CN108736158B - 一种对地超低副瓣设计方法 - Google Patents

一种对地超低副瓣设计方法 Download PDF

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CN108736158B CN201810475678.3A CN201810475678A CN108736158B CN 108736158 B CN108736158 B CN 108736158B CN 201810475678 A CN201810475678 A CN 201810475678A CN 108736158 B CN108736158 B CN 108736158B
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Abstract

本发明公开一种对地超低副瓣设计方法，其实现步骤是：1.建立坐标系，根据卫星轨道高度，确定对地球区域；2.确定分区进行超低副瓣方向图综合的分区数并确定各分区的初始区域；3.使用改进的交替投影算法对各分区的区域分别单独进行超低副瓣方向图综合，得到对各分区单独进行超低副瓣方向图综合的阵列加权值，确定各超低副瓣方向图的实际作用区域；4.根据主波束的俯仰方向的扫描角度，选择合适的阵列加权值。本发明能够实现大规模平面阵列快速对地球区域进行超低副瓣方向图综合，对地球区域副瓣抑制效果较好，有效减轻对于衰减器动态范围的需求，提高阵列的口径效率，减小增益损失，阵列综合时间短，可满足星载相控阵对地副瓣抑制的需求。

Description

一种对地超低副瓣设计方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及阵列天线方向图的赋形优化，可用于大规模阵列天线的对地球区域低副瓣方向图设计。
背景技术
为了降低来自地球的干扰信号，提高系统的抗干扰能力，通常需要星载相控阵天线在对地球区域形成较低的副瓣。传统的方法是采用类似于泰勒分布或者切比雪夫分布的幅度单峰分布形式的单一阵列加权值，对所有副瓣进行超低副瓣方向图综合。但是对于平面阵列天线，为了实现超低副瓣方向图，通常需要较大的幅度激励动态范围，并且由于阵列幅度衰减较大，会导致阵列辐射效率降低，增益损失加大。不利于超低副瓣方向图的实现以及系统的应用。
针对上述问题，其中的一种解决方法是针对不同的扫描角度，对地球区域进行挖零，由于主波束扫描波位的不同，挖零区域相对于主波束的位置也不相同，因此阵列的幅相加权值也不相同，需要针对所有不同的扫描波位单独进行阵列的幅相权值的优化，因此优化规模巨大。在相控阵装配阶段，由于T/R组件射频通道的不一致性，需要根据优化得到的幅相加权值进行射频链路的幅度和相位的配平工作，上述针对不同扫描波位优化不同幅相加权值会严重增加该幅相配平的工作量。此外，繁多的加权值对于系统的数据存储空间需求也异常庞大。
因此一种阵列辐射效率高，增益损失小，对衰减器动态范围要求小，并且优化波位少、工作量小的对地球区域超低副瓣方向图综合策略显得尤为重要。
另一方面，随着微波毫米波芯片技术以及天线的发展，卫星平台的不断进步，需求的不断提高，星载有源相控阵阵列规模越来越大，对于阵列优化算法也提出了更高的要求。进化算法对于阵列规模较为敏感，随着优化变量的增多，其优化能力急剧下降，通常难以优化大规模阵列。传统交替投影算法优化速度快，对于阵列规模不敏感，非常适合于优化大规模阵列，但其作为一种局部优化算法，较容易陷入局部最优解。为了克服其陷入局部最优解的缺点，需要根据被优化的目标方向图的特点对算法进行改进。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种对地超低副瓣设计方法，以降低系统的电性能损失，提高二维阵列对特定区域实现超低副瓣的能力，实现波束的快速赋形，避免陷入局部最优。
本发明的设计思想是：通过改进传统交替投影算法的方向图和激励修正策略，提高算法的优化能力，避免陷入局部最优解。使用该改进的交替投影算法对各分区的区域分别单独进行超低副瓣方向图综合，得到对各分区单独进行超低副瓣方向图综合的阵列加权值，最后根据主波束的俯仰方向的扫描角度，选择合适的阵列加权值。
根据上述设计思想，实现本发明目的的技术方案包括如下步骤：
(1)根据卫星轨道高度，确定对地球区域；
(2)确定进行超低副瓣方向图综合的分区数Q并确定各分区的区域，应确保各分区的区域作用范围均能覆盖上述对地球区域；依次对上述各分区区域进行如下处理：
(3)对当前处理区域Θq进行超低副瓣方向图综合：即以当前处理区域Θq内的最大副瓣电平SLLinΘq以及Θq区域外的最大副瓣电平SLLoutΘq作为优化目标，进行阵列综合，得到综合后的激励
Figure BDA0001664410950000021
以及综合后的方向图
Figure BDA0001664410950000022
(4)确定方向图
Figure BDA0001664410950000023
实际的超低副瓣区域以及激励
Figure BDA0001664410950000024
的适用范围；
(5)根据方向图
Figure BDA0001664410950000025
实际的超低副瓣区域对下一个处理区域Θq+1进行初始区域的更新，更新完成后，下一个处理区域即为当前处理区域执行步骤(3)-(5)，直至所有处理区域处理完成，即得到综合后的激励
Figure BDA0001664410950000026
以及各自激励的适用范围
Figure BDA0001664410950000027
进一步的，上述步骤在地球坐标系下进行处理。
进一步的，步骤(2)中各分区区域的初始区域范围采用人为设定，或者根据均匀激励得到方向图的副瓣和零陷区域确定。
进一步的，定义分区区域Θq、Θq+1的初始区域范围分别为
Figure BDA0001664410950000028
Figure BDA0001664410950000031
则应满足
Figure BDA0001664410950000032
且
Figure BDA0001664410950000033
对于第一个分区区域即q＝1，
Figure BDA0001664410950000034
等于该阵列设计的最大扫描角
Figure BDA0001664410950000035
α为对地球区域的半锥角，k最优在范围为2≤k≤3。
进一步的，步骤(3)中在阵列综合过程中实时提取主瓣区域以及超低副瓣区域，并且采用超低副瓣区域的副瓣电平逐渐抑制至设计指标的策略，以及阵列激励从无约束的理想激励逐渐过渡至可实现的实际激励的策略。
进一步的，在进行阵列综合时应确保主波束指向始终保持与地球坐标系的z轴重合，即主波束的俯仰角θ＝0°。
