CN111695240B - 用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法和系统 - Google Patents

用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法和系统 Download PDF

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CN111695240B CN202010413891.9A CN202010413891A CN111695240B CN 111695240 B CN111695240 B CN 111695240B CN 202010413891 A CN202010413891 A CN 202010413891A CN 111695240 B CN111695240 B CN 111695240B
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Abstract

本发明提供了一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法和系统，首先构建子波束模型；计算对应阵面方位角下的波束宽度因子、更新子波束模型参数；然后分别计算4个偏置子波束增益；最后合成非圆波束天线方向图。本发明提供了一种通用、可调参的非圆波束天线方向图仿真建模方法，能够广泛应用于各类仿真试验中的天线模块建模仿真。

Description

用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法和系统
技术领域
本发明涉及仿真建模技术领域，具体地，涉及一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法和系统。
背景技术
仿真技术作为一种可以客观分析现有系统运行状态和评价现有设计系统性能的技术手段，在很多领域的发展中起到极为重要的促进作用。通过对军事装备进行仿真建模，运行装备仿真模型并分析交战仿真过程中的试验数据，可以对装备的作战效能进行评估。利用仿真技术可以大大减少实际装备外场试验的次数，从而降低研制成本并缩短研制周期。
为了利用仿真技术对雷达或电子对抗装备进行作战效能评估，需要对雷达或电子对抗装备进行仿真建模。天线是雷达和电子对抗装备收发电磁信号的关键模块，无论是数学还是半实物仿真试验系统中都需要用到相关装备的天线方向图；天线方向图仿真的逼真度在很大程度上影响仿真试验结果的可信度。因此，天线方向图建模技术是雷达或电子对抗设备建模仿真中的一项关键技术，描述天线增益和波束形状等特性，为仿真中的装备模型提供天线方向图特性。
现代雷达和电子对抗装备广泛采用波束方位宽度与俯仰宽度不一致的非圆波束天线方向图，采用传统的圆波束天线方向图虽然也能在一定程度上反映天线的空域滤波特性，但明显与真实情况存在不符。
与本申请相关的现有技术是专利文献CN107329003B，公开了一种优化SAR天线方向图测试的方法，其包括以下步骤：步骤一，首先根据电磁场理论建立有源相控阵天线方向图计算数学模型；步骤二，完成有源相控阵天线基础数据的获取和计算，根据设计要求和工程可实现性完成SAR天线所有波位天线幅相加权系数的计算和存储工作；步骤三，在平面近场测试系统环境下，利用近场测试方法获取天线阵面不同位置处的天线子阵方向图。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法和系统。
根据本发明提供的一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，包括：
步骤S1：构建子波束模型；
步骤S2：计算子波束宽度因子；
步骤S3：更新子波束模型的模型参数；
步骤S4：计算偏置子波束增益；
步骤S5：合成非圆波束天线方向图。
优选地，所述非圆波束天线方位图不限定为方位向波束宽度、俯仰向波束宽度一致，能够根据实际需要调整方位向波束宽度、俯仰向波束宽度，合成与实际需要相适应的天线波束。
优选地，所述步骤S1中，根据相控阵天线波束扫描过程中方向图变化规律，用三个辛格(Sa(x))函数的组合来分段模拟相控阵天线子波束方向图的仿真模型G(α',β',θ0)如下所示：
Figure SMS_1
其中,(α'，β')表示在指向方位坐标系下的目标方向；
θ0表示在阵面球坐标系下的波束中心的俯仰角；
A表示在波束指向阵面法向时的最大增益值；
B表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣的增益值；
C表示在波束指向阵面法向时的第一零点增益；
B0表示在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
α1表示在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
α2表示在波束指向阵面法向时的第二零点所在角度；
x0表示方程sinx0＝0.707x0的解；
x1表示方程
Figure SMS_2
的解；
x2表示方程
Figure SMS_3
的解；
Δ表示为指向方位坐标系中，目标位置(α',β')与波束指向(α0,β0)的夹角；
Figure SMS_4
K0表示相控阵天线波束增益随扫描角变化的控制因子，K0＝cos(θ0)；
M0表示相控阵天线波束随扫描角展宽控制因子，
