CN102655270B - 一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法 - Google Patents

一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法，包括以下几个步骤：步骤1：获取共形相控阵天线总的方向图；步骤2：获得天线单元的幅度Amn优化初始值；步骤3：利用遗传算法对Amn的初始值进行优化；步骤4：获取低副瓣特性的共形相控阵天线方向图；本发明采用平面相控阵优化方法可以快速得到各个单元幅度和相位的近似值，通过对副瓣区域的划定，减少了副瓣的搜索范围，可以大大提供遗传算法优化的速度；本方法还可以应用于可以将天线单元投影到一个平面上的任意共形相控阵的低副瓣方向图综合。

Description

一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法
技术领域
本发明涉及一种应用于无人机的共形相控阵天线的方向图的综合方法，属于无人机技术领域。
背景技术
相控阵天线具有较多优点：系统功率效率高、可以获得天线赋形、电扫描跟踪速度快、隐身性能好等多种技术优势。如果天线单元分布在机体的表面，与机体的轮廓相同则形成共形相控阵天线。共形相控阵天线具有比平面相控阵更多的优点：安装体积小、不影响飞行器的气动性能、扫描范围更大等优点。
在无人机机头前段安装圆台结构的共形相控阵天线可以大大提高无人机的探测能力和隐身能力。共形相控阵天线为了获得更好的方向性，通常需要具有较好的低副瓣特性；为了获得低副瓣特性，需要对共形相控阵天线单元的激励幅度和相位进行优化。由于天线为共形结构，所有天线单元不在一个平面内，传统的平面相控阵天线综合的方法已经不适应于共形相控阵。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法。本发明通过将安装在无人机机头前段的圆台共形相控阵投影到一个平面上，在平面内利用平面相控阵综合的方法，先优化出各个单元幅度和相位的初始值，然后采用遗传算法对幅度相位进一步优化，直到得到满足给定低副瓣条件的各单元幅度和相位值。
一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法，包括以下几个步骤：
步骤1：获取共形相控阵天线总的方向图；
步骤2：获得天线单元的幅度Amn优化初始值；
步骤3：利用遗传算法对Amn的初始值进行优化；
步骤4：获取低副瓣特性的共形相控阵天线方向图；
本发明的优点在于：
(1)采用平面相控阵优化方法可以快速得到各个单元幅度和相位的近似值；
(2)通过对副瓣区域的划定，减少了副瓣的搜索范围，可以大大提供遗传算法优化的速度；
(3)本方法还可以应用于可以将天线单元投影到一个平面上的任意共形相控阵的低副瓣方向图综合。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的圆周方向幅度优化的初始值Cmn计算张角
Figure BDA0000152887380000021
的示意图；
图3是本发明的圆周方向投影后平面幅度优化分布；
图4本发明的母线方向上平面幅度优化分布；
图5本发明的步骤3的方法流程图；
图6本发明中共形相控阵天线方向图的主瓣和第一副瓣的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤1：获取共形相控阵天线总的方向图；
Figure BDA0000152887380000022
其中：
Figure BDA0000152887380000023
为在全局坐标系下的总场，N表示母线上天线单元的个数，M表示圆周上单元的个数，Amn为第(m，n)个天线单元的幅度，
Figure BDA0000152887380000024
为第(m，n)个天线单元的相位，
Figure BDA0000152887380000025
·表示点乘，
Figure BDA0000152887380000026
为自由空间的波数，λ为电磁波的波长，
Figure BDA0000152887380000027
为单元所在的位置矢量，为
Figure BDA0000152887380000029
方向单位矢量，