进一步的，所述的阵列综合针对各分区区域分别执行如下处理：
第一步，对当前分区区域Θq进行参数初始化，并计算方向图EΘq，确定主瓣半锥角以及EΘq实际超低副瓣区域，并确定EΘq实际超低副瓣区域内外最大初始副瓣电平值
Figure BDA0001664410950000036
第二步，根据主瓣半锥角δinter q和EΘq实际超低副瓣区域，确定目标方向图的上界
Figure BDA0001664410950000037
第三步，对方向图EΘq中大于目标方向图上界
Figure BDA0001664410950000038
的区域进行修正，得到修正后的方向图
Figure BDA0001664410950000039
第四步，由修正后的方向图
Figure BDA00016644109500000310
计算阵列激励I′Θq；
第五步，对I′Θq的每个阵元激励an的幅度和相位进行修正，从而得到可实现激励
Figure BDA00016644109500000311
其中n＝1～M；
第六步，根据激励
Figure BDA00016644109500000312
重新计算方向图EΘq，判断方向图EΘq是否满足预设的要求，若满足，则当前最新计算的方向图EΘq为综合后的方向图
Figure BDA00016644109500000313
当前激励
Figure BDA00016644109500000314
为综合后的激励
Figure BDA00016644109500000315
否则，进一步确定主瓣半锥角δinter q以及EΘq实际超低副瓣区域，返回第二步循环执行。
进一步的，确定第inter次循环迭代的目标方向图上界
Figure BDA00016644109500000316
Figure BDA0001664410950000041
其中
Figure BDA0001664410950000042
Figure BDA0001664410950000043
其中δinter q、
Figure BDA0001664410950000044
分别为第inter次迭代时主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界；MGΘq为最大迭代次数，KΘq为傅里叶变换规模，RΘq为目标方向图变化系数，
Figure BDA0001664410950000045
为区域Θq以内的目标最大副瓣电平，
Figure BDA0001664410950000046
为区域Θq以内初始附加副瓣抑制电平，
Figure BDA0001664410950000047
为区域Θq以外的目标最大副瓣电平，
Figure BDA0001664410950000048
为区域Θq以外初始附加副瓣抑制电平。
进一步的，若当前迭代次数inter<RΘq·MGΘq时，δinter q，
Figure BDA0001664410950000049
和
Figure BDA00016644109500000410
分别为第inter次迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界；当inter≥RΘq·MGΘq，δinter q，
Figure BDA00016644109500000411
和
Figure BDA00016644109500000412
取第
Figure BDA00016644109500000413
(
Figure BDA00016644109500000414
表示对X向下取整)次迭代时计算得到迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界。
进一步的，第三步中的方向图EΘq通过下式进行修正：
Figure BDA0001664410950000051
即对辐射场方向图EΘq中大于目标辐射场方向图上界
Figure BDA0001664410950000056
的区域进行修正，得到修正后的辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000057
进一步的，对I′Θq的每个阵元激励an(n＝1～M)的幅度和相位通过下式进行修正从而得到可实现激励
Figure BDA0001664410950000058
Figure BDA0001664410950000052
其中，
Figure BDA0001664410950000053
Figure BDA0001664410950000054
Figure BDA0001664410950000055
其中
Figure BDA0001664410950000059
和
Figure BDA00016644109500000510
分别为可实现激励的归一化幅值最大值、最小值，
Figure BDA00016644109500000511
和
Figure BDA00016644109500000512
分别为可实现激励相位的最大值、最小值；bn为an的幅度修正值；arg(X)表示X的相位。
进一步的，所述的M满足M<<KΘq。
进一步的，步骤(4)具体通过下述方式实现：根据综合后的方向图
Figure BDA0001664410950000061
的实际超低副瓣区域，提取该区域外包络最小外接圆锥的半锥角
Figure BDA0001664410950000062
以及该区域内包络最大外接圆锥的半锥角
Figure BDA0001664410950000063
则超低副瓣区域Θ1的实际区域是以下界
Figure BDA0001664410950000064
上界
Figure BDA0001664410950000065
为内外边界的圆环区域；令
Figure BDA0001664410950000066
Figure BDA0001664410950000067
则当主波束俯仰方向扫描角
Figure BDA0001664410950000068
时使用激励
Figure BDA0001664410950000069
进一步的，步骤(5)中的对下一个处理区域Θq+1进行初始区域
Figure BDA00016644109500000610
的更新通过下述方式实现：
计算参数
Figure BDA00016644109500000611
若
Figure BDA00016644109500000613
则将
Figure BDA00016644109500000612
数值赋给
Figure BDA00016644109500000614
若
Figure BDA00016644109500000615
则
