CN111123229A - 基于电性能幅值加权的阵元安装位置的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电性能幅值加权的阵元安装位置的测量方法。针对有源相控阵雷达阵元的安装位置，计算了阵列不同区域安装位置精度影响，划分子阵并确定各子阵的采样数量，根据雷达整体阵列的装配结构划分一级子阵并选取关键特征子阵；根据各关键特征子阵的幅值等高线包围盒确定二级子阵；采用幅值均方值与阵元数量相结合的加权方法确定各二级子阵的采样数量，获取组成一级子阵样本，建立各一级子阵的模型，进而估计整体阵列的离散精度并以此处理获得雷达电性能。在相同的采样数量下，本发明方法的增益计算精度比普通采样方法提高了1％，并且近区副瓣形状更准确。

Description

基于电性能幅值加权的阵元安装位置的测量方法

技术领域

本发明涉及了一种有源相控阵雷达的阵元参数测量方法，尤其是涉及一种基于电性能幅值加权的有源相控阵雷达阵元安装位置的测量方法。

背景技术

有源相控阵雷达阵列阵元的安装位置精度是影响雷达电性能的关键因素之一，阵元的位置及指向偏差会严重降低雷达的增益、指向性等电性能指标，并抬高雷达的副瓣电平。

目前国内外学者针对阵元安装位置精度采样问题开展了一系列研究，例如杨宁芳于2006年在《电子机械工程》(22(5):42-45)上发表的论文“平行板波导微带阵列天线单元装配及总装技术”将天线阵面按工作姿态放置在安装平台上并在天线阵面上分布测量点，用双电子经纬仪逐点检测后获取阵面平面度误差；梅启元于2014年在《电子机械工程》(30(6):36-39)上发表的论文“一种大型相控阵雷达阵面的安装调整方法”将大型阵面分解成若干个具有相同功能、相同结构形式的模块然后采用光学仪器对体积小、重量轻的模块进行测量，指导阵面的安装调整；Tore Lindgren于2012年在《International Journal ofAntennas and Propagation》(2012:1-8)上发表的论文“A Measurement System for thePosition and Phase Errors of the Elements in an Antenna Array Subject toMutual Coupling”提出了一种通过四个探针测量雷达远场方向图以及散射矩阵，进而估计阵列单元安装位置偏差与相位偏差的方法；这些方法的缺点一方面是工作量巨大，对设备的要求较高，另一方面，没有考虑阵面不同区域的安装位置偏差对雷达电性能的影响并不相同，只是对所有阵元进行均匀采样。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于电性能幅值加权的阵元安装位置的测量方法。本发明以电性能仿真计算为目标，对电性能敏感区域进行密集采样，对电性能不敏感区域则进行稀疏采样，在减轻阵元的采样工作量的同时，准确估计全体阵元的安装位置精度，得到精确的电性能结果和安装位置精度结果。

本发明所采用的技术方案是：

(1)基于阵列装配结构划分一级子阵：

有源相控阵雷达的阵面由多个子阵拼接而成，子阵是由多个阵元阵列构成，各子阵的安装位置及电参数各不相同，电参数是指子阵的阵元的幅值和相位，将各子阵作为一级子阵A_i，构成一级子阵集合：

其中，A是有源相控阵雷达的阵面，A_i是各一级子阵，m表示一级子阵；

(2)从全部一级子阵集合中选取关键特征子阵：

比较每两个一级子阵的电参数相似性，选取电参数相似性高于预设阈值的子阵中的任一个作为关键特征子阵，对关键特征子阵进行采样并后续处理，其余的一级子阵不进行采样，选取关键特征子阵后的集合B记为：

B＝tA_i+...+lA_k

其中，A_i是第i个一级子阵被选取为关键特征子阵，t表示与第i个关键特征子阵A_i相似的且包含本身的一级子阵的数量，A_k是第k个一级子阵被选取为关键特征子阵，l表示与第k个关键特征子阵A_k相似的且包含本身的一级子阵的数量；

