CN114639972A - 无人机阵列天线的阵元位置优化方法及装置 - Google Patents

无人机阵列天线的阵元位置优化方法及装置 Download PDF

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CN114639972A CN202210316678.5A CN202210316678A CN114639972A CN 114639972 A CN114639972 A CN 114639972A CN 202210316678 A CN202210316678 A CN 202210316678A CN 114639972 A CN114639972 A CN 114639972A
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刘平原
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李梦齐
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刘锋
陈程
朱劲松
白波
潘晓敏
李强
施源
汪小武
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Abstract

本申请公开了一种无人机阵列天线的阵元位置优化方法及装置，通过获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数，并基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，以考虑阵元位置对最高旁瓣电平的影响；以及调整所述初始阵元坐标参数，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数，以使得最高旁瓣电平较低，从而使阵列天线具有更好的环境抗干扰能力，降低周围电磁干扰对阵列天线的影响，进而提高无人机的电磁抗干扰能力和飞行性能。

Description

无人机阵列天线的阵元位置优化方法及装置
技术领域
本申请涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机阵列天线的阵元位置优化方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在电网系统的建设与维护过程中，需要对输电线路进行巡检和故障检测，但是，输电线路的覆盖范围广泛，跨越环境恶劣区域，导致人工巡检难以满足当前电力巡检的需求。
目前，随着无人机技术的发展，无人机技术被应用于输电线路巡检，能够降低巡检人员的工作强度，为输电线路运维服务提供有效支撑。但是，输电线路周围的电磁环境复杂，而电磁环境会对无人机上的阵列天线造成干扰，从而影响无人机的飞行性能。
发明内容
本申请提供了一种无人机阵列天线的阵元位置优化方法及装置，以解决当前无人机容易受到电磁环境干扰的技术问题。
为了解决上述技术问题，第一方面，本申请提供了一种无人机阵列天线的阵元位置优化方法，无人机阵列天线包含多个阵元，方法包括：
获取各个阵元的初始阵元坐标参数；
基于初始阵元坐标参数，确定无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平；
调整初始阵元坐标参数，以对最高旁瓣电平进行极小值优化，直至最高旁瓣电平达到最小值，得到阵元的目标阵元坐标参数。
本申请通过获取各个阵元的初始阵元坐标参数，并基于初始阵元坐标参数，确定无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，以考虑阵元位置对最高旁瓣电平的影响；以及调整初始阵元坐标参数，以对最高旁瓣电平进行极小值优化，直至最高旁瓣电平达到最小值，得到阵元的目标阵元坐标参数，以使得最高旁瓣电平较低，从而使阵列天线具有更好的环境抗干扰能力，降低周围电磁干扰对阵列天线的影响，进而提高无人机的电磁抗干扰能力和飞行性能。
作为优选，无人机阵列天线为椭圆结构，获取各个阵元的初始阵元坐标参数，包括：
对椭圆结构进行坐标化，确定无人机阵列天线的位置参数；
根据位置参数，对阵元进行位置初始化，得到初始阵元坐标参数。
作为优选，根据位置参数，对阵元进行位置初始化，得到初始阵元坐标参数，包括：
根据无人机阵列天线的椭圆边缘坐标和各个阵元的方向角，对阵元进行位置初始化，得到初始阵元坐标参数，初始阵元坐标参数(xn,yn)满足：
Figure BDA0003568463470000021
其中
Figure BDA0003568463470000022
为第n个阵元的方向角，a为无人机阵列天线的椭圆边缘横坐标，b为无人机阵列天线的椭圆边缘纵坐标。
作为优选，基于初始阵元坐标参数，确定无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，包括：
根据初始阵元坐标参数，计算各个阵元的激励相位；
根据激励相位，确定无人机阵列天线的阵因子方向图；
确定阵因子方向图的最高旁瓣电平。
作为优选，根据激励相位，确定无人机阵列天线的阵因子方向图，包括：
基于预设方向图计算公式，根据激励相位和初始阵元坐标参数，确定无人机阵列天线的阵因子方向图，预设方向图计算公式为：
Figure BDA0003568463470000023
其中φ为无人机阵列天线的方位角，(a cosφn，b sinφn)为第n个阵元的初始阵元坐标参数，αn为第n个阵元的激励相位，k为传播常数。
作为优选，调整初始阵元坐标参数，以对最高旁瓣电平进行极小值优化，直至最高旁瓣电平达到最小值，得到阵元的目标阵元坐标参数，包括：
基于预设的阵元位置约束条件，调整阵元坐标参数；
基于调整后的阵元坐标参数，计算无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，直至最高旁瓣电平达到最小值，得到阵元的目标阵元坐标参数。
作为优选，阵元位置约束条件为：
Figure BDA0003568463470000031
其中(xp，yp)为第p个阵元的坐标参数，(xq，yq)为第q个阵元的坐标参数，d为第p个阵元与第q个阵元之间的最小距离。
