CN110600890A - 基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法及系统，属于微波技术领域，包括以下步骤：S1：口径场反演；S2：单元幅相补偿；S3：加权幅度优化；S4：合成远场方向图。在所述步骤S1和S4中，获取共形阵列天线平面进场数据与合成远场方向图所采用的方法均为分时数据合成的共形阵列测试方法。本发明适用于任意曲面共形阵列天线，大幅度提高了共形阵列天线低副瓣方向图综合效率，为共形阵列天线低副瓣方向图综合提供新途径，并且口径场反演将共形阵列优化转化为平面阵列优化，避免了交叉极化和相位中心不共面的繁琐求解过程，值得被推广使用。

Description

基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法及系统

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体涉及基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法及系统。

背景技术

共形天线指与某个表面共形的天线，其形状由其电磁特性之外的其他因素决定，如空气动力学和流体力学等。与平面相控阵天线相比，共形天线可提供宽角度覆盖；剖面低，不影响载体空气动力学性能；在节省载体有限空间的同时也增加了可用口径。

阵列天线方向图综合是指根据要求对天线系统进行设计，使该系统产生的方向图与所要求的方向图良好逼近。在雷达接收状态下，方向图低副瓣特性是重要指标之一。共形阵列天线工作时，当波束扫描至某一方向时，并非所有阵列单元对主波束均有贡献，因此需考虑选择部分阵列单元进行激励，以免增加副瓣电平和降低效率。选择时常根据阵列单元最大辐射方向与共形阵列最大辐射方向夹角确定该单元是否激励。

由阵列理论可知，若要获得理想的低副瓣天线方向图，需对阵列中的天线单元进行幅度加权、相位加权或密度加权。在线阵和平面阵中，常通过幅度加权来得到低副瓣，如泰勒加权。与传统平面相控阵天线不同，共形阵列天线各单元排布时未严格按水平方向排布，这导致了在空间某一方向上各单元辐射场的极化方向不相同，可能形成较大的交叉极化分量；另外各单元相位中心未处于同一平面上，因此各单元激励时所发射电磁波到达参考近场平面时存在幅度和相位差，该差值将导致低副瓣方向图较难实现，进而没有解析方法来获得低副瓣特性。投影口径综合法、交替投影算法和迭代最小二乘综合方法等陆续被提出，这些方法无法兼顾任意曲面特性和在理论设计、加工和实验研究中对各种因素全面的考虑。

对于基于优化理论的低副瓣综合方法，遗传算法、粒子群算法和模拟退火等全局搜索的算法获得了关注。这类算法具有随机选择初始值、鲁棒性好和避免陷入局部收敛等优点。但当上述方法应用于共形阵列的低副瓣方向图综合过程时，阵列中单元的相位和幅度均需设置为优化参数，优化效率低。为此，提出一种基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何有效地提高共形阵列低副瓣方向图综合的效率，提供了基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，该方法适用于任意曲面共形阵列天线，大幅度提高了共形阵列天线低副瓣方向图综合效率，为共形阵列天线低副瓣方向图综合提供新途径，并且口径场反演将共形阵列优化转化为平面阵列优化，避免了交叉极化和相位中心不共面的繁琐求解过程，值得被推广使用。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：口径场反演

获取共形阵列天线平面近场数据，对数据进行均匀法向加权叠加得到共形阵列天线平面进场数据；根据共形阵列天线扫描方向定义口径场平面，将共形阵列天线平面近场数据反演到口径场平面上，口径场反演将共形阵列优化转化为平面阵列优化，避免了交叉极化和相位中心不共面的繁琐求解过程，值得被推广使用；

S2：单元幅相补偿

根据各单元在口径场上的平面投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值，对每个单元进行幅相补偿，使所有单元辐射的电磁波到达口径场平面时幅相一致，各单元补偿的系数为：

根据所定义口径场平面获取共形阵列天线所产生电磁波在该平面上的电场数值，A_n为第n个单元补偿的系数，a_n为第n个单元在口径场平面上投影位置处电场的幅度数值，为第n个单元在口径场平面上投影位置处电场的相位数值；