Figure BDA00016644109500000616
本发明与现有技术相比，具有以下特点及优点：
1)本发明根据主波束俯仰方向扫描角度，划分了若干个不同区域分别进行超低副瓣方向图综合，根据主波束俯仰方向扫描角度选择合适的加权值。由于不需要对所有副瓣进行抑制，因此相对于对所有副瓣进行超低副瓣方向图综合得到的阵列加权值，使用本发明得到的阵列单元所需的衰减量相对较小，口径效率、增益较高，系统性能更优。同时不需要针对所有不同的扫描波位单独进行阵列的幅相权值的优化，仅需优化若干组阵列权值，因此优化工作量大为减少，大幅度缩减了射频链路的幅度和相位的配平工作，同时对于系统的数据存储空间需求也大为缩减。
2)本发明所使用的改进的交替投影算法在迭代过程中实时提取需要进行超低副瓣抑制的区域和主瓣区域，并且在迭代过程中目标方向图的上界以及阵列激励能够分别逐渐过渡到目标方向图与阵列可实现激励。上述措施能够避免算法陷入局部最优解，提高算法的性能。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是本发明的实施例的阵列结构图。
图3是本发明的实施例的对地球区域示意图。
图4是本发明的实施例超低副瓣方向图综合分区示意图。
图5是本发明的实施例对区域1进行超低副瓣综合的方向图。
图6是本发明的实施例对区域1进行超低副瓣综合主波束指向θ＝0°时，在方位角
Figure BDA0001664410950000071
截面的二维方向图。
图7是本发明的实施例对区域1进行超低副瓣综合主波束指向θ＝19°时，在方位角
Figure BDA0001664410950000072
截面的二维方向图。
图8是本发明的实施例对区域1进行超低副瓣综合得到的阵列幅度激励。
图9是本发明的实施例对区域2进行超低副瓣综合的方向图。
图10是本发明的实施例对区域2进行超低副瓣综合主波束指向θ＝0°时，在方位角
Figure BDA0001664410950000073
截面的二维方向图。
图11是本发明的实施例对区域2进行超低副瓣综合主波束指向θ＝19°时，在方位角
Figure BDA0001664410950000074
截面的二维方向图。
图12是本发明的实施例对区域2进行超低副瓣综合得到的阵列幅度激励。
图13是本发明的实施例对区域2进行超低副瓣综合得到的阵列相位激励。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实现流程图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明给出如下实施例。阵列采用36*36(Mx＝My＝36)元矩形栅格矩形口径分布的均匀平面阵列，四角进行切角处理，切角规模为6*6，阵列单元数1152。阵列沿x轴方向与沿y轴方向的阵元间距均为半波长，阵列结构如图2所示。衰减器的动态范围为[0dB,-15.5dB]，移相器的移相范围为[0,2π]。
实施例：要求主波束除位于对地球区域之内的情况之外，任意俯仰方向的扫描角度的对地球区域的副瓣抑制大于40dB，除对地区域以外的所有副瓣的抑制大于17dB。
步骤一：建立坐标系。
以垂直于阵面、指向地球方向为z轴建立地球坐标系，其中离轴角θ(即俯仰方向扫描角)定义为与z轴的夹角，方位角
Figure BDA0001664410950000081
定义为在xoy面与x轴的夹角。
步骤二：确定对地球区域。
设卫星距地面的轨道高度为H＝36000km，地球半径为R＝6400km，则对地球区域定义为以离轴角α为半锥角的锥形区域，如图3所示，其中α＝arcsin[R/(R+H)]＝9°。
步骤三：确定分区数并确定各分区的初始区域。
以离轴角θ为变量(其中
Figure BDA0001664410950000082
)，划分Q＝2个环形初始区域Θ1和Θ2。根据均匀激励得到阵列方向图，主瓣相邻两侧第一旁瓣最外侧零陷的最大外接锥形的半锥角为7°，则
Figure BDA0001664410950000083
Θ1的初始区域范围为
Figure BDA0001664410950000084
令
Figure BDA0001664410950000085
主瓣两侧第一零陷的最大外接锥形的半锥角为4°，则
Figure BDA0001664410950000086
Θ2的初始区域范围为
Figure BDA0001664410950000087
该分区的初始区域如图4所示。
步骤四：对Θ1区域进行超低副瓣方向图综合。
使用等幅同相激励作为初始激励
Figure BDA0001664410950000088
以Θ1区域以内的最大副瓣电平
Figure BDA0001664410950000089
以及Θ1区域以外的最大副瓣电平
Figure BDA00016644109500000810
作为优化目标，使用改进的交替投影算法对所述的辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000092
的
Figure BDA0001664410950000093
进行超低副瓣、
Figure BDA0001664410950000094
进行低副瓣方向图综合，得到综合后的激励
Figure BDA0001664410950000095
以及综合后的方向图
Figure BDA0001664410950000096
(4a)参数初始化：令最大循环次数
Figure BDA0001664410950000097
傅里叶变换规模
Figure BDA0001664410950000098
目标方向图变化系数
Figure BDA0001664410950000099
Θ1区域以内的最大目标副瓣电平
Figure BDA00016644109500000910
和初始附加副瓣抑制电平
Figure BDA00016644109500000911
Θ1区域以外的最大目标副瓣电平
Figure BDA00016644109500000912
和初始附加副瓣抑制电平
Figure BDA00016644109500000913
归一化可实现激励幅值的最大值
Figure BDA00016644109500000914
最小值
Figure BDA00016644109500000915
以及可实现激励相位的最大值
Figure BDA00016644109500000916
最小值
Figure BDA00016644109500000917
(4b)计算方向图，确定主瓣半锥角以及Θ1区域，并确定Θ1区域内外最大初始副瓣电平值：对阵列初始激励值
Figure BDA00016644109500000918
使用二维
Figure BDA00016644109500000919