(3)基于阵元幅值将关键特征子阵划分为二级子阵：

针对每一个关键特征子阵，根据关键特征子阵中的阵元电参数的幅值绘制幅值等高线图，幅值等高线图按照阵元排布同样绘制，阵元的电参数的幅值相同的用等高线连接起来，从幅值等高线图的左上角位置的阵元开始向中心位置的阵元搜索，每隔N个阵元间隔的距离取一条幅值等高线，提取各条幅值等高线的矩形包围盒，由矩形包围盒确定二级子阵；并且，幅值等高线图中最大矩形包围盒以外的剩余部分均匀划分为多块，每块也作为二级子阵；

从而将关键特征子阵划分为多个二级子阵，表示为：

其中，A_ij表示第i个关键特征子阵的第j个二级子阵；

(4)确定各二级子阵的采样数量：

计算各二级子阵中所有阵元的幅值均方值，采用幅值均方值与阵元数量相结合的加权方法确定各二级子阵的采样权重系数，二级子阵A_ij的采样权重系数为：

其中，α_ij表示第i个关键特征子阵的第j个二级子阵的采样权重系数；M_sub为所有二级子阵A_ij的阵元数量，

M_ij表示单个二级子阵A_ij的阵元数量，Amp²为所有二级子阵A_ij的幅值均方值，

为单个二级子阵A_ij的幅值均方值，β为加权系数，根据子阵幅值分布确定，通常取值0.5；

在根据预先设定的总采样数量采用以下公式确定各二级子阵A_ij的采样数量为：

Q_ij＝α_ijQ

其中，Q为根据实际需求预先设定的总采样数量，Q_ij表示第i个关键特征子阵的第j个二级子阵的采样数量；

(5)构建各一级子阵的阵元安装位置精度统计模型：

根据步骤(4)设定的各个二级子阵的采样数量Q_ij进行随机采样获得每个二级子阵的采样阵元，由所有二级子阵的采样阵元的安装位置合并构成一级子阵样本；采用最大似然估计方法建立阵元安装位置精度多元正态分布模型，利用一级子阵样本对阵元安装位置精度多元正态分布模型进行训练，从而建立各一级子阵的统计学模型，进而估计有源相控阵雷达的阵面的阵元安装位置精度；

本发明的样本是阵元的指安装位置。

(6)利用阵元安装位置精度多元正态分布模型生成所有一级子阵的样本，进而利用生成的所有一级子阵的样本进行电性能仿真处理，分析获得有源相控阵雷达的电性能结果，电性能例如增益损失、副瓣电平和指向偏差电性能，根据电性能结果获得阵元安装位置。

所述的步骤(3)中，由矩形包围盒确定二级子阵，具体是：由每两条内外相邻的幅值等高线对应矩形包围盒之间的幅值等高线图中的阵元构成一个二级子阵，且由最中间的幅值等高线对应矩形包围盒内的幅值等高线图中的阵元构成一个二级子阵，由此构成了多个二级子阵。

所述步骤(6)中，根据电性能结果获得阵元安装位置，具体为：

其中，F表示电性能远场方向图，具体是以远场方向图作为电性能结果，其中可以获取包含增益损失、副瓣电平等参数用于实际位置计算，a_l表示阵元的幅值相位，J表示虚数单位，λ表示波长，

表示空间角度，(x_l,y_l,z_l)表示第l个阵元的实际位置坐标。

本发明方法针对有源相控阵雷达阵元的安装位置精度采样，计算了阵列不同区域安装位置精度对整体电性能的影响，以此划分子阵并确定各子阵的采样数量。首先根据雷达整体阵列的装配结构划分一级子阵并选取关键特征子阵；然后根据各关键特征子阵的幅值等高线包围盒确定二级子阵；采用幅值均方值与阵元数量相结合的加权方法确定各二级子阵的采样数量，获取各二级子阵离散阵元安装位置精度样本，将其合并组成一级子阵样本，建立各一级子阵的统计学模型，进而估计整体阵列的离散精度并以此计算雷达电性能。

本发明根据步骤(2)选取的关键特征子阵能完整地继承整体阵列的安装位置精度分布特征，大大减轻了采样工作量。

本发明根据步骤(3)划分的二级子阵与有源相控阵雷达的阵元阵列的机械结构无关，而是基于阵元幅值实现了有源相控阵雷达的阵元阵列的分域分块，更符合不同区域阵元对阵列整体电性能影响不同的实际。