S3：加权幅度优化

在各单元进行幅相补偿的基础上，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化，获得优化幅度；

S4：合成远场方向图

对各单元平面近场测试数据进行加权叠加，获得补偿后的共形阵列天线平面近场数据，再对该平面近场数据进行近远场变换获得低副瓣方向图，该方法适用于任意曲面共形阵列天线，大幅度提高了共形阵列天线低副瓣方向图综合效率，为共形阵列天线低副瓣方向图综合提供新途径，有效避免了理论应用于工程过程中误差导致的期望偏差：加工及装配误差导致实际生产的天线与仿真设计模型之间存在差异，本发明中认识到理论仿真在幅相补偿中存在的误差，通过近场测试过程检测并校准各单元的实际场值，并对各单元实际工作中存在的幅相不一致性进行修正补偿，避免了误差带来的期望偏差。

优选的，在所述步骤S1和S4中，获取共形阵列天线平面进场数据与合成远场方向图所采用的方法均为分时数据合成的共形阵列测试方法，所述分时数据合成的共形阵列测试方法是通过采集天线各单元平面近场数据，并根据共形阵列天线扫描状态对各单元平面近场数据进行合成获得阵列天线平面近场数据，最后对阵列天线平面进场数据进行近远场反演获得远场方向图。

优选的，在所述步骤S1中，所述口径场平面位于共形阵列天线前侧，所述口径场平面与共形阵列天线的共形曲面相切，并垂直于共形阵列天线的扫描方向。

优选的，在所述步骤S1中，将天线平面近场数据反演到口径场平面上的过程包括以下步骤：

S11：由傅里叶变换求出共形阵列天线发射场的平面波谱的切向分量；

S12：由傅里叶反变换求出共形阵列天线口径场平面的切向分量。

优选的，在所述步骤S2中，通过口径场平面切向分量数据检测各单元辐射性能一致性。

优选的，在所述步骤S3中，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化是利用遗传算法完成的。

优选的，所述遗传算法的适应度函数为共形阵列天线方向图副瓣值，所述遗传算法的优化参数为共形阵列天线各单元幅度值。

优选的，在所述步骤S4中，对各单元平面近场测试数据进行加权叠加的加权值包括单元补偿系数和优化幅度，所述单元补偿系数为各个单元进行幅相补偿时的系数，所述优化幅度为补偿后共形阵列天线幅度优化的最优幅度。

本发明还提供了基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合系统，包括：

反演模块，用于获取共形阵列天线平面近场数据，对数据进行均匀法向加权叠加得到共形阵列天线平面进场数据；根据共形阵列天线扫描方向定义口径场平面，将共形阵列天线平面近场数据反演到口径场平面上；

幅相补偿模块，用于根据各单元在口径场平面投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值，对每个单元进行幅相补偿，使所有单元辐射的电磁波到达口径场平面时幅相一致；

幅度优化模块，用于在各单元进行幅相补偿的基础上，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化，获得优化幅度；

方向图合成模块，用于对各单元平面近场测试数据进行加权叠加，获得补偿后的共形阵列天线平面近场数据，再对该平面近场数据进行近远场变换获得低副瓣方向图；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；

所述反演模块、幅相补偿模块、幅度优化模块、方向图合成模块均与中央处理模块电连接。

本发明相比现有技术具有以下优点：该基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法及系统，利用微波暗室近场采集系统，先将均匀加权的主极化平面近场数据反演到口径场平面，接着提取口径场平面各单元投影位置处的幅度和相位，再对各单元幅度和相位进行补偿使各单元在反演口径场平面上幅相一致，然后根据遗传算法对补偿后的阵列幅度进行优化获得最佳幅度，最后借助分时数据合成的共形阵列测试方法进行加权处理，获得低副瓣方向图，适用于任意曲面共形阵列天线，大幅度提高了共形阵列天线低副瓣方向图综合效率，为共形阵列天线低副瓣方向图综合提供新途径；并且口径场反演将共形阵列优化转化为平面阵列优化，避免了交叉极化和相位中心不共面的繁琐求解过程，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明方向图综合方法的总体流程图；

