CN113032976B - 一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法及系统 - Google Patents

一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法及系统，属于雷达天线技术领域，通过不完备信息下的天线温度场测量方法对相控阵天线进行温度场瞬态仿真、实际测量和温度重构；并对相控阵天线元器件进行温漂特性实验，获得离散温度下的传输参数曲线；采用矢量拟合的方法拟合出各测试温度下传输参数随频率、温度变化的频率响应函数；引入极限学习机算法建立频率、温度与频率响应函数极点、残基之间的数学模型；用测量的相控阵天线频率、温度作为输入变量，得到频率响应函数的极点、残基，确定激励电流的幅值和相位，进行电性能补偿；本发明可用于补偿受温度影响后的相控阵天线电性能，使其达到最佳工作状态。

Description

一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达天线技术领域，具体涉及一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法及系统。
背景技术
有源相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线，具有体积小，可靠性高、功能多以及集成度高等特点，逐渐成为了目前卫星移动通信系统中最重要的天线形式。对于相控阵天线，阵面中的天线单元对温度比较敏感，温度会影响其幅值与相位，而幅值与相位值决定了相控阵天线的辐射特性，即温度不均匀分布的问题会造成收/发通道间的幅相差异，会导致天线单元的实际馈电值与理论值产生偏差，影响了天线的性能。
而对于超高声速飞行器和飞艇等，其外部条件已经不允许对其进行散热设计进行温度补偿来从而保持其温度的均匀性，其结构特征更适合电补偿的方法来维持其电性能的稳定。
目前针对温度方面进行的相控阵天线电性能补偿方法还较少：
例如，西安电子科技大学申请的专利，名称为“面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法”，申请日为2016年03月29日，授权公告号为CN105742817B，公开了一种面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，包括确定天线的结构参数、材料属性和电磁参数，确定天线环境热载荷，计算太阳照射下天线温度场分布，确定T/R组件热功耗，计算T/R组件热功耗下天线温度场分布，叠加温度场，计算天线结构热变形，提取阵元几何中心的位置偏移量，计算阵元空间相位的附加误差，确定阵元激励电流的幅度和相位分布，计算天线电性能，判断增益和指向是否同时满足要求，计算天线理想主波束指向的单位矢量、阵元空间相位的调整量、补偿后阵元激励电流相位值。但其不足之处是需要将环境热载荷和T/R热功耗进行叠加计算，转换成天线的结构变形，较为复杂。
例如，西安电子科技大学申请的专利，名称为“日照温度场作用下反射面天线电性能快速评估与补偿方法”，申请日为2019年08月16日，申请公布号为CN110470916A，公开了了一种日照温度场作用下反射面天线电性能快速评估与补偿方法，包括：依据反射面天线结构参数以及材料属性建立有限元模型；确定温度传感器在有限元模型中的位置；建立温度到热变形的映射矩阵、扰动矩阵和理想矩阵；建立扰动矩阵系数和理想矩阵系数；调用映射矩阵、扰动矩阵、理想矩阵、扰动矩阵系数和理想矩阵系数，依据热电矩阵耦合模型和实测温度快速评估日照温度场作用下的反射面天线的电性能；依据评估结果实时调整反射面天线的方位角和俯仰角，实现日照温度场作用下的反射面天线指向的快速补偿。但其不足之处是需要将温度转换成天线的结构变形，且根据评估结果机械调整反射面天线的方位角和俯仰角，较为复杂，缺乏实时性。
上述问题亟待解决，为此，提出一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术存在的需要将温度场叠加并转变为结构变形和机械调整电性能的缺点，提供了一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，该方法通过改变激励电流的幅值和相位来补偿受温度影响后的相控阵天线电性能。
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：确定补偿原理
根据相控阵天线的理想电性能函数及在温度发生变化时激励电流的幅值和相位的变化规律，确定相控阵天线电性能补偿原理；
S2：重构温度场
通过不完备信息下的天线温度场测量方法，对相控阵天线进行温度场瞬态仿真、实际测量和温度重构；
S3：建立温漂特性模型
对相控阵天线进行温漂特性实验，获取离散温度下的相控阵天线元器件的传输参数曲线，建立天线温漂特性模型；