第二方面，本申请提供一种无人机阵列天线的阵元位置优化装置，无人机阵列天线包含多个阵元，装置包括：
获取模块，用于获取各个阵元的初始阵元坐标参数；
确定模块，用于基于初始阵元坐标参数，确定无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平；
调整模块，用于调整初始阵元坐标参数，以对最高旁瓣电平进行极小值优化，直至最高旁瓣电平达到最小值，得到阵元的目标阵元坐标参数。
第三方面，本申请提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的无人机阵列天线的阵元位置优化方法。
第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的无人机阵列天线的阵元位置优化方法。
需要说明的是，上述第二方面至第四方面的有益效果请参见上述第一方面的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
图1为本申请实施例示出的无人机阵列天线的阵元位置优化方法的流程示意图；
图2为本申请实施例示出的椭圆结构的坐标化示意图；
图3为本申请实施例示出的椭圆阵列天线的阵元位置示意图；
图4为本申请实施例示出的无人机阵列天线的阵元位置优化装置的结构示意图；
图5为本申请实施例示出的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如相关技术记载，输电线路周围的电磁环境复杂，而电磁环境会对无人机上的阵列天线造成干扰，从而影响无人机的飞行性能。
为此，本申请实施例提供一种无人机阵列天线的阵元位置优化方法，通过获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数，并基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，以考虑阵元位置对最高旁瓣电平的影响；以及调整所述初始阵元坐标参数，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，得到所述阵元的目标阵元坐标参数，以使得最高旁瓣电平较低，从而使阵列天线具有更好的环境抗干扰能力，降低周围电磁干扰对阵列天线的影响，进而提高无人机的电磁抗干扰能力和飞行性能。
请参照图1，图1为本申请实施例提供的一种阵元位置优化方法的流程示意图。本申请实施例的阵元位置优化方法可应用于计算机设备，该计算机设备包括但不限于无人机、智能手机、笔记本电脑、平板电脑、桌上型计算机、物理服务器和云服务器等设备，无人机阵列天线包含多个阵元。如图1所示，本实施例的方法包括步骤S101至步骤S103，详述如下：
步骤S101，获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数。
在本步骤中，初始阵元坐标参数为在阵元坐标取值范围内确定的坐标值，阵元坐标取值范围可以以实际的阵列天线结构而定。可选地，阵列天线的结构与无人机的外部结构相适应，阵列天线优选为曲面结构。
步骤S102，基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平。
在本步骤中，阵列天线是利用电磁波的干涉原理和叠加原理产生特殊的辐射特性，构成阵列天线的单个辐射器称为单元。通过改变阵中每个单元天线的激励电流的相位，其辐射方向图(即阵因子方向图)可在空间扫描。阵列天线分为直线阵、平面阵及共形阵(其阵元与非平面表面共形)等。若令各个单元都是各向同性的电源，则这样的方向图为阵因子。
在天线方向图上，对于任一天线而言，在大多数情况下，其E面或H面的方向图一般呈花瓣状，故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣，其余的瓣称为旁瓣或侧瓣。
步骤S103，调整所述初始阵元坐标参数，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
在本步骤中，阵列天线的最高旁瓣电平越低，电磁环境对阵列天线的电磁干扰越低，所以为了使阵列天线具有更好的环境抗干扰能力，确定出最高旁瓣电平最小时的目标阵元坐标参数作为阵元位置，从而提高无人机的飞行性能。
在一实施例中，在图1所示实施例的基础上，所述无人机阵列天线为椭圆结构，所述步骤S101，包括：
对所述椭圆结构进行坐标化，确定所述无人机阵列天线的位置参数；
根据所述位置参数，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数。
在本实施例中，为了使阵列天线与无人机外部结构相适应，所以将阵列天线设计为椭圆结构，以满足无人机实际的巡检需求。
示例性地，图2示出了本申请实施例提供的椭圆结构的坐标化示意图。以椭圆中心为原点O建立坐标系，椭圆的长半轴为a，短半轴为b，离心率为e，三者之间的关系表达式为：
Figure BDA0003568463470000061
可选地，如果只考虑x－y平面，奇数个阵元对称椭圆曲线稀布阵列天线的阵元位置结构如图3所示，该曲线阵列天线是由2N+1个相同的阵元非均匀的排布在椭圆的圆周上。
根据所述无人机阵列天线的椭圆边缘坐标和各个所述阵元的方向角，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数，所述初始阵元坐标参数(xn,yn)满足：
Figure BDA0003568463470000062
其中
Figure BDA0003568463470000063
为第n个阵元的方向角，a为所述无人机阵列天线的椭圆边缘横坐标，b为所述无人机阵列天线的椭圆边缘纵坐标。
在一实施例中，在图1所示实施例的基础上，所述步骤S102，包括：
根据所述初始阵元坐标参数，计算各个所述阵元的激励相位；
根据所述激励相位，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图；
确定所述阵因子方向图的最高旁瓣电平。