Figure BDA00001528873800000210
为天线主瓣方向的单位矢量，
Figure BDA00001528873800000211
为局部坐标系Px′y′z′坐到全局坐标系oxyz下的变换矩阵，
Figure BDA00001528873800000212
为第(m，n)天线单元在局部坐标系下的单元场方向图。为了得到低副瓣要求，需要对Amn进行优化，将Amn分解为沿着圆周方向的Cmn，沿着母线方向的Lmn，则Amn＝Cmn*Lmn，*表示乘。
步骤2：获得天线单元的幅度Amn优化初始值；
1)获得沿着圆周方向幅度Cmn优化的初始值；
找到天线单元中心所在的母线，作与圆台面相切的平面，天线单元中心所在的母线在切平面内；得到天线单元起始位置和天线单元终止位置，起始位置与圆心的连线与终止位置与圆心的连线形成张角获取起始和终止单元张角
Figure BDA00001528873800000214
计算方法如图2所示，当
Figure BDA00001528873800000215
大于180度时，取并得到圆周方向上天线单元的个数为M；
把天线单元投影到切平面内，投影面内单元的总长度为
Figure BDA00001528873800000217
其中L为单元所在的圆台面的半径；获取天线单元个数为M，单元长度为
Figure BDA00001528873800000218
的切比雪夫(泰勒)分布的激励电流分布，利用线性插值的方法得到各个天线单元的激励电流的幅度分布；将电流分布需要进行归一化，最大值为1；根据投影上内插得到的各个天线单元在切面内的激励电流幅度，并根据各单元的方向图在切平面的激励电流分量反推出曲面上需要的激励幅度Cmn，如图3所示，O点为圆台顶部圆心的中点，o1为某一圆周单元所在的圆心的中点，P点为某一周单元的中心点，oo1P在一个平面内，PQ⊥oo1P，o2为oo1的延长线，其中Po2⊥oo2。
2)获得沿着圆周方向幅度优化的初始值Lmn；
天线单元在母线方向上服从平面优化分布，如图4所示，对圆台共形阵列沿母线方向上的优化步骤为：确定一个起始单元，该单元中心所在的轴线方向所有单元即为优化对象。从轴线方向上的起始单元中心到终止单元中心，单元的个数为N，分布长度为H。综合出单元个数为N，单元长度为H的切比雪夫(泰勒)分布的激励电流幅度分布。电流分布需要进行归一化，最大值为1，得到沿着母线方向的激励分布Lmn；
根据Amn＝Cmn*Lmn获得单元的幅度优化Amn的初始值。
步骤3：利用遗传算法对Amn的初始值进行优化；
在步骤2中获得了低副瓣要求的共形相控阵天线单元激励幅度Amn的初始值，采用遗传算法对Amn的初始值进一步优化，优化流程如图5所示，具体为：
(1)由于要优化的参数Amn比较多，在使用遗传算法对参数Amn进行编码时，采用二进制编码方式，并初始化第一代初始种群；
(2)产生种群之后计算每个解的自适应度，然后再根据自适应度大小进行选择，选择自适应度最小的解作为最佳个体；
(3)判断是否满足用户设定的代数或者是否满足误差允许范围，如果是，则选择最佳个体为最优解或次优解，结束；如果否，则对最佳个体的种群进行交叉、变异操作生成下一代种群，返回步骤(2)，之后又进行自适应度评价；
步骤4：获取低副瓣特性的共形相控阵天线方向图；
在遗传算法优化中一个很重要的参数就是目标优化函数，本发明中
Figure BDA0000152887380000031
为优化的目标函数，其中为主瓣电平，如图601，
Figure BDA0000152887380000033
为第一副瓣电平，如图602。通过在步骤3中获得的Amn值，可以获得第一副瓣的角度
Figure BDA0000152887380000034
由于对Amn只是在局部范围进行优化，因此第一副瓣的角度
Figure BDA0000152887380000035
的范围变化不是很大，搜索
Figure BDA0000152887380000036
范围可以限定在
Figure BDA0000152887380000037
范围内，可以大大提高步骤优化的速度。
Figure BDA0000152887380000038
表示副瓣搜索范围，通常小于5度。
在得到优化后的Amn后，利用步骤1就可以获得满足给定低副瓣特性的共形相控阵天线方向图。

Claims (2)