S4：得到频率响应函数
采用矢量拟合方法拟合出各测试温度下传输参数随频率、温度变化的频率响应函数，进而得到该相控阵天线系统频率响应函数的极点、残基；
S5：建立频率、温度与频率响应函数的数学模型
使用极限学习机算法建立频率、温度与频率响应函数的数学模型；
S6：补偿电性能
根据相控阵天线重构温度及频率响应函数确定激励电流的幅值和相位，利用补偿原理对电性能进行补偿。
更进一步地，在所述步骤S1中，相控阵天线的理想电性能函数如下：
Figure GDA0003798598870000021
其中，N为天线阵列的单元数；
Figure GDA0003798598870000022
为第n个天线单元的激励电流，其中An和
Figure GDA0003798598870000031
表示单元激励电流的幅度和相位；fn(θ,φ)为第n个天线单元的有源单元方向图；向量
Figure GDA0003798598870000032
为坐标原点到第n个天线单元中心的矢径，其中，xn,yn,zn表示单元中心的位置坐标；
Figure GDA0003798598870000033
为从坐标原点到(θ,φ)观察方向的单位矢量；k＝2π/λ表示波常数，其中λ是天线的工作波长。
更进一步地，在所述步骤S1中，在温度发生变化时，激励电流的幅值和相位变化后如下：
Figure GDA0003798598870000034
其中，a和
Figure GDA0003798598870000035
分别为激励幅值的影响因子和激励相位的偏移量；T和f分别为第n个天线单元所在位置处的温度和阵元的工作频率。
更进一步地，在所述步骤S1中，幅值受温度影响以后，变成了理想情况下的a倍，相位受温度影响之后，偏移了
Figure GDA0003798598870000036
角度，所述补偿原理即对幅值和相位进行调整，调整方式是根据幅值变化量，调整幅值为
Figure GDA0003798598870000037
根据相位的改变量，减去角度
Figure GDA0003798598870000038
更进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：
S21：建立待测天线仿真模型；
S22：获取待测天线模型的POD模式；
S23：计算待测天线的温度场；
S24：测量天线少数位置温度；
S25：重构天线温度场。
更进一步地，在所述步骤S4中，频率响应函数采用有理传递函数的频率响应G表示如下：
Figure GDA0003798598870000039
其中，G(f)为频率f处的响应值，ai和ci表示传递函数的极点和残基，d、e为传递函数的修正因子，m表示阶数，其大小是根据研究对象进行确定，频率响应函数G(f)的模值|G(f)|表示传输参数的幅值，G(f)的角度
Figure GDA00037985988700000310
表示传输参数的相位。
更进一步地，在所述步骤S5中，将温漂特性中的频率、温度数据作为数学模型的训练及测试数据。
更进一步地，在所述步骤S6中，根据重构温度和频率、温度与频率响应函数极点、残基之间的数学模型计算温度影响下的幅值和相位。
本发明还提供了一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿系统，利用了上述的补偿方法对天线的电性能进行补偿，包括：
补偿原理模块，用于根据相控阵天线的理想电性能函数及在温度发生变化时激励电流的幅值和相位的变化规律，确定相控阵天线电性能补偿原理；
重构模块，用于通过不完备信息下的天线温度场测量方法，对相控阵天线进行温度场瞬态仿真、实际测量和温度重构；
温漂模型模块，用于对相控阵天线进行温漂特性实验，获取离散温度下的相控阵天线元器件的传输参数曲线，建立天线温漂特性模型；
拟合模块，用于采用矢量拟合方法拟合出各测试温度下传输参数随频率、温度变化的频率响应函数，进而得到该相控阵天线系统频率响应函数的极点、残基；
极限学习模块，用于使用极限学习机算法建立频率、温度与频率响应函数的数学模型；
补偿模块，用于根据相控阵天线重构温度及频率响应函数确定激励电流的幅值和相位，利用补偿原理对电性能进行补偿；
中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；
所述补偿原理模块、重构模块、温漂模型模块、拟合模块、极限学习模块、补偿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：该基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，解决了在补偿过程中需要将温度场叠加并转变为结构变形和机械调整电性能的问题，能够用于补偿受温度影响后的相控阵天线电性能，使其达到最佳工作状态，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例一相控阵天线电性能补偿方法的补偿流程图；
