CN116840794A - 相控阵sar天线阵面形变对方向图影响分析方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法和系统，包括：获取机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；从而得到对应的方向图；进而评估不同因素对方向图的影响。本发明通过将机、电、热三个维度影响因素对TR通道幅相的统一和叠加的方法，构建了相控阵SAR天线多物理场耦合条件下的天线方向图统一场模型，在天线设计前端可用于指标分配，在天线研制过程中可用于误差影响评估及控制，在天线使用过程中可用于天线方向图模型的修正，该方法适用于所有相控阵SAR天线的阵面形变对方向图影响分析。
Description
技术领域
本发明涉及SAR天线阵面形变对方向图影响分析领域，具体地，涉及一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法和系统。
背景技术
相比于传统抛物面SAR天线高射频功率微放电、高压击穿、高温散热难、集中式馈源冗余度低，以及大天线耦合干扰强，扫描速度慢，扫描精度低等特点，相控阵SAR天线具备可靠性高(分布式供电、降低组件功耗和电压)、冗余度高(组件数量多，允许失效率高)、波束切换快速(毫秒级，可一次航过大范围多目标定点观测)的优势。
期刊雷达学报，第7卷，第4期，2018年8月公开了一种新颖的星载SAR无线内定标方法研究，提出了定标原理和分析模型以及SAR天线TR通道幅相特性和系统传递函数的标定方法。
期刊现代雷达，第37卷，第10期，2015年10月公开了一种有源相控阵天线快速检测系统设计，该设计基于远场暗室监测系统，通过天线方向图测量手段定位天线故障区域的位置的检测方法。
专利文献CN112104431A公开了一种相控阵天线测量误差修正方法、装置和测量系统，涉及测试技术领域。本发明实施例提供的相控阵天线测量误差修正方法、装置和测量系统，通过记录接收到转动机构转动到每个标记点时发送的标记信号的标记时间，根据每个标记点的位置以及每个标记点对应的标记时间计算得到修正时间，根据修正时间，对基于测试状态点进行采样测试的采样时间进行修正，进而对基于测试状态点进行采样测试的采样位置进行修正。
专利文献CN111987462A公开了一种相控阵天线相位校准测量系统及方法，该系统包括待测相控阵天线，测量暗箱，测量探头。通过在远场增加测量探头的观测角度，测量待测相控阵天线不同配相状态下探头的接收信号，通过本发明提出的算法计算出相控阵天线各个阵列单元初始的幅度和相位信息。该发明可以有效的减小相控阵天线初始幅度相位校准所需要的测量时间和相移状态切换次数，提高了相控阵天线校准系统的测试效率，进而获得相控阵天线各个阵列单元的初始幅度和相位信息。
专利文献CN111753412A公开了一种基于近区场重采样的阵列单元幅相一致性计算方法，属于相控阵天线测量技术。该方法在获得天线阵列每个单元的近区场采样数据的基础上，首先以各单元中心法线为中心，取一定张角的区域，使用相同的局部栅格点重采样数据；然后选定基准单元，对幅度数据，计算每个单元在局部栅格点内的功率标量累积，再与基准单元作差，求得各单元的幅度一致性；对相位数据，将每个单元与基准单元在局部栅格点上的相位作差，再计算区域内的差相位加权平均值，求得各单元的相位一致性。
方向图对相控阵SAR天线的工作性能有着重要影响，相控阵SAR天线通过对天线阵面上每个TR通道赋以不同的幅度、相位加权波控码，实现所需形状和指向的天线方向图。对于大型相控阵SAR天线阵面，其阵面平面度对合成方向图有着显著影响，这一影响随着信号频段的升高而增大。在天线设计前端需对天线阵面形变误差量进行指标分配，在天线研制过程中需对各误差因素影响进行评估及控制，在天线使用过程中需对形变进行测量或仿真分析以修正天线方向图模型。
因此需要建立天线阵面形变对天线方向图影响的统一分析模型，将机、电、热三个维度的影响因素统一评估。
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相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法和系统。
根据本发明提供的一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，包括：
步骤S1：获取相控阵SAR天线在机、电、热三个维度的阵面数据；
步骤S2：将所述阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；
步骤S3：将所述坐标系中的机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；
步骤S4：对所述天线阵面单TR幅相分布数据处理后得到对应的方向图；
步骤S5：分别对比不同影响因素下所述方向图的形状、指向的变化，进而评估不同因素对方向图的影响。
优选地，所述机、电、热的阵面数据分别包括天线阵面平面度数据、天线阵面端口幅相数据、天线阵面热变形数据；
所述数据叠加根据波长和位移的比例换算成相位变化，进而与端口相位进行叠加。
优选地，所述天线阵面平面度数据拟合得到得平面度数据的二维平面，所述天线阵面热变形数据拟合得到热变形数据的二维平面；
将所述平面度数据的二维平面、热变形数据的二维平面按端口二维排布进行投影，进而将机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布坐标系中。
优选地，步骤S4包括：
步骤S4.1：对所述天线阵面单TR幅相分布数据逐行和逐列的计算复数的平均值，分别得到一维的逐行定标复数据和逐列定标复数据；
步骤S4.2：对所述逐行定标复数据拟合后得到距离向方向图，对所述逐列定标复数据拟合后得到方位向方向图。
优选地，基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，通过机、电、热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。
