CN116626625A - 一种大型曲面天线微变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型曲面天线微变形测量方法，基于曲面聚集效应的空间分集技术实现对天线的微变形测量。方法具体包括：将曲面天线的检测区域划分为多个小块形成包括多个阵元的天线阵列；通过相控阵雷达系统对天线阵列进行波束扫描，获得初始相位信息；利用遗传算法对天线阵列进行优化；判断优化结果是否达到优化目标或是否达到预设迭代次数，若是，则输出优化结果，否则返回执行上一步；通过相控阵雷达系统实时对天线阵列进行波束扫描，基于当前相位信息和初始相位信息，实时获得天线变形量。本发明能实现对大型曲面天线变形的实时高精度测量。

Description

一种大型曲面天线微变形测量方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别是一种大型曲面天线微变形测量方法。

背景技术

天线在加工及装配过程中出现的平面度误差可以引起阵面变形，最终会导致天线电性能的恶化。相控阵天线阵面的平面特性可以直接决定雷达系统的性能优劣，天线阵列单元的相对位置的轻微波动对天线阵面的装配精度和平面度产生极大的影响，由于如加工、装配等误差作用，热功耗、环境等温度影响，冲击振动、风载等外载荷等各类因素导致的阵面变形对天线的性能影响越来越明显，对相控阵天线阵面变形的研究的也变得越来越重要。常规的测量方法已经不能满足新型设备的安装和检测。高精度测量技术和仪器的发展，使得工业测量系统的方法逐渐应用于各项领域。目前，大型天线变形测量的主要方式有全站仪测量系统、经纬仪测量系统和激光跟踪测量系统。

激光跟踪测量系统是一种先进的尺寸精度测量系统，不但可以测试大型曲面天线的微变形程度，同时可利用其自带的大气物理传感器测试大气的气压、温度和湿度，并对测试的坐标数据进行补偿以提高测量精度，该测量系统可以在天线工作时进行测试，测量结果能够真实地反映天线工作状态下的尺寸精度。但它需要对大型曲面天线进行接触式测量，增加了工程测量的难度，且激光跟踪仪由激光器和反射镜组成，这种测量仪器要求在无断光的环境条件下测试，如果断光，则必须回到激光跟踪仪的“零点”，重新标定方可继续测试，所以该测量方法对环境的要求很苛刻。

经纬仪测量系统的测量原理是利用电子经纬仪的测试方位角和俯仰角的测试功能，由于其不具备测距功能，因此必须借助双台电子经纬仪和定标标尺的理论尺寸才能解算出被测点的测量坐标数值。此仪器系统复杂，且微变形曲面测量精度与观测水平有关，受交会角影响较大，且自动化程度低。

全站仪测量系统中所包含的三坐标测量机，是通用的尺寸精度测量设备，应用最为普遍。对于大型零件，特别是大型曲面天线，需要足够大的三坐标测量机才能满足要求。该系统需要进行接触式测量，工程量巨大，且自动化程度低，需要实时操作，人力成本比较大。大型曲面天线微变形程度不高，对精度要求很苛刻，而此系统的精度低，可能不能满足精度要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种大型曲面天线微变形测量方法，基于曲面聚集效应的空间分集技术实现对天线的微变形测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大型曲面天线微变形测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将曲面天线的检测区域划分为多个小块形成包括多个阵元的天线阵列；

步骤2，通过相控阵雷达系统对天线阵列进行波束扫描，获得初始相位信息；

步骤3，利用遗传算法对天线阵列进行优化；

步骤4，判断优化结果是否达到优化目标或是否达到预设迭代次数，若是，则输出优化结果，否则返回执行上一步；

步骤5，通过相控阵雷达系统实时对天线阵列进行波束扫描，基于当前相位信息和初始相位信息，实时获得天线变形量。

进一步地，步骤3所述利用遗传算法对天线阵列进行优化，具体过程包括：

步骤3-1，以实数值表示每个阵元的激励和间距d_n并将其作为基因，由基因组成个体I，每个个体的长度为N；之后随机生成初始种群P、初始交叉概率P_c、初始变异概率P_m和初始迭代次数K；

