一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法

技术领域

本发明涉及天线罩瞄准技术领域，具体为一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法。

背景技术

对于当代的飞行器而言,天线罩存在的意义在于为天线系统提供正常的工作环境,同时维护飞行器气动外形与结构的统一.天线罩要满足特定外形,又位处天线的辐射近场,难免造成电磁波的畸变与反射,导致天线的指向角产生偏差,即瞄准误差(BoresightError,BSE).瞄准误差影响天线的跟踪精度,是天线罩设计中的一项关键指标.

当前的低瞄准误差天线罩大多采用变厚度设计,为了精确确定各站位点的厚度,通常要使用进化算法来进行优化.这始于Hsu采用模拟退火方法对单层天线罩瞄准误差的优化.之后,遗传算法、免疫克隆算法、粒子群算法均被应用于天线罩瞄准误差的优化.相较于早期的准对称相位等近似方法,进化算法直接以远场参数作为设计依据,使瞄准误差的有效抑制成为可能,但其在优化过程中要求对每一个待评价的样本计算一次带罩天线的辐射远场,巨大的计算量无可回避，另一方面,既然所设计的天线与罩是同一个系统,对阵列天线辐射场的优化一样能取得抑制瞄准误差的效果，同时,这种阵列的优化仍然需要面对反复计算辐射场引发的效率问题。

优化阵列天线需要调节阵元的相位,而这通常借助二进制的数字移相器来实现.数字实现造成量化误差,高位数的移相器误差虽小,成本却很高,所以需要加强低位移相器的量化精度.早期的移位加权馈相法，无法应用于带罩天线的设计，而随机馈相法，要求有一定规模的阵元数量，针对低位移相器构成的小规模的阵列,Ciattaglia采用相位偏移选择技术，提高了阵列的指向精度,只是计算效率较低。

为此，本身本申请提出一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有天线罩瞄准误差优化中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法，通过建立快速迭代算法实现了天线罩指向角的修正.并改进了低位数字移相器的相位偏移选择技术,完成了理论相位的低瞄准误差数字化离散.联系带罩相控阵天线模型的具体特点,分析了快速的辐射场计算方法,可以在优化设计过程中显著提高计算效率,便于实现面向扫描角完整变化区间的大量优化。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法，包括以下步骤：

步骤一：带罩天线计算，预先计算系数矩阵节约优化时间；

步骤二：瞄准误差修正；

步骤三：理论相位的数字化实现；

步骤四：与直接优化数字相位方法的比较；

步骤五：计算分析。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤一中，采用口径积分-表面积分(AI-SI)法计算带罩天线辐射场,将主要的辐射场求解运算表示为线性变换的形式,通过预先计算系数矩阵节约优化时间。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤一中，相控阵电流优化的过程中,保持天线罩外形与位置不发生改变。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤二中，针对结构均匀、剖面轮廓连续的轴对称天线罩。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤三中，采用基于偏移量优选的相位数字化技术，用较低位数移相器取得符合要求的相位数字化效果。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤四中，主要包括两步，先调整指向角,得到最佳理论相位；再优化数字相位,使它与理论相位更加接近。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤四中，优化瞄准误差时无需担忧主瓣宽度增加或旁瓣电平升高,仅需计算目标角度附近的精确远场即可。

作为本发明所述的一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法的一种优选方案，其中：所述步骤五中，首先针对差方向图的瞄准误差进行优化。

与现有技术相比：本发明通过建立快速迭代算法实现了天线罩指向角的修正.并改进了低位数字移相器的相位偏移选择技术,完成了理论相位的低瞄准误差数字化离散.联系带罩相控阵天线模型的具体特点,分析了快速的辐射场计算方法,可以在优化设计过程中显著提高计算效率,便于实现面向扫描角完整变化区间的大量优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明带罩天线阵列结构示意图；

图2为本发明差方向图瞄准误差优化理论指向修正结构示意图；

图3为本发明差方向图瞄准误差优化数字相位实现结构示意图；

图4为本发明方向图瞄准误差优化结构示意图；

图5为本发明优化前后20°指向的差方向图比较结构示意图；

图6为本发明优化前后20°指向的和方向图比较结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种天线罩瞄准误差的快速迭代优化方法，通过建立快速迭代算法实现了天线罩指向角的修正.并改进了低位数字移相器的相位偏移选择技术,完成了理论相位的低瞄准误差数字化离散.联系带罩相控阵天线模型的具体特点,分析了快速的辐射场计算方法,可以在优化设计过程中显著提高计算效率,便于实现面向扫描角完整变化区间的大量优化，请参阅图1-图6，以下步骤：

步骤一，带罩天线计算方法

本文采用口径积分—表面积分(AI-SI)法计算带罩天线辐射场,将主要的辐射场求解运算表示为线性变换的形式,通过预先计算系数矩阵节约优化时间.

在如图1所示二维模型内,相控阵天线呈一组平行于z轴的无限长线电流激励源,是为

在此,n为阵元序号,A与φ分别代表电流的幅度与相位,天线阵的辐射电场仅有z向分量,天线罩内表面第p个剖分单元处的入射电场为

其中,ω是电磁波角频率,k是自由空间波数,μ

并有

而罩内表面入射磁场的x分量为

其中,y为源点与场点的y坐标,

并有

入射磁场的y分量为

其中,x为源点与场点的x坐标.上式亦可以表示为

并有

在式(3)、(6)、(9)中的矩阵W

天线罩外表面上的切向电场E

E

H

式中,T

罩外表面上的等效电磁流可表示为

J＝n×H

其中,n为该等效面的单位外法向矢量.