根据本发明提供的一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，包括：
模块M1：获取相控阵SAR天线在机、电、热三个维度的阵面数据；
模块M2：将所述阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；
模块M3：将所述坐标系中的机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；
模块M4：对所述天线阵面单TR幅相分布数据处理后得到对应的方向图；
模块M5：分别对比不同影响因素下所述方向图的形状、指向的变化，进而评估不同因素对方向图的影响。
优选地，所述机、电、热的阵面数据分别包括天线阵面平面度数据、天线阵面端口幅相数据、天线阵面热变形数据；
所述数据叠加根据波长和位移的比例换算成相位变化，进而与端口相位进行叠加。
优选地，所述天线阵面平面度数据拟合得到得平面度数据的二维平面，所述天线阵面热变形数据拟合得到热变形数据的二维平面；
将所述平面度数据的二维平面、热变形数据的二维平面按端口二维排布进行投影，进而将机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布坐标系中。
优选地，模块M4包括：
模块M4.1：对所述天线阵面单TR幅相分布数据逐行和逐列的计算复数的平均值，分别得到一维的逐行定标复数据和逐列定标复数据；
模块M4.2：对所述逐行定标复数据拟合后得到距离向方向图，对所述逐列定标复数据拟合后得到方位向方向图。
优选地，基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，通过机、电、热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过将机、电、热三个维度影响因素对TR通道幅相的统一和叠加的方法，进而分析评估相控阵SAR天线阵面形变对方向图的影响，可以作为天线研制过程中的优化点，协助天线结构工程师优化天线，使天线能在恶劣环境下保持良好的性能。
2、本发明是基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，无需大型微波暗室和远场测量系统等测试条件，简化测试流程。
3、本发明提出的一种将机、电、热三个维度影响因素统一分析的方法，能够有效地将相控阵SAR天线工程研制中不同领域的影响因素统一融合，该方法适用于所有相控阵SAR天线的阵面形变对方向图影响分析。具体而言，本发明通过将机、电、热三个维度影响因素对TR通道幅相的统一和叠加的方法，构建了相控阵SAR天线多物理场耦合条件下的天线方向图统一场模型，在天线设计前端可用于指标分配，在天线研制过程中可用于误差影响评估及控制，在天线使用过程中可用于天线方向图模型的修正，该方法适用于所有相控阵SAR天线的阵面形变对方向图影响分析。
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为本发明的流程示意图。
图2为平面摄影测量得到的阵面平面度示意图。
图3为阵面热变形仿真得到的热变形示意图。
图4为阵面单TR测试定标获取的幅相云图。
图5为发射距离向方向图叠加不同误差因素前后的对比示意图。
图6为发射方位向方向图叠加不同误差因素前后的对比示意图。
图7为接收距离向方向图叠加不同误差因素前后的对比示意图。
图8为接收方位向方向图叠加不同误差因素前后的对比示意图。
图2至图3中，横坐标表示相控阵天线方位向通道排布坐标，纵坐标表示相控阵天线距离向通道排布坐标，竖坐标表示相控阵天线阵面形变量。
图4中，上图表示幅度，下图表示相位，横坐标表示相控阵天线方位向通道排布坐标，纵坐标表示相控阵天线距离向通道排布坐标，竖坐标表示相控阵天线每个TR通道对应的幅度值和相位值。
图5至图8中，横坐标表示方向图角度坐标，纵坐标表示方向图幅度坐标。
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。
本发明提出的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法和系统，将天线阵面机械形变、热变形统一到天线通道幅相分布坐标系下，并将位移形变量转化至相位，可以叠加到天线阵面的通道幅相分布数据上，进而拟合出距离向和方位向方向图，并进行不同误差因素下的方向图形状和指向评估，普适于所有相控阵天线。
本发明基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，采用机电热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。由于是有线链路测试，无需大型微波暗室和远场测量系统等测试条件，且能够实现机、电、热三个维度下影响因素对TR通道幅相的统一和叠加，本发明更为快速，且测试条件要求低。
根据本发明提供的一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，如图1所示，包括：
步骤S1：获取相控阵SAR天线在机、电、热三个维度的阵面数据；所述机、电、热的阵面数据分别包括天线阵面平面度数据、天线阵面端口幅相数据、天线阵面热变形数据；
步骤S2：将所述阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；所述天线阵面平面度数据拟合得到得平面度数据的二维平面，所述天线阵面热变形数据拟合得到热变形数据的二维平面；将所述平面度数据的二维平面、热变形数据的二维平面按端口二维排布进行投影，进而将机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布坐标系中。
步骤S3：将所述坐标系中的机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；所述数据叠加根据波长和位移的比例换算成相位变化，进而与端口相位进行叠加。
步骤S4：对所述天线阵面单TR幅相分布数据处理后得到对应的方向图；步骤S4包括：