步骤3-2，根据产生波束的要求设计适应度函数，将每个个体代入适应度函数，计算相应的适应度值，选取适应度值最小的个体作为最优个体；

步骤3-3，将每一代的最优适应度值和最优个体保留，其他非最优的个体则通过筛选选择是否遗传到下一代；

步骤3-4，随机生成每个个体的基因，并判断每个基因的生成概率是否大于交叉概率，若是，则该基因发生交叉，否则不交叉；

步骤3-5，随机生成每个个体的基因，并判断每个基因的生成概率是否大于变异概率，若是，则该基因发生变异，否则不发生变异；

步骤3-6，判断是否达到设定的最大迭代次数或最优适应度值不改变，若是，则终止迭代，并将某一代适应度最优的个体作为全局最优解。

进一步地，步骤3-2中所述适应度函数为：

式中，c_i是权重系数，总和为1，f₁用于控制波束的旁瓣，f₂用于控制波束的宽度。进一步地，所述f₁的具体公式为：

f₁＝|SLL_max-SLL_d|²/|SLL_d|²

式中，SLL_max，SLL_d分别代表方向图优化过程每次迭代得到的旁瓣值和设定的理想旁瓣值；

进一步地，所述f₂的具体公式为：

f₂＝|FNBW_max-FNBW_d|²/|FNBW_d|²

式中，FNBW_max和FNBW_d分别代表每次优化得到的波束宽度值和设定理想波束宽度值。

进一步地，步骤3-3中其他非最优的个体按轮盘赌注法选择是否遗传到下一代。

进一步地，所述相控阵雷达系统包括发射相控阵阵列前端、接收前端、频率综合器、功分器、波控器、数字信号处理器、计算机显控软件和配电电源；

所述发射相控阵阵列前端，用于通过相控阵实现对曲面天线分区域照射；

所述接收前端，用于对回波信号的模拟部分进行处理；

所述频率综合器，用于为雷达系统产生基准时钟、本振信号和发射激励信号；

所述数字处理器，用于实现对回波信号的采集、处理及收发时序的控制，获得相位信息；还用于执行遗传算法对天线阵列进行优化；

所述功分器，用于完成本振信号和发射激励信号的功分；

所述波控机，用于接收显控软件的控制指令，对各发射通道的移相器及幅度衰减量进行控制，实现波束扫描；

所述计算机显控软件，用于实现发送控制命令、显示实时处理信息；

所述配电电源，用于为各部件提供所需电压。

进一步地，所述接收前端采用多路宽波束接收，其中一个接收天线与发射天线安装在同一位置，其它n个接收天线安放在n个均分区域的中心位置，并与发射天线位于同一平面内。

进一步地，所述数字处理器包括高速信号采集模块、数字IQ解调器、数据处理模块和时序控制模块；

所述高速信号采集模块，用于对回波信号进行采集；

所述数字IQ解调器，用于对基带信号进行解调；

所述数据处理模块，用于对回波信号进行处理，获得相位信息；

所述时序控制模块，用于控制收发时序。

进一步地，所述数字处理模块对回波信号进行处理获取相位信息时，采用相位解缠算法、泄露及周围环境干扰误差校正算法以及多次测量取平均算法。

另一方面，提供了一种大型曲面天线微变形测量系统，所述系统包括相控阵雷达系统和上位机；

所述相控阵雷达系统，用于对待测曲面天线阵列进行优化，获得最优的阵元激励和间距；还用于对天线阵列进行波束扫描，获得相位信息，并根据相位信息计算天线变形量；

所述上位机，用于搭载显控软件，用于实现发送控制命令，显示实时处理信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明基于稀疏阵列通过稀布阵技术可以在阵元数目相同的情况下，获得更大的阵列口径，更窄的波束宽度，即能够拥有更高的分辨率。此外，稀疏阵列不需要额外的衰减器和移相器便可实现低副瓣特性，且克服了阵元数目过多带来的硬件设计上的困难，采用非均匀间隔的稀布阵列天线能够大量节省成本，对于毫米波相控阵更为明显，毫米波单路T组件价格昂贵。通过稀疏优化布阵达到在64天线单元波束宽度优于2°，扫描范围大于60°。