图2a是本发明实施例二中-19.1℃下幅值测试数据的拟合结果；
图2b是本发明实施例二中-19.1℃下相位测试数据的拟合结果；
图3a是本发明实施例二中72℃下极限学习机的幅值学习结果；
图3b是本发明实施例二中72℃下极限学习机的相位学习结果；
图4是本发明实施例三中天线单元的温度分布示意图；
图5是本发明实施例四中天线单元的温度分布示意图；
图6a是本发明实施例三中天线xoz面电性能补偿结果对比；
图6b是本发明实施例三中天线yoz面电性能补偿结果对比；
图7a是本发明实施例四中天线xoz面电性能补偿结果对比；
图7b是本发明实施例四中天线yoz面电性能补偿结果对比。
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，本实施例提供一种技术方案：一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，包括以下内容：
步骤(1)：确定相控阵天线电性能补偿原理：
有源相控阵天线的理想电性能函数可以表示为：
Figure GDA0003798598870000051
其中，N为天线阵列的单元数；
Figure GDA0003798598870000052
为第n个天线单元的激励电流，其中An和
Figure GDA0003798598870000053
表示单元激励电流的幅度和相位；
Figure GDA0003798598870000054
为第n个天线单元的有源单元方向图；向量
Figure GDA0003798598870000055
为坐标原点到第n个天线单元中心的矢径，其中，xn,yn,zn表示单元中心的位置坐标；
Figure GDA0003798598870000056
为从坐标原点到(θ,φ)观察方向的单位矢量；
k＝2π/λ表示波常数，其中λ是天线的工作波长。
在温度发生变化时，激励电流的幅值和相位将发生变化：
Figure GDA0003798598870000057
其中，a和
Figure GDA0003798598870000058
分别为激励幅值的影响因子和激励相位的偏移量；T和f分别为第n个天线单元所在位置处的温度和阵元的工作频率。
幅值受温度影响以后，变成了正常情况(理想情况)下的a倍，相位受温度影响之后，偏移了
Figure GDA0003798598870000059
角度，因此对幅值和相位进行调整，调整方式是根据幅值变化量，调整幅值为
Figure GDA00037985988700000510
根据相位的改变量，减去角度
Figure GDA00037985988700000511
因此相控阵天线在补偿后保持着原来的电性能：
Figure GDA00037985988700000512
步骤(2)：通过不完备信息下的天线温度场测量方法对相控阵天线进行温度场瞬态仿真、实际测量和温度重构，主要包括以下步骤：
(21)建立待测天线仿真模型；
(22)获取待测天线模型的POD模式；
(23)计算待测天线的温度场；
(24)根据内部温度传感器测量天线少数位置温度；
(25)根据不完备信息下的天线温度场测量方法重构天线温度场；
步骤(3)：对相控阵天线进行温漂特性实验，获取离散温度下的相控阵天线元器件的传输参数曲线，建立天线温漂特性模型；
步骤(4)：采用矢量拟合方法拟合出各测试温度下传输参数随频率、温度变化的频率响应函数，进而得到该相控阵天线系统频率响应函数的极点、残基，对于相控阵天线系统，可以采用有理传递函数的频率响应G(通常是矢量)来表示，频率响应函数的极点ai和残基ci都是关于温度的变量，可以表示为：
Figure GDA0003798598870000061
其中，G(f)为频率f处的响应值，ai和ci表示传递函数的极点和残基，d、e为传递函数的修正因子，在式中为可选项，m是近似的阶数，大小是根据不同的研究对象进行确定的，频率响应函数G(f)的模值|G(f)|则表示传输参数的幅值，G(f)的角度
Figure GDA0003798598870000062
表示传输参数的相位；
步骤(5)：由于频率、温度与有理传递函数的极点、残基之间的关系是非线性且未知的，因此提出了使用极限学习机的方法来建立频率、温度和频率响应函数之间的数学模型，由于进行了温漂特性实验，所以将温漂特性实验中大量的数据作为数学模型的训练及测试数据；
(51)极限学习机对于单隐层神经网络，可以随机化输入权重和偏置，并得到相应的输出权重，假设有N个任意的样本(Xi,ti)，其中Xi＝[xi1,xi2,,,,xin]T,ti＝[ti1,ti2,,,,tim]T，对于一个有L个隐层节点的单隐层神经网络可以表示为：
Figure GDA0003798598870000063