点快速傅里叶逆变换方法得到阵列辐射场方向图
Figure BDA00016644109500000920
根据方向图
Figure BDA00016644109500000921
确定其主瓣相邻两侧第一零陷的最大外接锥形的半锥角δinter 1，令待进行超低副瓣综合实际区域Θ1的下界
Figure BDA00016644109500000922
和上界
Figure BDA00016644109500000923
确定Θ1区域内的最大初始副瓣电平值
Figure BDA00016644109500000924
以及Θ1区域外的最大初始副瓣电平值
Figure BDA00016644109500000925
(4c)确定目标方向图的上界：根据δinter 1、
Figure BDA00016644109500000926
以及当前迭代次数inter，确定归一化目标方向图的上界
Figure BDA00016644109500000927
若当前迭代次数inter<RΘ1·MGΘ1时，δinter 1、
Figure BDA00016644109500000928
和
Figure BDA00016644109500000929
分别为第inter次迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界；当inter≥RΘ1·MGΘ1，δinter 1、
Figure BDA00016644109500000930
和
Figure BDA00016644109500000931
取第
Figure BDA00016644109500000932
(
Figure BDA00016644109500000933
表示对X向下取整)次迭代时计算得到迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界。
Figure BDA0001664410950000091
其中
Figure BDA0001664410950000101
Figure BDA0001664410950000102
(4d)修正方向图
Figure BDA0001664410950000104
对辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000105
中大于目标辐射场方向图上界
Figure BDA0001664410950000106
的区域进行修正，得到修正后的辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000107
Figure BDA0001664410950000103
(4e)由方向图
Figure BDA0001664410950000108
计算阵列激励
Figure BDA0001664410950000109
对修正后的阵列辐射场方向图
Figure BDA00016644109500001010
使用二维
Figure BDA00016644109500001011
点快速傅里叶变换方法得到经过幅度归一化的阵列待处理激励值
Figure BDA00016644109500001012
Figure BDA00016644109500001013
Figure BDA00016644109500001014
其中ast表示阵列第s行第t列阵元的待处理激励值，其中s＝1,2,...,Mx，t＝1,2,...,My；
(4f)修正激励ast：对阵元待处理激励值ast进行幅度、相位修正，得到第s行第t列阵元的可实现激励值cst，从而得到可实现激励
Figure BDA00016644109500001015
Figure BDA00016644109500001016
Figure BDA0001664410950000111
Figure BDA0001664410950000112
其中
Figure BDA0001664410950000113
Figure BDA0001664410950000114
(4g)计算方向图，确定主瓣半锥角以及Θ1区域：对阵列实现激励
Figure BDA0001664410950000115
使用二维
Figure BDA0001664410950000116
点快速傅里叶逆变换方法得到阵列辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000117
根据方向图
Figure BDA0001664410950000118
确定其主瓣相邻两侧第一零陷的最大外接锥形的半锥角δinter 1，提取进行超低副瓣综合区域内包络最大外接圆锥的半锥角
Figure BDA0001664410950000119
(4h)循环结束条件判断。
若阵列辐射场方向图
Figure BDA00016644109500001110
满足要求或者当循环次数inter等于最大循环次数
Figure BDA00016644109500001111
时，跳出循环并输出阵列最终激励值
Figure BDA00016644109500001112
完成对Θ1区域超低副瓣方向图的综合，否则返回步骤(4c)。
经过90次循环迭代后，超低副瓣区域Θ1内部的副瓣电平
Figure BDA00016644109500001113
Θ1外部的副瓣电平
Figure BDA00016644109500001114
口径效率
Figure BDA00016644109500001115
系统增益
Figure BDA0001664410950000121
对于区域Θ1综合得到的超低副瓣综合的方向图如图5所示；该主波束指向θ＝0°时，在方位角
Figure BDA0001664410950000122
截面的二维方向图如图6所示；主波束指向θ＝19°时，在方位角
Figure BDA0001664410950000123
截面的二维方向图如图7所示；综合得到的阵列幅度激励如图8所示。
步骤五：确定综合得到的激励
Figure BDA0001664410950000124
的适用范围。
根据综合得到的方向图
Figure BDA0001664410950000125
的超低副瓣区域，提取该区域外包络最小外接圆锥的半锥角
Figure BDA0001664410950000126
以及该区域内包络最大外接圆锥的半锥角
Figure BDA0001664410950000127
则超低副瓣区域Θ1的实际区域是以上界
Figure BDA0001664410950000128
下界
Figure BDA0001664410950000129
为内外边界的圆环区域。令