1.一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：获取共形相控阵天线总的方向图；
Figure FDA00002829188500011
其中：
Figure FDA00002829188500012
为在全局坐标系下的总场，N表示母线上天线单元的个数，M表示圆周上单元的个数，Amn为第(m,n)个天线单元的幅度，为第(m,n)个天线单元的相位，
Figure FDA00002829188500014
·表示点乘，
Figure FDA00002829188500015
为自由空间的波数，λ为电磁波的波长，
Figure FDA00002829188500016
为单元所在的位置矢量，
Figure FDA00002829188500017
为
Figure FDA00002829188500018
方向单位矢量，
Figure FDA00002829188500019
为天线主瓣方向的单位矢量，
Figure FDA000028291885000110
为局部坐标系Px'y'z'坐到全局坐标系oxyz下的变换矩阵，
Figure FDA000028291885000111
为第(m,n)天线单元在局部坐标系下的单元场方向图；为了得到低副瓣要求，需要对Amn进行优化，将Amn分解为沿着圆周方向的Cmn，沿着母线方向幅度优化的初始值Lmn，则Amn=Cmn*Lmn，*表示乘；
步骤2：获得天线单元的幅度Amn优化初始值；
1）获得沿着圆周方向幅度Cmn优化的初始值；
找到天线单元中心所在的母线，作与圆台面相切的平面，天线单元中心所在的母线在切平面内；得到天线单元起始位置和天线单元终止位置，起始位置与圆心的连线与终止位置与圆心的连线形成张角获取起始和终止单元张角
Figure FDA000028291885000113
当
Figure FDA000028291885000114
大于180度时，取
Figure FDA000028291885000115
并得到圆周方向上天线单元的个数为M；
把天线单元投影到切平面内，投影面内单元的总长度为
Figure FDA000028291885000116
其中L为单元所在的圆台面的半径；获取天线单元个数为M，单元长度为
Figure FDA000028291885000117
的切比雪夫分布的激励电流分布，利用线性插值的方法得到各个天线单元的激励电流的幅度分布；将电流分布需要进行归一化，最大值为1；根据投影上内插得到的各个天线单元在切面内的激励电流幅度，并根据各单元的方向图在切平面的激励电流分量反推出曲面上需要的激励幅度Cmn；
2）获得沿着母线方向幅度优化的初始值Lmn；
天线单元在母线方向上服从平面优化分布，对圆台共形阵列沿母线方向上的优化步骤为：确定一个起始单元，该单元中心所在的轴线方向所有单元即为优化对象；从轴线方向上的起始单元中心到终止单元中心，单元的个数为N，分布长度为H；综合出单元个数为N，单元长度为H的切比雪夫分布的激励电流幅度分布；电流分布需要进行归一化，最大值为1，得到沿着母线方向幅度优化的初始值Lmn；
根据Amn=Cmn*Lmn获得单元的幅度优化Amn的初始值；
步骤3：利用遗传算法对Amn的初始值进行优化；
具体为：
（1）使用遗传算法对参数Amn进行编码，采用二进制编码方式，并初始化第一代初始种群；
（2）产生种群之后计算每个解的自适应度，然后再根据自适应度大小进行选择，选择自适应度最小的解作为最佳个体；
（3）判断是否满足用户设定的代数或者是否满足误差允许范围，如果是，则选择最佳个体为最优解或次优解，结束；如果否，则对最佳个体的种群进行交叉、变异操作生成下一代种群，返回步骤（2），之后又进行自适应度评价；
步骤4：获取低副瓣特性的共形相控阵天线方向图；
优化的目标函数为
Figure FDA00002829188500021
其中
Figure FDA00002829188500022
为主瓣电平，
Figure FDA00002829188500023
为第一副瓣电平；通过在步骤3中获得的Amn值，获得第一副瓣的角度搜索第一副瓣的角度
Figure FDA00002829188500025
范围限定在
Figure FDA00002829188500026
范围内，
Figure FDA00002829188500028
表示副瓣搜索范围；
在得到优化后的Amn后，利用步骤1获得满足给定低副瓣特性的共形相控阵天线方向图。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的共形相控阵天线方向图综合方法，其特征在于，所述的
Figure FDA00002829188500029
小于5度。
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