(2)采用3mm相控阵硬件系统测量天线表面相对位移变化，精度高、实时性强。

(3)采用高精度相对位移测量算法，且采样数字变频处理，即简化了系统结构，降低系统成本，又提高了测量精度。

(4)采用相位解缠算法，泄露及周围环境干扰误差校正算法、多次测量取平均算法等，通过这些算法提高相位测量准确度，从而进一步提高形变测量精度。

(5)本发明采用优化算法相对于常规波束形成算法和自适应算法可以同时优化多个变量(波束宽度、旁瓣电平)，并可以在优化的过程中改变阵元位置，从而进一步提升阵列的波束性能。此外，相对于自适应算法，可以明确优化旁瓣电平的数值范围，使其保持在一定范围内。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是大型曲面天线微变形测量系统工作示意图。

图2是天线阵列优化设计流程图。

图3是遗传算法流程图。

图4是一个实施例中64阵元优化结果示意图，其中图4中的(a)为优化后的阵元位置，图4中的(b)为优化后的阵元激励。

图5是一个实施例中优化后的阵列方向图，其中θ为方位角，为俯仰角，图5中的(a)为θ＝0°，/>时俯仰角视图，图5中的(b)为/>时方向角视图，图5中的(c)为θ＝30°，/>时俯仰角视图，图5中的(d)为θ＝30°，/>时方向角视图。

图6是相控阵雷达原理框图。

图7是系统数字I/Q解调器示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明提供了一种大型曲面天线微变形测量方法，结合图1，基本原理为：大型曲面天线的检测区域被分为多个小块，雷达系统采用波束扫描的方式，对不同分块进行测试，利用相控阵系统进行移相从而保证窄波束的全范围覆盖，保证1m×1m内优于5um，直径5m范围内优于20um。

在一个实施例中，提供了一种大型曲面天线微变形测量方法，结合图2，具体包括以下步骤：

步骤1，将曲面天线的检测区域划分为多个小块形成包括多个阵元的天线阵列；

步骤2，通过相控阵雷达系统对天线阵列进行波束扫描，获得初始相位信息；

步骤3，利用遗传算法对天线阵列进行优化；

步骤4，判断优化结果是否达到优化目标或是否达到预设迭代次数，若是，则输出优化结果，否则返回执行上一步；

步骤5，通过相控阵雷达系统实时对天线阵列进行波束扫描，基于当前相位信息和初始相位信息，实时获得天线变形量。

这里，步骤3的优化目标：1.保持方向图旁瓣在指定范围Sd内，2.波束宽度小于指定带宽W_d；优化内容：1.阵列间距；2.阵元激励；优化条件：根据具体场景进行设定。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，步骤3所述利用遗传算法对天线阵列进行优化，具体过程包括：

步骤3-1，以实数值表示每个阵元的激励和间距d_n并将其作为基因，由基因组成个体I，每个个体的长度为N；之后随机生成初始种群P、初始交叉概率P_c、初始变异概率P_m和初始迭代次数K；