在本实施例中，假设阵列天线的阵列单元等幅同相激励，那么激励可表示为In＝1，n＝0，1，2，…，N。只考虑x－y平面的方向图，则该椭圆曲线稀布阵列的阵因子为：
Figure BDA0003568463470000064
其中φ为无人机阵列天线的方位角，(a cosφn，b sinφn)为所述第n个阵元的初始阵元坐标参数，αn为第n个阵元的激励相位，k为传播常数。
可选地，若主波束的方向指向φ0，则第n个阵元的激励相位为：
Figure BDA0003568463470000071
方向图的最高旁瓣电平定义为：
Figure BDA0003568463470000072
式中，AFmax表示最大旁瓣值，s表示方向图函数的旁瓣区域。
在一实施例中，在图1所示实施例的基础上，所述步骤S103，包括：
基于预设的阵元位置约束条件，调整所述阵元坐标参数；
基于调整后的所述阵元坐标参数，计算所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
在本实施例中，最高旁瓣电平越低，天线的性能越好，得到方向图的最高旁瓣电平定义后，求出最高旁瓣电平的最低值。
将一个极小值优化问题转换为极大值优化问题，适应度函数的计算公式可表示为：
f(x0,x1,…,xN)＝|PSLL|；
在对椭圆稀布阵列天线进行优化，就是通过优化阵列单元的位置，获得峰值旁瓣电平值比较低的天线阵列。
可选地，所述阵元位置约束条件为：
Figure BDA0003568463470000073
其中(xp，yp)为第p个阵元的坐标参数，(xq，yq)为第q个阵元的坐标参数，d为第p个阵元与第q个阵元之间的最小距离。
根据以上推导公式，得到椭圆曲线稀布阵列天线的优化模型，实现椭圆阵列天线位置的优化。
综上所述，奇数个阵元对称椭圆曲线稀布阵列天线的优化模型可表示为：
Figure BDA0003568463470000081
为了执行上述方法实施例对应的阵元位置优化方法，以实现相应的功能和技术效果。参见图4，图4示出了本申请实施例提供的一种阵元位置优化装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，本申请实施例提供的阵元位置优化装置，包括：
获取模块401，用于获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数；
确定模块402，用于基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平；
调整模块403，用于调整所述初始阵元坐标参数，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
在一实施例中，所述无人机阵列天线为椭圆结构，所述获取模块401，包括：
第一确定单元，用于对所述椭圆结构进行坐标化，确定所述无人机阵列天线的位置参数；
初始化单元，用于根据所述位置参数，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数。
可选地，所述初始化单元，具体用于：
根据所述无人机阵列天线的椭圆边缘坐标和各个所述阵元的方向角，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数，所述初始阵元坐标参数(xn,yn)满足：
Figure BDA0003568463470000082
其中
Figure BDA0003568463470000083
为第n个阵元的方向角，a为所述无人机阵列天线的椭圆边缘横坐标，b为所述无人机阵列天线的椭圆边缘纵坐标。
在一实施例中，所述确定模块402，包括：
第一计算单元，用于根据所述初始阵元坐标参数，计算各个所述阵元的激励相位；
第二确定单元，用于根据所述激励相位，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图；
第三确定单元，用于确定所述阵因子方向图的最高旁瓣电平。
可选地，所述第二确定单元，具体用于：
基于预设方向图计算公式，根据所述激励相位和所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图，所述预设方向图计算公式为：
Figure BDA0003568463470000091
其中φ为无人机阵列天线的方位角，(a cosφn，b sinφn)为所述第n个阵元的初始阵元坐标参数，αn为第n个阵元的激励相位，k为传播常数。
在一实施例中，所述调整模块403，包括：
调整单元，用于基于预设的阵元位置约束条件，调整所述阵元坐标参数；
第二计算单元，用于基于调整后的所述阵元坐标参数，计算所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
可选地，所述阵元位置约束条件为：
Figure BDA0003568463470000092
其中(xp，yp)为第p个阵元的坐标参数，(xq，yq)为第q个阵元的坐标参数，d为第p个阵元与第q个阵元之间的最小距离。
上述的阵元位置优化装置可实施上述方法实施例的阵元位置优化方法。上述方法实施例中的可选项也适用于本实施例，这里不再详述。本申请实施例的其余内容可参照上述方法实施例的内容，在本实施例中，不再进行赘述。
图5为本申请一实施例提供的计算机设备的结构示意图。如图5所示，该实施例的计算机设备5包括：至少一个处理器50(图5中仅示出一个)处理器、存储器51以及存储在所述存储器51中并可在所述至少一个处理器50上运行的计算机程序52，所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述任意方法实施例中的步骤。
所述计算机设备5可以是智能手机、平板电脑、桌上型计算机和云端服务器等计算设备。该计算机设备可包括但不仅限于处理器50、存储器51。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是计算机设备5的举例，并不构成对计算机设备5的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。