图2是本发明实施例二中方向图综合方法的实施流程图；

图3是本发明实施例二中3GHz处不加权时阵列天线的方位面水平极化方向图；

图4是本发明实施例二中3GHz处由遗传算法所得不扫描时方位面水平极化方向图；

图5是本发明实施例二中3GHz补偿后不扫描时阵列天线方位面水平极化方向图；

图6是本发明实施例三中3.5GHz处不加权时阵列天线俯仰扫描45度时俯仰面水平极化方向图；

图7是本发明实施例三中3.5GHz处由遗传算法所得俯仰扫描45度时俯仰面水平极化方向图；

图8是本发明实施例三中3.5GHz补偿后阵列天线俯仰扫描45度时水平极化方向图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1所示，为本发明方向图综合方法的总体流程图，本实施例提供一种技术方案：基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，包括以下步骤：

S1：口径场反演

获取共形阵列天线平面近场数据，对数据进行均匀法向加权叠加得到共形阵列天线平面进场数据，根据共形阵列天线扫描方向定义口径场平面，将共形阵列天线平面近场数据反演到口径场平面上，口径场反演将共形阵列优化转化为平面阵列优化，避免了交叉极化和相位中心不共面的繁琐求解过程，值得被推广使用；

S2：单元幅相补偿

根据各单元在口径场上的平面投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值，对每个单元进行幅相补偿，使所有单元辐射的电磁波到达口径场平面时幅相一致，各单元补偿的系数为：

根据所定义口径场平面获取共形阵列天线所产生电磁波在该平面上的电场数值，A_n为第n个单元补偿的系数，a_n为第n个单元在口径场平面上投影位置处电场的幅度数值，为第n个单元在口径场平面上投影位置处电场的相位数值；

S3：加权幅度优化

在各单元进行幅相补偿的基础上，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化，获得优化幅度；

S4：合成远场方向图

对各单元平面近场测试数据进行加权叠加，获得补偿后的共形阵列天线平面近场数据，再对该平面近场数据进行近远场变换获得低副瓣方向图，该方法适用于任意曲面共形阵列天线，大幅度提高了共形阵列天线低副瓣方向图综合效率，为共形阵列天线低副瓣方向图综合提供新途径，有效避免了理论应用于工程过程中误差导致的期望偏差：加工及装配误差导致实际生产的天线与仿真设计模型之间存在差异，本实施例中认识到理论仿真在幅相补偿中存在的误差，通过近场测试过程检测并校准各单元的实际场值，并对各单元实际工作中存在的幅相不一致性进行修正补偿，避免了误差带来的期望偏差。

在所述步骤S1和S4中，获取共形阵列天线平面进场数据与合成远场方向图所采用的方法均为分时数据合成的共形阵列测试方法，所述分时数据合成的共形阵列测试方法是通过采集天线各单元平面近场数据，并根据共形阵列天线扫描状态对各单元平面近场数据进行合成获得阵列天线平面近场数据，最后对阵列天线平面进场数据进行近远场反演获得远场方向图。

在所述步骤S1中，所述口径场平面位于共形阵列天线前侧，所述口径场平面与共形阵列天线的共形曲面相切，并垂直于共形阵列天线的扫描方向。

在所述步骤S1中，将天线平面近场数据反演到口径场平面上的过程包括以下步骤：

S11：由傅里叶变换求出共形阵列天线发射场的平面波谱的切向分量；

S12：由傅里叶反变换求出共形阵列天线口径场平面的切向分量。

在所述步骤S2中，通过口径场平面切向分量数据检测各单元辐射性能一致性。

在所述步骤S3中，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化是利用遗传算法完成的，所述遗传算法是具有固定种群规模、个体用固定长度基因链的抽象模型根据适应度来随机地选择双亲，并按交叉和变异算子来产生新的种群，依次不断进化计算的一种算法。

所述遗传算法的适应度函数为共形阵列天线方向图副瓣值，所述遗传算法的优化参数为共形阵列天线各单元幅度值。

在所述步骤S4中，对各单元平面近场测试数据进行加权叠加的加权值包括单元补偿系数和优化幅度，所述单元补偿系数为各个单元进行幅相补偿时的系数，所述优化幅度为补偿后共形阵列天线幅度优化的最优幅度。