Figure BDA00016644109500001210
则当主波束俯仰方向扫描角
Figure BDA00016644109500001211
时使用激励
Figure BDA00016644109500001212
步骤六：确定待进行超低副瓣方向图综合的Θ2区域。
令
Figure BDA00016644109500001213
由于
Figure BDA00016644109500001215
则令
Figure BDA00016644109500001214
对Θ2的超低副瓣方向图综合的初始区域进行更新。
步骤七：对Θ2区域进行超低副瓣方向图综合。
使用等幅同相激励作为初始激励
Figure BDA00016644109500001216
以Θ2区域以内的最大副瓣电平
Figure BDA00016644109500001217
以及Θ2区域以外的最大副瓣电平
Figure BDA00016644109500001218
作为优化目标，使用改进的交替投影算法对所述的辐射场方向图
Figure BDA00016644109500001219
的
Figure BDA00016644109500001220
进行超低副瓣、
Figure BDA00016644109500001221
进行低副瓣方向图综合，得到综合后的激励
Figure BDA00016644109500001222
以及综合后的方向图
Figure BDA00016644109500001223
(7a)参数初始化：令最大循环次数
Figure BDA00016644109500001224
傅里叶变换规模
Figure BDA00016644109500001225
目标方向图变化系数
Figure BDA00016644109500001226
Θ2区域以内的最大目标副瓣电平
Figure BDA00016644109500001227
和初始附加副瓣抑制电平
Figure BDA00016644109500001228
Θ2区域以外的最大目标副瓣电平
Figure BDA00016644109500001229
和初始附加副瓣抑制电平
Figure BDA00016644109500001230
归一化
可实现激励幅值的最大值
Figure BDA00016644109500001231
最小值
Figure BDA00016644109500001232
以及可实现激励相位的最大值
Figure BDA00016644109500001233
最小值
Figure BDA00016644109500001234
(7b)计算方向图，确定主瓣半锥角以及Θ2区域，并确定Θ2区域内外最大初始副瓣电平值：对阵列初始激励值
Figure BDA0001664410950000134
使用二维
Figure BDA0001664410950000135
点快速傅里叶逆变换方法得到阵列辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000136
根据方向图
Figure BDA0001664410950000137
确定其主瓣相邻两侧第一零陷的最大外接锥形的半锥角δinter 2，令待进行超低副瓣综合实际区域Θ2的下界
Figure BDA0001664410950000138
和上界
Figure BDA0001664410950000139
确定Θ2区域内的最大初始副瓣电平值
Figure BDA00016644109500001310
以及Θ2区域外的最大初始副瓣电平值
Figure BDA00016644109500001311
(7c)确定目标方向图的上界：根据δinter 2、
Figure BDA00016644109500001312
以及当前迭代次数inter，确定归一化目标方向图的上界
Figure BDA00016644109500001313
若当前迭代次数inter<RΘ2·MGΘ2时，δinter 2、
Figure BDA00016644109500001314
和
Figure BDA00016644109500001315
分别为第inter次迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界；当inter≥RΘ2·MGΘ2，δinter 2、
Figure BDA00016644109500001316
和
Figure BDA00016644109500001317
取第
Figure BDA00016644109500001318
(
Figure BDA00016644109500001319
表示对X向下取整)次迭代时计算得到迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界。
Figure BDA0001664410950000131
其中
Figure BDA0001664410950000132
Figure BDA0001664410950000133
(7d)修正方向图
Figure BDA00016644109500001320
对辐射场方向图
Figure BDA00016644109500001321
中大于目标辐射场方向图上界
Figure BDA00016644109500001322
的区域进行修正，得到修正后的辐射场方向图
Figure BDA00016644109500001323
Figure BDA0001664410950000141
(7e)由方向图
Figure BDA0001664410950000145
计算阵列激励
Figure BDA0001664410950000146
对修正后的阵列辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000147
使用二维
Figure BDA0001664410950000148
点快速傅里叶变换方法得到经过幅度归一化的阵列待处理激励值
Figure BDA0001664410950000149
Figure BDA00016644109500001410
Figure BDA00016644109500001411
其中ast表示阵列第s行第t列阵元的待处理激励值，其中s＝1,2,...,Mx，t＝1,2,...,My；
(7f)修正激励ast：对阵元待处理激励值ast进行幅度、相位修正，得到第s行第t列阵元的可实现激励值cst，从而得到可实现激励
Figure BDA00016644109500001412
Figure BDA00016644109500001413