步骤S4.1：对所述天线阵面单TR幅相分布数据逐行和逐列的计算复数的平均值，分别得到一维的逐行定标复数据和逐列定标复数据；
步骤S4.2：对所述逐行定标复数据拟合后得到距离向方向图，对所述逐列定标复数据拟合后得到方位向方向图。
步骤S5：分别对比不同影响因素下所述方向图的形状、指向的变化，进而评估不同因素对方向图的影响。
本发明基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，通过机、电、热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。
本发明提出的一种将机、电、热三个维度影响因素统一分析的方法，能够有效地将相控阵SAR天线工程研制中不同领域的影响因素统一融合，在天线设计前端可用于指标分配，在天线研制过程中可用于误差影响评估及控制，在天线使用过程中可用于天线方向图模型的修正，该方法适用于所有相控阵SAR天线的阵面形变对方向图影响分析。
具体地，以下述4种组合的方向图对相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响的分析方法进一步说明：
4种组合数据分别是单TR测试定标幅相数据、平面度数据加单TR测试定标幅相数据、热变形数据加单TR测试定标幅相数据，以及平面度数据加热变形数据加单TR测试定标幅相数据。
首先，采用平面摄影测量手段获取天线阵面平面度数据，采用热变形有限元模型仿真得到阵面热变形数据，采用单TR测试定标获得阵面通道幅相数据。本发明中对于天线阵面平面度数据获取方法包括平面摄影测量、平面度建模；对于天线阵面热变形数据获取方法包括高低温热变形试验、热变形仿真；对于天线阵面端口幅相数据获取方法包括理论方向图模型、基于单TR测试定标。
然后，采用二维线性插值方法对平面度数据和热变形数据进行二维平面拟合，以天线阵面通道二维排布为坐标系统一机、电、热数据。具体地，对于天线阵面平面度数据，其测量点坐标为天线阵面靶标的平面摄影测量结果，基于二维线性插值的方法获得平面度数据的二维拟合平面；对于天线阵面热变形数据，其测量点坐标与天线阵面平面度数据相同，同样可获得热变形数据的二维拟合平面；对于天线阵面端口幅相数据，由于其为后续拟合方向图的基础数据，故将机、热形变数据的二维拟合平面按端口二维排布进行投影。
如图2所示，通过平面摄影测量获得靶标平面度数据后，采用二维线性插值，进而统一到天线阵面通道二维排布的坐标系下，对应的平面度二维分布图。
如图3所示，通过天线阵面有限元模型的热变形仿真获得热变形数据后，采用二维线性插值，进而统一到天线阵面通道二维排布的坐标系下，对应的热变形数据二维分布图。
如图4所示，通过单TR测试定标获得天线端口幅相数据，进行一维到二维的映射后，获得的天线阵面幅相云图。
接着，将机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布中。
再接着，对天线阵面单TR幅相分布采用逐行、逐列复数平均的方法分别拟合距离向方向图和方位向方向图。分别针对单TR测试定标幅相数据、平面度数据加单TR测试定标幅相数据、热变形数据加单TR测试定标幅相数据，以及平面度数据加热变形数据加单TR测试定标幅相数据4种阵面通道幅相分布，分别进行了方向图拟合。
最后，分别对比不同影响因素下方向图的形状、指向变化。本说明主要对方向图主瓣范围内，4种组合的方向图形状进行了对比。如图5所示，为距离向方向图和方位向方向图叠加不同误差因素前后的对比，由不同误差因素叠加后的天线阵面幅相云图，分别进行距离向和方位向方向图的拟合，得到不同因素下的方向图，进行方向图主瓣内形状的对比。
本发明还提供了一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，本领域技术人员可以通过执行所述相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法的步骤流程实现所述相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，即可以将所述相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法理解为所述相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统的优选实施方式。
根据本发明提供的一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，包括：
模块M1：获取相控阵SAR天线在机、电、热三个维度的阵面数据；所述机、电、热的阵面数据分别包括天线阵面平面度数据、天线阵面端口幅相数据、天线阵面热变形数据；
模块M2：将所述阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；所述天线阵面平面度数据拟合得到得平面度数据的二维平面，所述天线阵面热变形数据拟合得到热变形数据的二维平面；将所述平面度数据的二维平面、热变形数据的二维平面按端口二维排布进行投影，进而将机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布坐标系中。
模块M3：将所述坐标系中的机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；所述数据叠加根据波长和位移的比例换算成相位变化，进而与端口相位进行叠加。
模块M4：对所述天线阵面单TR幅相分布数据处理后得到对应的方向图；模块M4包括：
模块M4.1：对所述天线阵面单TR幅相分布数据逐行和逐列的计算复数的平均值，分别得到一维的逐行定标复数据和逐列定标复数据；
模块M4.2：对所述逐行定标复数据拟合后得到距离向方向图，对所述逐列定标复数据拟合后得到方位向方向图。
模块M5：分别对比不同影响因素下所述方向图的形状、指向的变化，进而评估不同因素对方向图的影响。