所称处理器50可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器50还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器51在一些实施例中可以是所述计算机设备5的内部存储单元，例如计算机设备5的硬盘或内存。所述存储器51在另一些实施例中也可以是所述计算机设备5的外部存储设备，例如所述计算机设备5上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器51还可以既包括所述计算机设备5的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器51用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器51还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
另外，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机设备上运行时，使得计算机设备执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。
在本申请所提供的几个实施例中，可以理解的是，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意的是，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read－Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机阵列天线的阵元位置优化方法，其特征在于，所述无人机阵列天线包含多个阵元，所述方法包括：
获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数；
基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平；
调整所述初始阵元坐标参数，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
2.如权利要求1所述的阵元位置优化方法，其特征在于，所述无人机阵列天线为椭圆结构，所述获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数，包括：
对所述椭圆结构进行坐标化，确定所述无人机阵列天线的位置参数；
根据所述位置参数，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数。
3.如权利要求2所述的阵元位置优化方法，其特征在于，所述根据所述位置参数，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数，包括：
根据所述无人机阵列天线的椭圆边缘坐标和各个所述阵元的方向角，对所述阵元进行位置初始化，得到所述初始阵元坐标参数，所述初始阵元坐标参数(xn,yn)满足：
Figure FDA0003568463460000011
其中
Figure FDA0003568463460000012
为第n个阵元的方向角，a为所述无人机阵列天线的椭圆边缘横坐标，b为所述无人机阵列天线的椭圆边缘纵坐标。
4.如权利要求1所述的阵元位置优化方法，其特征在于，所述基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，包括：
根据所述初始阵元坐标参数，计算各个所述阵元的激励相位；
根据所述激励相位，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图；
确定所述阵因子方向图的最高旁瓣电平。
5.如权利要求4所述的阵元位置优化方法，其特征在于，所述根据所述激励相位，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图，包括：
基于预设方向图计算公式，根据所述激励相位和所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图，所述预设方向图计算公式为：
Figure FDA0003568463460000021
其中φ为所述无人机阵列天线的方位角，(acosφn，bsinφn)为所述第n个阵元的初始阵元坐标参数，αn为第n个阵元的激励相位，k为传播常数。
6.如权利要求1所述的阵元位置优化方法，其特征在于，所述调整所述初始阵元坐标参数，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数，包括：
基于预设的阵元位置约束条件，调整所述阵元坐标参数；
基于调整后的所述阵元坐标参数，计算所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
7.如权利要求6所述的阵元位置优化方法，其特征在于，所述阵元位置约束条件为：
Figure FDA0003568463460000022
其中(xp，yp)为第p个阵元的坐标参数，(xq，yq)为第q个阵元的坐标参数，d为第p个阵元与第q个阵元之间的最小距离。
8.一种无人机阵列天线的阵元位置优化装置，其特征在于，所述无人机阵列天线包含多个阵元，所述装置包括：
获取模块，用于获取各个所述阵元的初始阵元坐标参数；
确定模块，用于基于所述初始阵元坐标参数，确定所述无人机阵列天线的阵因子方向图的最高旁瓣电平；
调整模块，用于调整所述初始阵元坐标参数，以对所述最高旁瓣电平进行极小值优化，直至所述最高旁瓣电平达到最小值，得到所述阵元的目标阵元坐标参数。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的无人机阵列天线的阵元位置优化方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的无人机阵列天线的阵元位置优化方法。
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