步骤3-2，根据产生波束的要求设计适应度函数，将每个个体代入适应度函数，计算相应的适应度值，选取适应度值最小的个体作为最优个体；

步骤3-3，将每一代的最优适应度值和最优个体保留，其他非最优的个体则通过轮盘赌注法选择是否遗传到下一代；

步骤3-4，随机生成每个个体的基因，并判断每个基因的生成概率是否大于交叉概率，若是，则该基因发生交叉，否则不交叉；

步骤3-5，随机生成每个个体的基因，并判断每个基因的生成概率是否大于变异概率，若是，则该基因发生变异，否则不发生变异；

步骤3-6，判断是否达到设定的最大迭代次数或最优适应度值不改变，若是，则终止迭代，并将某一代适应度最优的个体作为全局最优解。

这里，步骤3-2中所述适应度函数为：

式中，c_i是权重系数，总和为1；

其中，f₁用于控制波束的旁瓣，具体公式为：

f₁＝|SLL_max-SLL_d|²/|SLL_d|²

式中，SLL_max，SLL_d分别代表方向图优化过程每次迭代得到的旁瓣值和设定的理想旁瓣值；

f₂用于控制波束的宽度，具体公式为：

f₂＝|FNBW_max-FNBW_d|²/|FNBW_d|²

式中，FNBW_max和FNBW_d分别代表每次优化得到的波束宽度值和设定理想波束宽度值。

示例性地，设定优化条件为：阵元数目64、阵元位置范围0-32λ、阵元激励幅度0-1，波束宽度<2°。如图4所示是遗传算法的优化结果，(a)为阵列位置排布，(b)为阵列激励设置。图5是优化后的方向图，由该图可见通过遗传算法的优化，阵列的方向图性能达到设计要求，在0-30°的角度范围内波束宽度保持在2°左右。

进一步地，在其中一个实施例中，所述相控阵雷达系统优选为3mm相控阵雷达，结合图6，包括发射相控阵阵列前端、接收前端、频率综合器、功分器、波控器、数字信号处理器、计算机显控软件和配电电源；

所述发射相控阵阵列前端，用于通过相控阵实现对曲面天线分区域照射；(这里，对于上述的示例，发射阵列前端在方位和俯仰上各有32个天线单元，每个天线单元对应一路发射组件，共64路发射组件)；

所述接收前端，用于对回波信号的模拟部分进行处理；(这里，对于上述的示例，接收前端共5路，每路接收机都采用超外差结构，包含低噪声放大器、本振驱动放大器、混频器及中频放大器)；