本实施例还提供了基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合系统，包括：

反演模块，用于获取共形阵列天线平面近场数据，对数据进行均匀法向加权叠加得到共形阵列天线平面进场数据，根据共形阵列天线扫描方向定义口径场平面，将共形阵列天线平面近场数据反演到口径场平面上；

幅相补偿模块，用于根据各单元在口径场平面投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值，对每个单元进行幅相补偿，使所有单元辐射的电磁波到达口径场平面时幅相一致；

幅度优化模块，用于在各单元进行幅相补偿的基础上，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化，获得优化幅度；

方向图合成模块，用于对各单元平面近场测试数据进行加权叠加，获得补偿后的共形阵列天线平面近场数据，再对该平面近场数据进行近远场变换获得低副瓣方向图；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；

所述反演模块、幅相补偿模块、幅度优化模块、方向图合成模块均与中央处理模块电连接。

实施例二

本实施中使用基于口径场反演的任意曲面共形阵列低副瓣方向图综合方法对某共形阵列天线进行优化，该共形曲面截取自某飞机机翼，天线工作于2.5GHz～3GHz频段，阵面规模为18(方位)*8(俯仰)，天线极化方向为水平极化。要求不扫描时方位面副瓣电平低于-30dB。

如图2所示，图2为本实施例中共形阵列低副瓣方向图综合方法的实施流程图。首先，在微波暗室中完成天线架设，借助平面近场采集系统和多通道开关分别采集各单元单独激励时平面近场数据。接着进行法向方向图合成，对近场数据进行均匀加权叠加获得阵列平面近场数据，通过近远场变换可得远场方向图。

如图3所示，为3GHz处不加权时阵列天线的方位面水平极化方向图。

再将合成的平面近场数据反演到口径场平面，并根据各单元在口径场上的平面投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值。使用补偿系数对各单元幅度和相位进行补偿。

如图4所示，为3GHz处由遗传算法所得不扫描时方位面水平极化方向图。然后使用遗传算法对共形阵列天线的法向方向图副瓣进行优化，获得优化幅度。

如图5所示，为3GHz补偿后不扫描时阵列天线方位面水平极化方向图。最后，根据补偿系数和优化幅度对上述所采集的各单元平面近场数据进行叠加，获得补偿后阵列平面近场数据，最后利用分时数据合成的测试方法进行近远场变换从而获得远场方向图。

实施例三

本实施例所选的共形曲面截取自某飞机机身，天线工作于3.2GHz～3.5GHz频段，阵面规模为6(方位)*16(俯仰)，天线极化方向为水平极化。要求俯仰扫描45度时俯仰面副瓣电平低于-30dB。

如图6所示，为3.5GHz处不加权时阵列天线俯仰扫描45度时俯仰面水平极化方向图。首先，在微波暗室中借助多通道开关完成各单元单独激励时平面近场数据的采集，接着进行俯仰扫描45度平面近场数据合成，通过近远场变换获得远场方向图。

再选取垂直于共形阵列天线扫描方向的口径场平面，将合成的平面近场数据反演到口径场平面，并根据各单元的口径场幅度和相位值对各单元幅度和相位进行补偿。

如图7所示，为3.5GHz处由遗传算法所得俯仰扫描45度时俯仰面水平极化方向图。使用遗传算法对共形阵列天线的法向方向图副瓣进行优化，获得优化幅度。

如图8所示，为3.5GHz补偿后阵列天线俯仰扫描45度时俯仰面水平极化方向图。根据补偿系数和优化幅度对上述所采集的各单元平面近场数据进行叠加，获得补偿后阵列平面近场数据，最后利用分时数据合成的测试方法进行近远场变换从而获得远场方向图。

综上所述，上述三组实施例中的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法及系统，先将均匀加权的主极化平面近场数据反演到口径场平面，接着提取口径场平面各单元投影位置处的幅度和相位，再对各单元幅度和相位进行补偿使各单元在反演口径场平面上幅相一致，然后根据遗传算法对补偿后的阵列幅度进行优化获得最佳幅度，最后借助分时数据合成的共形阵列测试方法进行加权处理，获得低副瓣方向图，适用于任意曲面共形阵列天线，大幅度提高了共形阵列天线低副瓣方向图综合效率，为共形阵列天线低副瓣方向图综合提供新途径；并且口径场反演将共形阵列优化转化为平面阵列优化，避免了交叉极化和相位中心不共面的繁琐求解过程，值得被推广使用。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：口径场反演