其中，g(x)为激活函数，Wi＝[wi1,wi2,...win]T为输入权重，βi为输出权重，bi是第i个隐层单元的偏置。
(52)由于函数输入和输出存在量纲差异，因此需要进行归一化处理，来保证建模的精确度，归一化的具体操作过程如下，对于任意初始的数据x，其取值范围是x∈[xmin,xmax]，归一化的计算公式为：
Figure GDA0003798598870000071
经过归一化处理之后，
Figure GDA0003798598870000072
的取值范围最终确定在
Figure GDA0003798598870000073
的区间，而对于重构的结果，则需要进行反归一化处理，其处理公式如下所示：
Figure GDA0003798598870000074
步骤(6)：将相控阵天线工作频率以及重构出的温度作为极限学习机输入变量，极限学习机输出变量为频率响应函数的极点和残基，从而确定相控阵天线系统的频率响应函数，进一步确定激励电流的幅值和相位，根据补偿原理进行补偿。
实施例二
本实施例提供一种技术方案：一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，包括以下内容：
1、实验内容
本实施例在进行功放温漂特性实验时采用的功率放大器是Hittite公司生产的HMC952ALP5GE型号的芯片，在对应的参数手册上，给出的该芯片的正常工作频段是8-12GHz，PA实施样件测试电路板的基板材料采用的是RogersRT/duroid4350，介电常数εr＝2.2，介质损耗角正切值tanδ＝0.0002，射频传输线采用的是共面波导的形式。
整个实施的过程中，通过改变高低温箱的温度，测量不同温度下的传输系数S21(正向传输系数，即增益)的幅值随频率变化的图像。
2、矢量拟合结果
根据矢量拟合的基本思想，对每组实施数据进行拟合，得到测试温度下的频率响应函数的极点和残基，图2为在-19.1℃条件下的测试数据和拟合结果。
3、极限学习机学习结果
使用极限学习机算法，将频率、温度作为输入，并对该相控阵天线系统频率响应函数模型进行训练和测试，本实施例采用的隐含层节点个数为500个，激活函数使用的是Sigmoid函数，随机选取80％的数据进行训练，剩下的20％作为验证，利用极限学习机算法，求得在72℃下的幅值和相位，其结果如图3所示。
实施例三
基于实施例二，在本实施例中，实验过程中使用天线中心频率为10GHz；按照上述中心频率设计天线，根据对功放器件进行温漂特性实验的结果，利用矢量拟合以及极限学习机算法确定了温度对幅度和相位影响的机理模型，天线的仿真模型是8×8单元，如图4所示，为实施例1中天线单元的温度分布，根据提出的计算电性能补偿的方法计算需要补偿的幅度和相位，最终补偿结果如图6所示。
实施例四
基于实施例二，在本实施例中，实验过程中天线中心频率为10GHz；按照上述中心频率设计天线，根据对功放器件进行温漂特性实验的结果，利用矢量拟合以及极限学习机算法确定了温度对幅度和相位影响的机理模型，天线的仿真模型是8×8单元，如图5所示，为实施例2中天线单元的温度分布，根据提出的计算电性能补偿的方法计算需要补偿的幅度和相位，最终补偿结果如图7所示。
补偿结果分析
实施例三与实施例四以具体的64单元天线为例，根据天线单元温度，确定对应的频率响应函数，确定激励电流的幅度和相位，并将该幅度和相位与理想情况下的激励电流的幅度和相位进行比较，得到调整量，来对相控阵天线的电性能进行补偿，通过相控阵天线的方向图的仿真结果来看，该方法具有良好的补偿效果。
综上所述，上述实施例的基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，解决了在补偿过程中需要将温度场叠加并转变为结构变形和机械调整电性能的问题，能够用于补偿受温度影响后的相控阵天线电性能，使其达到最佳工作状态，值得被推广使用。
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 (8)

1.一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定补偿原理
根据相控阵天线的理想电性能函数及在温度发生变化时激励电流的幅值和相位的变化规律，确定相控阵天线电性能补偿原理；
S2：重构温度场
通过不完备信息下的天线温度场测量方法，对相控阵天线进行温度场瞬态仿真、实际测量和温度重构；
S3：建立温漂特性模型
对相控阵天线进行温漂特性实验，获取离散温度下的相控阵天线元器件的传输参数曲线，建立天线温漂特性模型；
S4：得到频率响应函数
采用矢量拟合方法拟合出各测试温度下传输参数随频率、温度变化的频率响应函数，进而得到该相控阵天线系统频率响应函数的极点、残基；
S5：建立频率、温度与频率响应函数的数学模型
使用极限学习机算法建立频率、温度与频率响应函数的数学模型；
