子構成傳感區域，當固定在基準上的鏡端隨主體結構產生位移時，空腔波模頻率隨即改變。這種傳感器常用于溫度、應變以及復合材料中的超聲壓力等領域。如圖1.4（b）所示，雙模光纖傳感器是將單模光纖劈開，使導入光纖和導出光纖產生位移，激活橫向模量。當基體產生應變時，橫向光分布就會發生非線性變化。偏振光纖傳感器結構與Fabry-Perot光纖傳感器類似，也采用鏡化末端進行測量，但這種傳感器需要使用特殊的偏振保持光纖，依靠單模光纖中光的偏振態變化來測量基體應變。 圖1.4 光纖傳感器結構示意圖[3] 光纖光柵傳感器的原理如圖1.5所示，光纖內部嵌入的光柵是一種周期調制結構，當寬譜光在光柵中傳播時，僅有特定波長的光才能被反射。當基體結構發生變形時，光柵柵距、纖體折射率等隨之變化，導致光柵反射的波長產生漂移。通過檢測這種波長漂移，就可以獲得待測應變。光纖光柵對應變的傳感特性系數基本上是與材料特性相關的常數，從而保證了傳感器具有良好的線性輸出。此外，光纖光柵傳感器生產費用低、可靠性高，其材料與幾何特性可兼容多種診斷應用，且可將大量傳感器串聯集成在一根光纖上，易于在復雜結構中布置廣域分布的傳感器陣列。因此，光纖光柵傳感器在智能結構中應用的潛力*大。 圖1.5 光纖光柵傳感器原理示意圖 3. 形狀記憶材料 形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的材料經變形并固化成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學刺激的處理又可恢復成初始形狀的一種材料，可集傳感機構、驅動機構和執行機構為一體，成為智能材料的重要組成部分。形狀記憶材料主要包括形狀記憶合金和形狀記憶高分子材料。 形狀記憶合金抗疲勞性能和延展性能優異，并且在高溫環境下，其性能相對普通合金更好。在航空等領域，形狀記憶合金已進入工程應用，如波音公司在777-300ER飛機發動機上采用形狀記憶合金來降低引擎噪聲，如圖1.6所示。 圖1.6 波音777-300ER飛機發動機利用形狀記憶合金降噪 形狀記憶高分子材料有可恢復率高、質量輕、加工成本低、耐腐蝕等優于形狀記憶合金的特點，常用于變型機翼蒙皮材料。 4. 電致伸縮材料 電致伸縮材料一般為多晶材料，材料中的部分電疇在外電場作用下，感應極化作用會發生轉動，進而導致材料的伸長或縮短。與壓電材料相比，電致伸縮材料具有很小的遲滯損失，電致伸縮作動器的遲滯損失在2%以內，而壓電作動器的遲滯損失可高達15%。同時其*大的一個優點表現為在同樣的電壓驅動下，可以獲得更大的位移伸長量，而在壓力作用下特性參數變化較小[4]。因此，電致伸縮材料在航空航天、人工肌肉、仿生機器人等方面有廣泛的應用。 5. 磁致伸縮材料 磁致伸縮材料是實現機械能-磁能轉換的智能材料，以磁致伸縮材料為基礎的傳感器具有分辨率高、體積小、伸縮系數大、機電耦合系數大、承受壓力大等優點。基于以上優點，磁致伸縮材料在聲學、微控制、減振等領域應用廣泛，特別可用于制造智能結構中的驅動器，如圖1.7所示[4]。 圖1.7 磁致伸縮作動器[4] 6. 電流變體 電流變體可以在電流驅動下，改變其自身的剪切強度，實現液固之間連續、迅速、可逆的轉變，具有明顯的電流變效應。其響應時間短，過程可控且易于調節，是一種新型的智能材料，在主動減振、作動執行等方面具有廣泛的應用價值。圖1.8為基于電流變體的阻尼器。
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