本发明根据步骤(4)确定的各二级子阵采样权重系数综合考虑了二级子阵的阵元数量与幅值均方值两个因素，能准确反映阵元功率，即幅值均方值，对整体阵列电性能的影响。

本发明具有有益效果是：

1)本发明在全部一级子阵中选取的关键特征子阵能完整集成整体阵列的安装位置精度分布特征，大大减轻了采样和数据处理的工作量；

2)本发明利用阵元幅值划分的二级子阵反映了阵列不同区域对阵列电性能的影响不同，二级子阵的采样权重系数则反映了阵元幅值对采样密度的影响，将最终估计的全体阵元安装位置精度用于电性能仿真，计算结果更准确。

与传统的均匀采样方法相比，在相同的采样数量下，本发明方法的增益计算精度比普通采样方法提高了1％，并且近区副瓣形状更准确。

附图说明

图1是本发明方法的采样流程图。

图2是平面相控阵阵面结构。

图3是相控阵的幅值分布图。

图4是一级子阵划分结果示意图。

图5是选取的关键特征子阵。

图6是二级子阵划分结果示意图。

图7是各二级子阵采样情况示意图。

图8是分域分块采样、普通采样及全阵元测量后计算得到的相控阵远场方向图。

表1是相似性矩阵。

具体实施方式

下面结合某x波段有源相控阵对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施的流程过程见图1所示，包括以下过程：

(1)基于阵列装配结构划分一级子阵：大型有源相控阵雷达的阵面由多个子阵拼接而成，各子阵安装位置及电性能各不相同，将各子阵编号。

(2)从全部一级子阵集合中选取关键特征子阵：建立一级子阵相似性矩阵，如表1所示，比较各一级子阵的相似性选取关键特征子阵。

表1

(3)基于阵元幅值将关键特征子阵划分为二级子阵：获取各关键特征子阵的阵元幅值，取多条水平投影间隔近似均匀的幅值等高线；根据幅值等高线的矩形包围盒确定中心二级子阵，剩余部分均匀划分为边缘二级子阵。

(4)确定各二级子阵的采样数量：计算各二级子阵的幅值均方值，采用幅值均方值与阵元数量相结合的加权方法确定各二级子阵的采样权重系数，根据总采样数量确定各二级子阵样本大小。

(5)构建各一级子阵的阵元安装位置精度统计模型：获取各二级子阵离散阵元安装位置精度样本，将其合并组成一级子阵样本，建立各一级子阵的统计学模型，进而估计整体阵列的阵元安装位置精度。

(6)然后根据步骤(5)中估计的全体阵元安装位置精度建立电学模型并进行电性能仿真计算，分析其增益损失、副瓣电平以及指向偏差电性能。

实施例：

采用的60x60相控阵为平面相控阵，如图2所示

(1)基于阵列装配结构划分一级子阵并编号：阵列的整体阵面由9个方形子阵拼接组成，依据其装配结构将其分为9个一级子阵，如图4所示。

(2)从全部一级子阵集合中选取关键特征子阵：采用表1的形式建立一级子阵相似性矩阵。

比较各一级子阵的相似性选取了4个关键特征子阵，重新编号之后阵列变为A＝A₁+2A₂+2A₃+4A₄，如图5所示。

(3)基于阵元幅值将关键特征子阵划分为二级子阵：阵列的幅值加权方式为道尔夫-切比雪夫加权，阵元间距为1.5倍波长，阵元初始相位相同，其幅值等高线如图3所示。根据幅值等高线的矩形包围盒确定中心二级子阵，剩余部分均匀划分为边缘二级子阵，结果如图6所示。

(4)确定各二级子阵的采样数量并确定采样点：计算各二级子阵的幅值均方值，采用幅值均方值与阵元数量相结合的加权方法确定各二级子阵的采样权重系数，根据总采样数量确定各二级子阵样本大小，如图7所示。

β取值0.5，计算出各二级子阵的采样权重系数为：

二级子阵A_ij的采样数量为：

(5)构建各一级子阵的阵元安装位置精度统计模型并估计全体阵元的安装位置精度。

(6)根据图7中的坐标数据建立电学模型并进行电性能仿真计算，分析其增益损失、副瓣电平以及指向偏差电性能，结果表明本发明提出的分域分块采样方法精确高效，如图8所示。