Figure BDA0001664410950000142
Figure BDA0001664410950000143
其中
Figure BDA0001664410950000144
Figure BDA0001664410950000151
(7g)计算方向图，确定主瓣半锥角以及Θ2区域：对阵列实现激励
Figure BDA0001664410950000152
使用二维
Figure BDA0001664410950000153
点快速傅里叶逆变换方法得到阵列辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000154
根据方向图
Figure BDA0001664410950000155
确定其主瓣相邻两侧第一零陷的最大外接锥形的半锥角δinter 2，提取进行超低副瓣综合区域内包络最大外接圆锥的半锥角
Figure BDA0001664410950000156
(7h)循环结束条件判断。
若阵列辐射场方向图
Figure BDA0001664410950000157
满足要求或者当循环次数inter等于最大循环次数
Figure BDA0001664410950000158
时，跳出循环并输出阵列最终激励值
Figure BDA0001664410950000159
完成对Θ2区域超低副瓣方向图的综合，否则返回步骤(7c)。
经过90次循环迭代后，超低副瓣区域Θ2内部的副瓣电平
Figure BDA00016644109500001510
Θ2外部的副瓣电平
Figure BDA00016644109500001511
口径效率
Figure BDA00016644109500001512
系统增益
Figure BDA00016644109500001513
对于区域Θ2综合得到的超低副瓣综合的方向图如图9所示；该主波束指向θ＝0°时，在方位角
Figure BDA00016644109500001514
截面的二维方向图如图10所示；主波束指向θ＝19°时，在方位角
Figure BDA00016644109500001515
截面的二维方向图如图11所示；综合得到的阵列幅度激励如图12所示；综合得到的阵列幅度激励如图13所示。
步骤八：确定综合得到的激励
Figure BDA00016644109500001516
的适用范围。
根据综合得到的方向图
Figure BDA00016644109500001517
的超低副瓣区域，提取该区域外包络最小外接圆锥的半锥角
Figure BDA00016644109500001518
以及该区域内包络最大外接圆锥的半锥角
Figure BDA00016644109500001519
则超低副瓣区域Θ2的实际区域是以上界
Figure BDA00016644109500001520
下界
Figure BDA00016644109500001521
为内外边界的圆环区域。令
Figure BDA00016644109500001522
则当主波束俯仰方向扫描角
Figure BDA00016644109500001523
时使用激励
Figure BDA00016644109500001524
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1.一种对地超低副瓣设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据卫星轨道高度，确定对地球区域；
(2)确定进行超低副瓣方向图综合的分区数Q并确定各分区的区域，应确保各分区的区域作用范围均能覆盖上述对地球区域；所述的Q≥2；各分区区域的初始区域范围采用人为设定，或者根据均匀激励得到方向图的副瓣和零陷区域确定；定义分区区域Θq、Θq+1的初始区域范围分别为主波束的俯仰角
Figure FDA0002526528570000011
则应满足
Figure FDA0002526528570000012
且
Figure FDA0002526528570000013
对于第一个分区区域即q＝1，
Figure FDA0002526528570000014
等于该阵列设计的最大扫描角
Figure FDA0002526528570000015
α为对地球区域的半锥角，k最优在范围为2≤k≤3；依次对上述各分区区域进行如下处理：
(3)对当前处理区域Θq进行超低副瓣方向图综合：即以当前处理区域Θq内的最大副瓣电平SLLinΘq以及Θq区域外的最大副瓣电平SLLoutΘq作为优化目标，进行阵列综合，得到综合后的激励
Figure FDA0002526528570000016
以及综合后的方向图
Figure FDA0002526528570000017
(4)确定方向图
Figure FDA0002526528570000018
实际的超低副瓣区域以及激励
Figure FDA0002526528570000019
的适用范围；
(5)根据方向图
Figure FDA00025265285700000110
实际的超低副瓣区域对下一个处理区域Θq+1进行初始区域的更新，更新完成后，下一个处理区域即为当前处理区域执行步骤(3)-(5)，直至所有处理区域处理完成，即得到综合后的激励
Figure FDA00025265285700000111
以及各自激励的适用范围
Figure FDA00025265285700000112
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤在地球坐标系下进行处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中在阵列综合过程中实时提取主瓣区域以及超低副瓣区域，并且采用超低副瓣区域的副瓣电平逐渐抑制至设计指标的策略，以及阵列激励从无约束的理想激励逐渐过渡至可实现的实际激励的策略。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：在进行阵列综合时应确保主波束指向始终保持与地球坐标系的z轴重合，即主波束的俯仰角θ＝0°。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的阵列综合针对各分区区域分别执行如下处理：
第一步，对当前分区区域Θq进行参数初始化，并计算方向图EΘq，确定主瓣半锥角以及EΘq实际超低副瓣区域，并确定EΘq实际超低副瓣区域内外最大初始副瓣电平值
Figure FDA0002526528570000021
第二步，根据主瓣半锥角δinter q和EΘq实际超低副瓣区域，确定目标方向图的上界
Figure FDA0002526528570000022