S6：补偿电性能
根据相控阵天线重构温度及频率响应函数确定激励电流的幅值和相位，利用补偿原理对电性能进行补偿；
所述步骤S2的具体过程如下：
S21：建立待测天线仿真模型；
S22：获取待测天线模型的POD模式；
S23：计算待测天线的温度场；
S24：测量天线少数位置温度；
S25：重构天线温度场。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1中，相控阵天线的理想电性能函数如下：
Figure FDA0003798598860000011
其中，N为天线阵列的单元数；
Figure FDA0003798598860000021
为第n个天线单元的激励电流，其中An和
Figure FDA0003798598860000022
表示单元激励电流的幅度和相位；fn(θ,φ)为第n个天线单元的有源单元方向图；向量
Figure FDA0003798598860000023
为坐标原点到第n个天线单元中心的矢径，其中，xn,yn,zn表示单元中心的位置坐标；
Figure FDA0003798598860000024
为从坐标原点到(θ,φ)观察方向的单位矢量；k＝2π/λ表示波常数，其中λ是天线的工作波长。
3.根据权利要求2所述的一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1中，在温度发生变化时，激励电流的幅值和相位变化后如下：
Figure FDA0003798598860000025
其中，a和
Figure FDA0003798598860000026
分别为激励幅值的影响因子和激励相位的偏移量；T和f分别为第n个天线单元所在位置处的温度和阵元的工作频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1中，幅值受温度影响以后，变成了理想情况下的a倍，相位受温度影响之后，偏移了
Figure FDA0003798598860000027
角度，所述补偿原理即对幅值和相位进行调整，调整方式是根据幅值变化量，调整幅值为
Figure FDA0003798598860000028
根据相位的改变量，减去角度
Figure FDA0003798598860000029
5.根据权利要求1所述的一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于：在所述步骤S4中，频率响应函数采用有理传递函数的频率响应G表示如下：
Figure FDA00037985988600000210
其中，G(f)为频率f处的响应值，ai和ci表示传递函数的极点和残基，d、e为传递函数的修正因子，m表示阶数，其大小是根据研究对象进行确定，频率响应函数G(f)的模值G(f)表示传输参数的幅值，G(f)的角度
Figure FDA00037985988600000211
表示传输参数的相位。
6.根据权利要求1所述的一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于：在所述步骤S5中，将温漂特性中的频率、温度数据作为数学模型的训练及测试数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法，其特征在于：在所述步骤S6中，根据重构温度和频率、温度与频率响应函数极点、残基之间的数学模型计算温度影响下的幅值和相位。
8.一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿系统，其特征在于，利用如权利要求1～7任一项所述的补偿方法对天线的电性能进行补偿，包括：
补偿原理模块，用于根据相控阵天线的理想电性能函数及在温度发生变化时激励电流的幅值和相位的变化规律，确定相控阵天线电性能补偿原理；
重构模块，用于通过不完备信息下的天线温度场测量方法，对相控阵天线进行温度场瞬态仿真、实际测量和温度重构；
温漂模型模块，用于对相控阵天线进行温漂特性实验，获取离散温度下的相控阵天线元器件的传输参数曲线，建立天线温漂特性模型；
拟合模块，用于采用矢量拟合方法拟合出各测试温度下传输参数随频率、温度变化的频率响应函数，进而得到该相控阵天线系统频率响应函数的极点、残基；
极限学习模块，用于使用极限学习机算法建立频率、温度与频率响应函数的数学模型；
补偿模块，用于根据相控阵天线重构温度及频率响应函数确定激励电流的幅值和相位，利用补偿原理对电性能进行补偿；
中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；
所述补偿原理模块、重构模块、温漂模型模块、拟合模块、极限学习模块、补偿模块均与中央处理模块电连接。
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