本发明基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，通过机、电、热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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 (10)
1.一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取相控阵SAR天线在机、电、热三个维度的阵面数据；
步骤S2：将所述阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；
步骤S3：将所述坐标系中的机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；
步骤S4：对所述天线阵面单TR幅相分布数据处理后得到对应的方向图；
步骤S5：分别对比不同影响因素下所述方向图的形状、指向的变化，进而评估不同因素对方向图的影响。
2.根据权利要求1所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，其特征在于，所述机、电、热的阵面数据分别包括天线阵面平面度数据、天线阵面端口幅相数据、天线阵面热变形数据；
所述数据叠加根据波长和位移的比例换算成相位变化，进而与端口相位进行叠加。
3.根据权利要求2所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，其特征在于，所述天线阵面平面度数据拟合得到得平面度数据的二维平面，所述天线阵面热变形数据拟合得到热变形数据的二维平面；
将所述平面度数据的二维平面、热变形数据的二维平面按端口二维排布进行投影，进而将机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布坐标系中。
4.根据权利要求1所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，其特征在于，步骤S4包括：
步骤S4.1：对所述天线阵面单TR幅相分布数据逐行和逐列的计算复数的平均值，分别得到一维的逐行定标复数据和逐列定标复数据；
步骤S4.2：对所述逐行定标复数据拟合后得到距离向方向图，对所述逐列定标复数据拟合后得到方位向方向图。
5.根据权利要求1所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析方法，其特征在于，基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，通过机、电、热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。
6.一种相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，其特征在于，包括：
模块M1：获取相控阵SAR天线在机、电、热三个维度的阵面数据；
模块M2：将所述阵面数据统一到阵面端口二维排布的坐标系中；
模块M3：将所述坐标系中的机、热形变位移数据转化为相位变化数据，分别和阵面通道幅相数据叠加得到天线阵面单TR幅相分布数据；
模块M4：对所述天线阵面单TR幅相分布数据处理后得到对应的方向图；
模块M5：分别对比不同影响因素下所述方向图的形状、指向的变化，进而评估不同因素对方向图的影响。
7.根据权利要求6所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，其特征在于，所述机、电、热的阵面数据分别包括天线阵面平面度数据、天线阵面端口幅相数据、天线阵面热变形数据；
所述数据叠加根据波长和位移的比例换算成相位变化，进而与端口相位进行叠加。
8.根据权利要求7所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，其特征在于，所述天线阵面平面度数据拟合得到得平面度数据的二维平面，所述天线阵面热变形数据拟合得到热变形数据的二维平面；
将所述平面度数据的二维平面、热变形数据的二维平面按端口二维排布进行投影，进而将机、电、热三个维度的阵面数据统一到阵面端口二维排布坐标系中。
9.根据权利要求6所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，其特征在于，模块M4包括：
模块M4.1：对所述天线阵面单TR幅相分布数据逐行和逐列的计算复数的平均值，分别得到一维的逐行定标复数据和逐列定标复数据；
模块M4.2：对所述逐行定标复数据拟合后得到距离向方向图，对所述逐列定标复数据拟合后得到方位向方向图。
10.根据权利要求6所述的相控阵SAR天线阵面形变对方向图影响分析系统，其特征在于，基于星上天线自带的定标网络获取有线传输链路幅相，对于有线链路无法覆盖到的天线阵面部分，通过机、电、热坐标系统一的方式叠加机械形变、热变形对相位的影响。
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|---|---|---|---|---|
| CN117310707A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法 |
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- 2023-06-12 CN CN202310693856.0A patent/CN116840794A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117310707A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法 |
| CN117310707B (zh) * | 2023-11-30 | 2024-02-02 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法 |
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