第三步，对方向图EΘq中大于目标方向图上界
Figure FDA0002526528570000023
的区域进行修正，得到修正后的方向图
Figure FDA0002526528570000024
第四步，由修正后的方向图
Figure FDA0002526528570000025
计算阵列激励I′Θq；
第五步，对I′Θq的每个阵元激励an的幅度和相位进行修正，从而得到可实现激励
Figure FDA0002526528570000026
其中n＝1～M；
第六步，根据激励
Figure FDA0002526528570000027
重新计算方向图EΘq，判断方向图EΘq是否满足预设的要求，若满足，则当前最新计算的方向图EΘq为综合后的方向图
Figure FDA0002526528570000028
当前激励
Figure FDA0002526528570000029
为综合后的激励
Figure FDA00025265285700000210
否则，进一步确定主瓣半锥角δinter q以及EΘq实际超低副瓣区域，返回第二步循环执行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：确定第inter次循环迭代的目标方向图上界
Figure FDA00025265285700000211
Figure FDA00025265285700000212
其中
Figure FDA0002526528570000031
Figure FDA0002526528570000032
其中δinter q、
Figure FDA0002526528570000033
分别为第inter次迭代时主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界；MGΘq为最大迭代次数，KΘq为傅里叶变换规模，RΘq为目标方向图变化系数，
Figure FDA0002526528570000034
为区域Θq以内的目标最大副瓣电平，
Figure FDA0002526528570000035
为区域Θq以内初始附加副瓣抑制电平，
Figure FDA0002526528570000036
为区域Θq以外的目标最大副瓣电平，
Figure FDA0002526528570000037
为区域Θq以外初始附加副瓣抑制电平。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：若当前迭代次数inter<RΘq·MGΘq时，δinter q，
Figure FDA0002526528570000038
和
Figure FDA0002526528570000039
分别为第inter次迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界；当inter≥RΘq·MGΘq，δinter q，
Figure FDA00025265285700000310
和
Figure FDA00025265285700000311
取第
Figure FDA00025265285700000312
(
Figure FDA00025265285700000313
表示对X向下取整)次迭代时计算得到迭代时计算得到的主瓣半锥角，超低副瓣区域的实际下界和实际上界。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：第三步中的方向图EΘq通过下式进行修正：
Figure FDA00025265285700000314
即对辐射场方向图EΘq中大于目标辐射场方向图上界
Figure FDA00025265285700000315
的区域进行修正，得到修正后的辐射场方向图
Figure FDA0002526528570000041
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：对I′Θq的每个阵元激励an(n＝1～M)的幅度和相位通过下式进行修正从而得到可实现激励
Figure FDA0002526528570000042
Figure FDA0002526528570000043
其中，
Figure FDA0002526528570000044
Figure FDA0002526528570000045
Figure FDA0002526528570000046
其中
Figure FDA0002526528570000047
和
Figure FDA0002526528570000048
分别为可实现激励的归一化幅值最大值、最小值，
Figure FDA0002526528570000049
和
Figure FDA00025265285700000410
分别为可实现激励相位的最大值、最小值；bn为an的幅度修正值；arg(X)表示X的相位。
10.根据权利要求5或9所述的方法，其特征在于：所述的M满足M<<KΘq。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)具体通过下述方式实现：根据综合后的方向图
Figure FDA00025265285700000411
的实际超低副瓣区域，提取该区域外包络最小外接圆锥的半锥角
Figure FDA0002526528570000051
以及该区域内包络最大外接圆锥的半锥角
Figure FDA0002526528570000052
则超低副瓣区域Θ1的实际区域是以下界
Figure FDA0002526528570000053
上界
Figure FDA0002526528570000054
为内外边界的圆环区域；令
Figure FDA0002526528570000055
则当主波束俯仰方向扫描角
Figure FDA0002526528570000056
时使用激励
Figure FDA0002526528570000057
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中的对下一个处理区域Θq+1进行初始区域
Figure FDA0002526528570000058
的更新通过下述方式实现：
计算参数
Figure FDA0002526528570000059
若
Figure FDA00025265285700000510
则将
Figure FDA00025265285700000511
数值赋给
Figure FDA00025265285700000512
若
Figure FDA00025265285700000513
则