获取共形阵列天线平面近场数据，对数据进行均匀法向加权叠加得到共形阵列天线平面进场数据；根据共形阵列天线扫描方向定义口径场平面，将共形阵列天线平面近场数据反演到口径场平面上；

S2：单元幅相补偿

根据各单元在口径场平面的投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值，对每个单元进行幅相补偿，使所有单元辐射的电磁波到达口径场平面时幅相一致，各单元补偿的系数为：

根据所定义口径场平面获取共形阵列天线所产生电磁波在该平面上的电场数值，A_n为第n个单元补偿的系数，a_n为第n个单元在口径场平面上投影位置处电场的幅度数值，为第n个单元在口径场平面上投影位置处电场的相位数值；

S3：加权幅度优化

在各单元进行幅相补偿的基础上，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化，获得优化幅度；

S4：合成远场方向图

对各单元平面近场测试数据进行加权叠加，获得补偿后的共形阵列天线平面近场数据，再对该平面近场数据进行近远场变换获得低副瓣方向图。

2.根据权利要求1所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于：在所述步骤S1和S4中，获取共形阵列天线平面进场数据与合成远场方向图所采用的方法均为分时数据合成的共形阵列测试方法，所述分时数据合成的共形阵列测试方法是通过采集天线各单元平面近场数据，并根据共形阵列天线扫描状态对各单元平面近场数据进行合成获得阵列天线平面近场数据，最后对阵列天线平面进场数据进行近远场反演获得远场方向图。

3.根据权利要求1所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述口径场平面位于共形阵列天线前侧，所述口径场平面与共形阵列天线的共形曲面相切，并垂直于共形阵列天线的扫描方向。

4.根据权利要求1所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将天线平面近场数据反演到口径场平面上的过程包括以下步骤：

S11：由傅里叶变换求出共形阵列天线发射场的平面波谱的切向分量；

S12：由傅里叶反变换求出共形阵列天线口径场平面的切向分量。

5.根据权利要求4所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于：在所述步骤S2中，通过口径场平面切向分量数据检测各单元辐射性能一致性。

6.根据权利要求1所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于：在所述步骤S3中，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化是利用遗传算法完成的。

7.根据权利要求6所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于：所述遗传算法的适应度函数为共形阵列天线方向图副瓣值，所述遗传算法的优化参数为共形阵列天线各单元幅度值。

8.根据权利要求1所述的基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合方法，其特征在于：在所述步骤S4中，对各单元平面近场测试数据进行加权叠加的加权值包括单元补偿系数和优化幅度，所述单元补偿系数为各个单元进行幅相补偿时的系数，所述优化幅度为补偿后共形阵列天线幅度优化的最优幅度。

9.基于口径场反演的共形阵列低副瓣方向图综合系统，使用如权利要求1～8任一项所述的方向图综合方法进行共形阵列低副瓣方向图综合工作，其特征在于，包括：

反演模块，用于获取共形阵列天线平面近场数据，对数据进行均匀法向加权叠加得到共形阵列天线平面进场数据；根据共形阵列天线扫描方向定义口径场平面，将共形阵列天线平面近场数据反演到口径场平面上；

幅相补偿模块，用于根据各单元在口径场平面投影位置得到各单元的口径场幅度和相位值，对每个单元进行幅相补偿，使所有单元辐射的电磁波到达口径场平面时幅相一致；

幅度优化模块，用于在各单元进行幅相补偿的基础上，对共形阵列天线方向图副瓣进行优化，获得优化幅度；

方向图合成模块，用于对各单元平面近场测试数据进行加权叠加，获得补偿后的共形阵列天线平面近场数据，再对该平面近场数据进行近远场变换获得低副瓣方向图；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；

所述反演模块、幅相补偿模块、幅度优化模块、方向图合成模块均与中央处理模块电连接。