Claims (3)

1.一种基于电性能幅值加权的阵元安装位置的测量方法，包括步骤：

(1)基于阵列装配结构划分一级子阵：

有源相控阵雷达的阵面由多个子阵拼接而成，子阵是由多个阵元阵列构成，各子阵的安装位置及电参数各不相同，将各子阵作为一级子阵A_i，构成一级子阵集合：

其中，A是有源相控阵雷达的阵面，A_i是各一级子阵，m表示一级子阵；

(2)从全部一级子阵集合中选取关键特征子阵：

比较每两个一级子阵的电参数相似性，选取电参数相似性高于预设阈值的子阵中的任一个作为关键特征子阵，对关键特征子阵进行采样并后续处理，其余的一级子阵不进行采样，选取关键特征子阵后的集合B记为：

B＝tA_i+...+lA_k

其中，A_i是第i个一级子阵被选取为关键特征子阵，t表示与第i个关键特征子阵A_i相似的一级子阵的数量，A_k是第k个一级子阵被选取为关键特征子阵，l表示与第k个关键特征子阵A_k相似的一级子阵的数量；

(3)基于阵元幅值将关键特征子阵划分为二级子阵：

针对每一个关键特征子阵，根据关键特征子阵中的阵元电参数的幅值绘制幅值等高线图，从幅值等高线图的左上角位置的阵元开始向中心位置的阵元搜索，每隔N个阵元间隔的距离取一条幅值等高线，提取各条幅值等高线的矩形包围盒，由矩形包围盒确定二级子阵；并且，幅值等高线图中最大矩形包围盒以外的剩余部分均匀划分为多块，每块也作为二级子阵；

从而将关键特征子阵划分为多个二级子阵，表示为：

其中，A_ij表示第i个关键特征子阵的第j个二级子阵；

(4)确定各二级子阵的采样数量：

计算各二级子阵中所有阵元的幅值均方值，采用幅值均方值与阵元数量相结合的加权方法确定各二级子阵的采样权重系数，二级子阵A_ij的采样权重系数为：

其中，α_ij表示第i个关键特征子阵的第j个二级子阵的采样权重系数；M_sub为所有二级子阵A_ij的阵元数量，

M_ij表示单个二级子阵A_ij的阵元数量，Amp²为所有二级子阵A_ij的幅值均方值，

为单个二级子阵A_ij的幅值均方值，β为加权系数；

在根据预先设定的总采样数量采用以下公式确定各二级子阵A_ij的采样数量为：

Q_ij＝α_ijQ

其中，Q为根据实际需求预先设定的总采样数量，Q_ij表示第i个关键特征子阵的第j个二级子阵的采样数量；

(5)构建各一级子阵的阵元安装位置精度统计模型：

根据步骤(4)设定的各个二级子阵的采样数量Q_ij进行随机采样获得每个二级子阵的采样阵元，由所有二级子阵的采样阵元的安装位置合并构成一级子阵样本；采用最大似然估计方法建立阵元安装位置精度多元正态分布模型，利用一级子阵样本对阵元安装位置精度多元正态分布模型进行训练；

(6)利用阵元安装位置精度多元正态分布模型生成所有一级子阵的样本，进而利用生成的所有一级子阵的样本进行电性能仿真处理，分析获得有源相控阵雷达的电性能结果，根据电性能结果获得阵元安装位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于电性能幅值加权的阵元安装位置精度的测量方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，由矩形包围盒确定二级子阵，具体是：由每两条内外相邻的幅值等高线对应矩形包围盒之间的阵元构成一个二级子阵，且由最中间的幅值等高线对应矩形包围盒内的阵元构成一个二级子阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于电性能幅值加权的阵元安装位置精度的测量方法，其特征在于：所述步骤(6)中，根据电性能结果获得阵元安装位置，具体为：

其中，F表示电性能远场方向图，a_l表示阵元的幅值相位，J表示虚数单位，λ表示波长，

表示空间角度，(x_l,y_l,z_l)表示第l个阵元的实际位置坐标。

Images