Figure FDA00025265285700000514
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112615158B (zh) * 2020-12-01 2022-01-28 厦门大学 超宽带扫描稀疏阵列天线的综合方法及装置
CN113054436B (zh) * 2021-03-10 2022-10-21 东南大学 一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法
CN113326471B (zh) * 2021-05-27 2022-12-09 哈尔滨工业大学 一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法
CN114337752B (zh) * 2021-12-30 2022-09-23 电子科技大学 基于三段式混合驱动的高效率副瓣抑制直线阵列天线
CN114578309B (zh) * 2022-04-06 2024-09-13 北京环境特性研究所 一种rcs测量背景电平抑制方法及装置

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007127561A (ja) * 2005-11-05 2007-05-24 Furuno Electric Co Ltd 超音波送受波器
JP2011124855A (ja) * 2009-12-11 2011-06-23 National Institute Of Information & Communication Technology 離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法
CN102859794A (zh) * 2009-10-22 2013-01-02 丰田自动车欧洲股份有限公司 具有稀疏占据的单元阵列的天线
CN103020363A (zh) * 2012-12-18 2013-04-03 哈尔滨工程大学 一种通过改善阵列波束方向图旁瓣特性设计天线的方法
CN103235292A (zh) * 2013-05-08 2013-08-07 西安电子科技大学 平面相控阵调零保形校正的全维和差测角方法
CN104518275A (zh) * 2013-09-27 2015-04-15 电子科技大学 一种x波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵
CN105205253A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 电子科技大学 一种稀布圆形天线阵列的优化方法
CN106154234A (zh) * 2016-07-07 2016-11-23 上海航天测控通信研究所 一种旁瓣对消方法及系统
CN106772276A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 南京信息工程大学 一种地球同步轨道圆迹sar水平面二维旁瓣抑制方法
CN107026686A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 南京理工大学 一种零陷跟踪干扰源的任意形状波束快速赋形方法
CN107275806A (zh) * 2017-05-19 2017-10-20 北京空间飞行器总体设计部 一种相控阵天线阵面加权方法
CN107766631A (zh) * 2017-10-10 2018-03-06 金陵科技学院 一种有效控制激励幅度动态范围的阵列天线优化方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09284035A (ja) * 1996-04-11 1997-10-31 Mitsubishi Electric Corp 車載レーダ用アンテナ装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007127561A (ja) * 2005-11-05 2007-05-24 Furuno Electric Co Ltd 超音波送受波器
CN102859794A (zh) * 2009-10-22 2013-01-02 丰田自动车欧洲股份有限公司 具有稀疏占据的单元阵列的天线
JP2011124855A (ja) * 2009-12-11 2011-06-23 National Institute Of Information & Communication Technology 離焦点フェーズドアレー給電反射鏡アンテナの低サイドローブマルチビーム用励振分布導出方法
CN103020363A (zh) * 2012-12-18 2013-04-03 哈尔滨工程大学 一种通过改善阵列波束方向图旁瓣特性设计天线的方法
CN103235292A (zh) * 2013-05-08 2013-08-07 西安电子科技大学 平面相控阵调零保形校正的全维和差测角方法
CN104518275A (zh) * 2013-09-27 2015-04-15 电子科技大学 一种x波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵
CN105205253A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 电子科技大学 一种稀布圆形天线阵列的优化方法
CN107026686A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 南京理工大学 一种零陷跟踪干扰源的任意形状波束快速赋形方法
CN106154234A (zh) * 2016-07-07 2016-11-23 上海航天测控通信研究所 一种旁瓣对消方法及系统
CN106772276A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 南京信息工程大学 一种地球同步轨道圆迹sar水平面二维旁瓣抑制方法
CN107275806A (zh) * 2017-05-19 2017-10-20 北京空间飞行器总体设计部 一种相控阵天线阵面加权方法
CN107766631A (zh) * 2017-10-10 2018-03-06 金陵科技学院 一种有效控制激励幅度动态范围的阵列天线优化方法

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