Figure SMS_5
p表示加权系数，
Figure SMS_6
优选地，所述步骤S2中，计算对应方位角下的子波束宽度因子，方位角为θ时子波束宽度因子Coeffθ计算方法如下：
Figure SMS_7
Figure SMS_8
θ表示天线阵面球坐标系方位角；
θA表示天线方向图方位波束宽度，可根据需求调整；
θE表示天线方向图俯仰波束宽度，可根据需求调整；
θAE表示方位角为θ时天线方向图波束宽度。
优选地，所述步骤S3中，所述更新子波束模型的模型参数方法如下：
B'0＝B0*Coeffθ；
α′1＝α1*Coeffθ；
α′1.5＝α1.5*Coeffθ；
α'2＝α2*Coeffθ；
其中，B0表示在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
Coeffθ表示方位角为θ时子波束宽度因子；
α1表示在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
α2表示在波束指向阵面法向时的第二零点所在角度；
B'0、α′1、α′1.5、α'2分别表示更新后的模型参数。
优选地，所述步骤S4中分别计算四个偏置子波束增益。
优选地，所述步骤S4中，令合成波束指向为O，四个偏置子波束分别指向O1、O2、 O3、O4，其中方位偏置角为Δ1，俯仰偏置角为Δ2；
四个偏置子波束的中心指向分别为：
O1:(-Δ1,Δ2)、O2:(Δ1,Δ2)、O3:(-Δ1,-Δ2)、O4:(Δ1,-Δ2)；
待照射目标在四个偏置子波束中的增益分别为：
So1＝G(θo1)、So2＝G(θo2)、So3＝G(θo3)、So4＝G(θo4)
其中，θo1、θo2、θo3、θo4分别表示目标与偏置子波束1、子波束2、子波束3、子波束4的夹角，待照射目标是天线波束照射对象。
优选地，所述步骤5中，合成非圆波束天线方向图依据下式：
S∑＝So1+So2+So3+So4；
S∑表示合成波束方向图。
优选地，配置方位向波束宽度2.2度，俯仰向波束宽度4.4度。
根据本发明提供的一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模系统，包括：
模块S1：构建子波束模型；
模块S2：计算子波束宽度因子；
模块S3：更新子波束模型的模型参数；
模块S4：计算偏置子波束增益；
模块S5：合成非圆波束天线方向图。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，解决了非圆波束天线建模仿真的需求；
2、本发明构建的天线方向图模型的方位、俯仰波束宽度可以根据实际需要调整，适用范围极大扩展。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的非圆波束天线方向图建模仿真流程图；
图2为传统圆波束与实施例非圆波束天线方向图增益随方位角的变化规律的仿真结果图；
图3为传统圆波束与实施例非圆波束天线方向图增益随俯仰角的变化规律的仿真结果图；
图4为计算子波束宽度因子示意图；
图5为计算偏置子波束增益示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种波束方位宽度与俯仰宽度可根据需要进行配置的非圆波束天线方向图仿真建模方法，更加逼真的对天线空域滤波特性进行仿真，提高雷达或电子对抗装备仿真试验的可信度。从非圆天线波束的刚性需求入手，突破传统圆波束天线方向图方位、俯仰波束宽度必须一致的限制，实现一种方位、俯仰波束宽度可按需配置的非圆波束天线方向图构建方法。
实施例1
针对仿真试验中大量存在的非圆波束天线方向图建模仿真问题，本发明提出了一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其目的在于构建一种通用，波束方位宽度和俯仰宽度可根据需要配置的天线方向图模型。
本发明采用如下方案实现非圆波束天线方向图建模：
步骤一、构建子波束模型；
步骤二、计算子波束宽度因子；
步骤三、更新子波束模型参数；
步骤四、计算偏置子波束增益；
步骤五、合成非圆波束方向图。
进一步，上述步骤一中所述构建子波束模型方法如下：
根据上述分析的相控阵天线波束扫描过程中方向图变化规律，用三个辛格(Sa(x)) 函数的组合来分段模拟相控阵天线子波束方向图的仿真模型如下所示：
Figure SMS_9
其中
(α'，β')——在指向方位坐标系下的目标方向；
θ0——在阵面球坐标系下的波束中心的俯仰角；
A——在波束指向阵面法向时的最大增益值；
B——在波束指向阵面法向时的第一副瓣的增益值；
C——在波束指向阵面法向时的第一零点增益；
B0——在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
α1——在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5——在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
α2——在波束指向阵面法向时的第二零点所在角度；
x0——方程sinx0＝0.707x0的解；
x1——方程
Figure SMS_10
的解；
x2——方程
Figure SMS_11
的解；
Δ——为指向方位坐标系中，目标位置(α',β')与波束指向(α0,β0)的夹角；
Figure SMS_12
K0——相控阵天线波束增益随扫描角变化的控制因子；