所述频率综合器，用于为雷达系统产生基准时钟、本振信号和发射激励信号；

所述数字处理器，用于实现对回波信号的采集、处理及收发时序的控制，获得相位信息；还用于执行遗传算法对天线阵列进行优化；

所述功分器，用于完成本振信号和发射激励信号的功分；

所述波控机，用于接收显控软件的控制指令，对各发射通道的移相器及幅度衰减量进行控制，实现波束扫描；

所述计算机显控软件，用于实现发送控制命令、显示实时处理信息；

所述配电电源，用于为各部件提供所需电压。

进一步地，所述接收前端采用多路宽波束接收，其中一个接收天线与发射天线安装在同一位置，其它n个接收天线安放在n个均分区域的中心位置，并与发射天线位于同一平面内。

这里，增加一路中心接收天线的目的是通过多接收支路同时对核心区域进行测量以提高核心区域的测量精度。

进一步地，所述数字处理器包括高速信号采集模块、数字IQ解调器、数据处理模块和时序控制模块；

所述高速信号采集模块，用于对回波信号进行采集；

所述数字IQ解调器，用于对基带信号进行解调；

所述数据处理模块，用于对回波信号进行处理，获得相位信息；

所述时序控制模块，用于控制收发时序。

这里，介绍本发明中采用的高精度相对位移测量算法。相对位移测量的精度由相位测量精度及波长决定，为了提高相对位移测量精度，可以通过减小波长及提高相位测量精度。在系统设计时候，通过将工作频率设置为93GHz，波长只有3.2mm。为了进一步提高相对位移测量精度，要解决高精度相位测量技术。IQ不平衡是影响相位测量关键因素，为了提高IQ解调器幅度与相位不平衡度问题，采用数字IQ的方案彻底解决IQ解调器幅度与相位不平衡问题，提高系统得相位测量精度。一般的接收机中，基带信号都是通过模拟的解调器解调得到的。系统通过另一种方法来处理基带信号即数字化技术，通过该技术可以把基带信号的模拟处理变为数字化信号处理。这样，直接在数字域对基带信号进行解调，数字电路的功能得到充分利用，可以进行不同调制方式的多种信号的解调，极具灵活性。系统框图参见7所示。从图中可以看出，它也有两次变频，只不过采用数字化技术处理第二次变频和滤波。第一次混频后的信号经滤波、放大之后，再由A/D转换器转变为数字信号。然后与两路正交的数字化本振信号相乘，最后经滤波后就可得到想要的基带IQ信号，通过IQ信号获得相位信息。相比于模拟IQ解调器，数字IQ解调器具有方便灵活，幅度相位一致性高等优点。除了数字IQ算法外，本发明还采用相位解缠算法，泄露及周围环境干扰误差校正算法、多次测量取平均算法等，通过这些算法提高相位测量准确度，从而提高形变测量精度。

在一个实施例中，提供了一种大型曲面天线微变形测量系统，所述系统包括相控阵雷达系统和上位机；

所述相控阵雷达系统，用于对待测曲面天线阵列进行优化，获得最优的阵元激励和间距；还用于对天线阵列进行波束扫描，获得相位信息，并根据相位信息计算天线变形量；优选地，相控阵雷达系统安放在待测曲面天线中心正前方；

所述上位机，用于搭载显控软件，用于实现发送控制命令，显示实时处理信息。

这里，集成显控软件主要用来控制雷达标定、雷达工作，与雷达数据交互、二维形变数据显示以及数据存储。上位机与数字处理器之间采用RS485接口进行通信，上位机接收数字处理器的处理结果以及发送控制指令给数字处理器。

关于大型曲面天线微变形测量系统的具体限定可以参见上文中对于大型曲面天线微变形测量方法的限定，在此不再赘述。上述大型曲面天线微变形测量系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

系统具体工作原理如下：系统首先要进行标定，标定过程为天线在初始状态(常温、常压)下，显控软件控制发射相控阵扫描整个需要测量的区域，并同时控制相对应的接收机工作接收回波信号，通过信号处理器得到各个区域的初始相位(即标定距离)，并将各区域的初始相位保存在上位机中。实际测量时候，显控软件将需测量的区域送波控器和接收前端，波控器根据控制码控制各路移相器的移相度数和幅度衰减，控制发射波束指向需测量的区域，接收电路根据控制码选择相应接收支路，接收曲面天线相应区域反射回波，通过各种模拟处理和信号处理后得到实时相位，并与上位机中存储的该区域标定相位进行比较，得到测量区域相对于标定时的相对位移，从而得到曲面天线在此时相对于初始状态的变形值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将曲面天线的检测区域划分为多个小块形成包括多个阵元的天线阵列；

步骤2，通过相控阵雷达系统对天线阵列进行波束扫描，获得初始相位信息；

步骤3，利用遗传算法对天线阵列进行优化；

步骤4，判断优化结果是否达到优化目标或是否达到预设迭代次数，若是，则输出优化结果，否则返回执行上一步；

步骤5，通过相控阵雷达系统实时对天线阵列进行波束扫描，基于当前相位信息和初始相位信息，实时获得天线变形量。

2.根据权利要求1所述的大型曲面天线微变形测量系统，其特征在于，步骤3所述利用遗传算法对天线阵列进行优化，具体过程包括：

步骤3-1，以实数值表示每个阵元的激励和间距d_n并将其作为基因，由基因组成个体I，每个个体的长度为N；之后随机生成初始种群P、初始交叉概率P_c、初始变异概率P_m和初始迭代次数K；