二维空间中的等效电磁流的辐射场为

当ρ→∞时,可利用汉克尔函数渐进展开简化上式,并表示为标量的形式如下

其中,

其中,l

并有

因为相控阵电流优化的过程中,天线罩外形与位置并不发生改变,所以系数w与矩阵W

步骤二，瞄准误差修正

当天线扫描角为ν时,阵列单元的理论相位值应为:

其中λ为波长,d为阵元间距.将φ

针对结构均匀、剖面轮廓连续的轴对称天线罩,本文设计了一个迭代优化过程,用以调节ν,使R(ν)接近目标指向角θ,如下

ν

ν

ψ

下面分析该迭代的收敛性:

设Δ(ν)为天线罩对指向ν造成的偏转角.即有

R(ν)＝ν+Δ(ν) (25)

由式(24)(25),式(23)又可以表示为

ν

若令

则

上式可以看成不动点ν

因为天线罩轮廓在空间中是连续渐变的,材料分布也不存在突变的情况,所以其对天线远场的电特性影响亦是连续渐变的,在此情况下,指向偏角Δ(ν)也不会有突变的情况,亦即Δ′(ν)连续.由于

可得

轴对称天线罩在0度指向(ν＝0)时,Δ(ν)为0；而对于任何其他指向来说,天线罩的存在只是轻微改变了天线的照射方向,Δ(ν)对R(ν)没有大的影响,R(ν)总是与ν相接近,所以

根据不动点迭代的局部收敛性定理,

可以看到,对于优化瞄准误差,选择调节天线指向角是上文迭代方法成立的前提,因为天线指向角的解维数限于1,概念直观,而且与瞄准误差同单位.若优化需调节阵元相位补偿值,那这种多维解的复杂问题只能采用传统进的化算法求解了.迭代优化的速度是进化算法无可比拟的,对于同一目标辐射角度,迭代优化仅需对一维解迭代数次即可得到满意的结果,而进化算法需要实现大量样本的多代进化,计算工作量很大。

步骤三，理论相位的数字化实现

采用一种基于偏移量优选的相位数字化技术.该方法对各个阵元相位φ

φ

s

其中P

其中α

对大量不同K值作方向图计算来寻找K

f

步骤四，与直接优化数字相位方法的比较

本文方法可以概括为两步：先调整指向角，得到最佳理论相位；再优化数字相位，希望它与理论相位更加接近，算法所耗费的时间也主要在这一步.事实上，如果忽略理论相位的调整，直接给予数字相位更大的自由度并直接作优化，也可以达到消除带罩天线系统瞄准误差的目标.优化数字相位可以针对相位补偿值也可以针对相位本身.在阵元数目较少且移相器位数较低的情况下，相位补偿值能够调节的范围极其有限，通常无法满足优化需要.而对于数字相位本身的优化，通常意味着对所有N个阵元相位的编码，编码范围涵盖移相器所能实现的所有相位，这种情况下得到的样本具有很大的随机性，波束外形难免与需求差别极大.所以它一方面需要调节N个控制量，另一方面又得排除巨量的不合格样本；相比本文算法的第二步，仅调节唯一的变量K，同时样本由数字化误差引起的差异相对较小，不用去做不合格样本的排除工作.本文方法的优化效率明显更高。

另外，考虑到直接相位优化必须在操作中控制主瓣宽度与旁瓣电平，这样对每个样本都需计算整个远场区间的辐射方向图，而本文方法优化瞄准误差时无需担忧主瓣宽度增加或旁瓣电平升高，仅需计算目标角度附近的精确远场即可。如此一来，远场计算点数显著减少，计算量相应降低。

步骤五，计算分析

在此优化一个包含线阵的正切卵形天线罩的瞄准误差.16元等幅线阵间距0.5λ，频率13GHz.数字移相器的位数设为4.天线罩长24λ，底部直径12λ，罩厚0.2823λ，相对介电常数4，损耗正切0.015.

首先针对差方向图的瞄准误差进行优化，带罩天线系统的扫描角范围选取0至50°，间隔为1°，图2显示了调节天线理论指向的瞄准误差迭代修正过程，可见通过两次迭代修正，系统的瞄准误差已经低于0.006°，因为相位数字离散还会引入稍大的误差，所以已无继续迭代的必要.另外可以注意到，在扫描角12至15°时，未作修正前的瞄准误差值均为0.6°，这是由于瞄准误差较大时计算精度较低的缘故.为了提高计算效率，计算远场时，首先按0.1°的计算间隔求取系统指向误差，如果指向误差在±0.5°范围内，才按0.001°的计算间隔详细求解.理论相位的数字离散效果如图3所示。

引入最优相移K

因为4位移相器有16种状态，阵列的数字相位在这里用一组十六进制数字表示。

表1差方向图瞄准误差优化的部分相位参数

针对和方向图的瞄准误差优化结果如图4所示,经历指向迭代修正与相位离散化之后,系统的最大瞄准误差为0.065°.图5与图6分别显示了20度扫描角时,系统优化前后的差方向图与和方向图.可见尽管优化过程中的适应度函数只体现了瞄准误差,优化并没有改变方向图的分布,主瓣宽度与旁瓣电平均未受到明显影响。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。