K0＝cos(θ0)
M0——相控阵天线波束随扫描角展宽控制因子；
Figure SMS_13
p——加权系数；
Figure SMS_14
进一步，如图4所示，上述步骤二中所述计算子波束宽度因子方法如下：
Figure SMS_15
θ——天线阵面球坐标系方位角；
θA——天线方向图方位波束宽度，可根据需求调整；
θE——天线方向图俯仰波束宽度，可根据需求调整；
θAE——方位角为θ时天线方向图波束宽度；
Figure SMS_16
Coeffθ——方位角为θ时子波束宽度因子；
进一步，上述步骤三中所述更新子波束模型参数方法如下：
B'0＝B0*Coeffθ；
α′1＝α1*Coeffθ；
α′1.5＝α1.5*Coeffθ；
α'2＝α2*Coeffθ；
进一步，如图5所示，上述步骤四中所示计算偏置子波束增益方法如下：
合成波束指向为O，四个偏置子波束分别指向O1、O2、O3、O4，其中方位偏置角为Δ1，俯仰偏置角为Δ2。四个偏置子波束的中心指向分别为：
O1:(-Δ1,Δ2)、O2:(Δ1,Δ2)、O3:(-Δ1,-Δ2)、O4:(Δ1,-Δ2)
目标在四个偏置子波束中的增益分别为：
So1＝G(θo1)、So2＝G(θo2)、So3＝G(θo3)、So4＝G(θo4)
θo1、θo2、θo3、θo4分别表示目标与偏置子波束1、子波束2、子波束3、子波束4 的夹角，计算方法如步骤一中Δ的计算方法。
进一步，上述步骤四中所述合成非圆波束方向图方法如下：
S∑＝So1+So2+So3+So4；
S∑——合成波束方向图。
实施例2
如图1所示的天线方向图建模流程图中，本实施例以某雷达天线的方向图特性建模为例，该雷达天线方位向波束宽度2.2度，俯仰向波束宽度4.4度。
在构建子波束模型步骤中，配置该制导雷达天线模型子波束参数如表一。
表一制导雷达天线模型子波束参数配置表
Figure SMS_17
在计算子波束宽度因此步骤中，配置子波束宽度因子计算参数如表二。
表二子波束宽度因子计算参数配置表
序号 变量名称 变量值(弧度)
1 θA 0.019199
2 θE 0.038397
在更新子波束模型参数步骤中，更新子波束模型参数如表三。
表三子波束模型参数更新表
序号 变量名称 变量值 备注
1 B0 0.016581*Coeffθ 弧度
2 α1 0.040143*Coeffθ 弧度
3 α1.5 0.059341*Coeffθ 弧度
4 α2 0.080285*Coeffθ 弧度
在计算偏置子波束增益步骤中，配置子波束偏置量如表四。
表四子波束偏置量配置表
序号 波束名称 方位偏置值(弧度) 俯仰偏置值(弧度)
1 子波束1 -0.005760 0.011519
2 子波束2 0.005760 0.011519
3 子波束3 -0.005760 -0.011519
4 子波束4 0.005760 -0.011519
在合成非圆波束方向图步骤中，合成非圆波束方向图，S∑＝So1+So2+So3+So4。
从图2、图3可以看出，传统圆波束天线方向图方位、俯仰波束宽度一致，而实施例非圆波束天线方向图实现了方位、俯仰波束宽度可配置。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据相控阵天线波束扫描过程中方向图变化规律，构建子波束模型；
步骤S2：根据子波束模型，计算对应方位角下的子波束宽度因子；
步骤S3：根据天线波束扫描角度，更新子波束模型的模型参数；
步骤S4：根据待照射目标与子波束夹角，计算偏置子波束增益；
步骤S5：根据偏置子波束增益合成非圆波束天线方向图；
所述步骤S1中，根据相控阵天线波束扫描过程中方向图变化规律，用三个辛格函数的组合来分段模拟相控阵天线子波束方向图的仿真模型G(α′,β′,θ0)如下所示：
Figure FDA0004131900600000011
其中,(α′，β′)表示在指向方位坐标系下的目标方向；
θ0表示在阵面球坐标系下的波束中心的俯仰角；
A表示在波束指向阵面法向时的最大增益值；
B表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣的增益值；
C表示在波束指向阵面法向时的第一零点增益；
B0表示在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
α1表示在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
x0表示方程sinx0＝0.707x0的解；
x1表示方程
Figure FDA0004131900600000012
的解；
x2表示方程
Figure FDA0004131900600000021
的解；
Δ表示为指向方位坐标系中，目标方向(α′,β′)与波束指向(α0,β0)的夹角；
Figure FDA0004131900600000022
K0表示相控阵天线波束增益随扫描角变化的控制因子，K0＝cos(θ0)；
M0表示相控阵天线波束随扫描角展宽控制因子，
Figure FDA0004131900600000023
p表示加权系数，
Figure FDA0004131900600000024
所述步骤S2中，计算对应方位角下的子波束宽度因子，方位角为θ时子波束宽度因子Coeffθ计算方法如下：
Figure FDA0004131900600000025
Figure FDA0004131900600000026
θ表示天线阵面球坐标系方位角；