步骤3-2，根据产生波束的要求设计适应度函数，将每个个体代入适应度函数，计算相应的适应度值，选取适应度值最小的个体作为最优个体；

步骤3-3，将每一代的最优适应度值和最优个体保留，其他非最优的个体则通过筛选选择是否遗传到下一代；

步骤3-4，随机生成每个个体的基因，并判断每个基因的生成概率是否大于交叉概率，若是，则该基因发生交叉，否则不交叉；

步骤3-5，随机生成每个个体的基因，并判断每个基因的生成概率是否大于变异概率，若是，则该基因发生变异，否则不发生变异；

步骤3-6，判断是否达到设定的最大迭代次数或最优适应度值不改变，若是，则终止迭代，并将某一代适应度最优的个体作为全局最优解。

3.根据权利要求2所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，步骤3-2中所述适应度函数为：

式中，c_i是权重系数，总和为1，f₁用于控制波束的旁瓣，f₂用于控制波束的宽度。

4.根据权利要求3所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，所述f₁的具体公式为：

f₁＝|SLL_max-SLL_d|²/|SLL_d|²

式中，SLL_max，SLL_d分别代表方向图优化过程每次迭代得到的旁瓣值和设定的理想旁瓣值；

所述f₂的具体公式为：

f₂＝|FNBW_max-FNBW_d|²/|FNBW_d|²

式中，FNBW_max和FNBW_d分别代表每次优化得到的波束宽度值和设定理想波束宽度值。

5.根据权利要求3所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，步骤3-3中其他非最优的个体按轮盘赌注法选择是否遗传到下一代。

6.根据权利要求1所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，所述相控阵雷达系统包括发射相控阵阵列前端、接收前端、频率综合器、功分器、波控器、数字信号处理器、计算机显控软件和配电电源；

所述发射相控阵阵列前端，用于通过相控阵实现对曲面天线分区域照射；

所述接收前端，用于对回波信号的模拟部分进行处理；

所述频率综合器，用于为雷达系统产生基准时钟、本振信号和发射激励信号；

所述数字处理器，用于实现对回波信号的采集、处理及收发时序的控制，获得相位信息；还用于执行遗传算法对天线阵列进行优化；

所述功分器，用于完成本振信号和发射激励信号的功分；

所述波控机，用于接收显控软件的控制指令，对各发射通道的移相器及幅度衰减量进行控制，实现波束扫描；

所述计算机显控软件，用于实现发送控制命令、显示实时处理信息；

所述配电电源，用于为各部件提供所需电压。

7.根据权利要求5所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，所述接收前端采用多路宽波束接收，其中一个接收天线与发射天线安装在同一位置，其它n个接收天线安放在n个均分区域的中心位置，并与发射天线位于同一平面内。

8.根据权利要求5所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，所述数字处理器包括高速信号采集模块、数字IQ解调器、数据处理模块和时序控制模块；

所述高速信号采集模块，用于对回波信号进行采集；

所述数字IQ解调器，用于对基带信号进行解调；

所述数据处理模块，用于对回波信号进行处理，获得相位信息；

所述时序控制模块，用于控制收发时序。

9.根据权利要求6所述的大型曲面天线微变形测量方法，其特征在于，所述数字处理模块对回波信号进行处理获取相位信息时，采用相位解缠算法、泄露及周围环境干扰误差校正算法以及多次测量取平均算法。

10.基于权利要求1至9任意一项所述方法的大型曲面天线微变形测量系统，其特征在于，所述系统包括相控阵雷达系统和上位机；

所述相控阵雷达系统，用于对待测曲面天线阵列进行优化，获得最优的阵元激励和间距；还用于对天线阵列进行波束扫描，获得相位信息，并根据相位信息计算天线变形量；

所述上位机，用于搭载显控软件，用于实现发送控制命令，显示实时处理信息。