θA表示天线方向图方位波束宽度；
θE表示天线方向图俯仰波束宽度；
θAE表示方位角为θ时天线方向图波束宽度；
所述步骤S3中，所述更新子波束模型的模型参数方法如下：
B′0＝B0*Coeffθ；
α′1＝α1*Coeffθ；
α′1.5＝α1.5*Coeffθ；
其中，B0表示在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
Coeffθ表示方位角为θ时子波束宽度因子；
α1表示在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
B′0、α′1、α′1.5分别表示更新后的模型参数。
2.根据权利要求1所述的用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其特征在于，所述非圆波束天线方位图中方位向波束宽度、俯仰向波束宽度一致或者不一致，能够根据实际需要调整方位向波束宽度、俯仰向波束宽度，合成与实际需要相适应的天线波束。
3.根据权利要求1所述的用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S4中分别计算四个偏置子波束增益。
4.根据权利要求3所述的用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S4中，令合成波束指向为O，四个偏置子波束分别指向O1、O2、O3、O4，其中方位偏置角为Δ1，俯仰偏置角为Δ2；
四个偏置子波束的中心指向分别为：
O1：(-Δ1，Δ2)、O2：(Δ1，Δ2)、O3：(-Δ1，-Δ2)、O4：(Δ1，-Δ2)；
待照射目标在四个偏置子波束中的增益分别为：
So1＝G(θo1)、So2＝G(θo2)、So3＝G(θo3)、So4＝G(θ04)
其中，θo1、θo2、θo3、θo4分别表示目标与偏置子波束1、子波束2、子波束3、子波束4的夹角。
5.根据权利要求4所述的用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S5中，合成非圆波束天线方向图依据下式：
S∑＝So1+So2+So3+So4；
S∑表示合成波束方向图。
6.根据权利要求2所述的用于非圆波束天线方向图的仿真建模方法，其特征在于，配置方位向波束宽度2.2度，俯仰向波束宽度4.4度。
7.一种用于非圆波束天线方向图的仿真建模系统，其特征在于，包括：
模块S1：根据相控阵天线波束扫描过程中方向图变化规律，构建子波束模型；
模块S2：根据子波束模型，计算对应方位角下的子波束宽度因子；
模块S3：根据天线波束扫描角度，更新子波束模型的模型参数；
模块S4：根据待照射目标与子波束夹角，计算偏置子波束增益；
模块S5：根据偏置子波束增益合成非圆波束天线方向图；
所述模块S1中，根据相控阵天线波束扫描过程中方向图变化规律，用三个辛格函数的组合来分段模拟相控阵天线子波束方向图的仿真模型G(α′,β′,θ0)如下所示：
Figure FDA0004131900600000041
其中,(α′，β′)表示在指向方位坐标系下的目标方向；
θ0表示在阵面球坐标系下的波束中心的俯仰角；
A表示在波束指向阵面法向时的最大增益值；
B表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣的增益值；
C表示在波束指向阵面法向时的第一零点增益；
B0表示在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
α1表示在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
x0表示方程sinx0＝0.707x0的解；
x1表示方程
Figure FDA0004131900600000042
的解；
x2表示方程
Figure FDA0004131900600000043
的解；
Δ表示为指向方位坐标系中，目标方向(α′,β′)与波束指向(α0,β0)的夹角；
Figure FDA0004131900600000044
K0表示相控阵天线波束增益随扫描角变化的控制因子，K0＝cos(θ0)；
M0表示相控阵天线波束随扫描角展宽控制因子，
Figure FDA0004131900600000051
p表示加权系数，
Figure FDA0004131900600000052
所述模块S2中，计算对应方位角下的子波束宽度因子，方位角为θ时子波束宽度因子Coeffθ计算方法如下：
Figure FDA0004131900600000053
Figure FDA0004131900600000054
θ表示天线阵面球坐标系方位角；
θA表示天线方向图方位波束宽度；
θE表示天线方向图俯仰波束宽度；
θAE表示方位角为θ时天线方向图波束宽度；
所述模块S3中，所述更新子波束模型的模型参数方法如下：
B′0＝B0*Coeffθ；
α′1＝α1*Coeffθ；
α′1.5＝α1.5*Coeffθ；
其中，B0表示在波束指向阵面法向时的半功率点宽度；
Coeffθ表示方位角为θ时子波束宽度因子；
α1表示在波束指向阵面法向时的第一零点所在角度；
α1.5表示在波束指向阵面法向时的第一副瓣所在角度；
B′0、α′1、α′1.5分别表示更新后的模型参数。
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