基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法技术

本发明专利技术公开的基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，属于天线技术领域，通过利用嵌入相控阵天线的光纤光栅应变传感器，得到天线阵在服役中的实时应变信息，根据应变电磁耦合算法计算出激励电流的幅值和相位调整量，将计算出天线激励电流的幅值和相位调整量，由波控电路控制T/R组件电路中的移相和衰减器完成相应调整，不仅恢复了相控阵天线的波束指向，而且可以降低相控阵天线的副瓣，提高了相控阵天线电性能的稳定性，解决了现有技术存在的相控阵天线在服役中，因气动、振动、冲击和温度变化等原因，导致天线阵面发生变形，从而进一步导致天线电性能恶化的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法
本专利技术属于天线
，涉及相控阵天线电性能的补偿方法，具体涉及一种基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法。
技术介绍
相控阵天线阵面是相控阵雷达的核心结构部分，相控阵天线在服役中，因气动、振动、冲击和温度变化等原因，导致天线阵面发生变形，从而进一步导致天线电性能恶化，如波束指向偏差、增益下降、副瓣抬高等。为了保障天线的可靠性服役，就需要对相控阵天线电性能进行补偿。目前天线电性能的补偿方法主要有两种，一种是机械补偿方法，通过提高天线结构的刚度强度或者增加主动调整装置，来降低天线阵面的变形，但这会使得天线结构笨重，系统机动性降低，天线系统的复杂度提高。另一种方法是电补偿的方法，电补偿方法是根据天线单元的位置误差信息实时修正天线单元的激励电流幅度和相位，使得修正后的天线电性能和理想情况下电性能相同或接近。电补偿方法可在不增加天线结构重量或结构复杂度的情况下，解决由误差引起的天线电性能恶化问题。相比机械补偿方法，电补偿方法更为经济、快速。电补偿方法可以分为基于相扫原理的补偿方法和基于优化思想的补偿方法和修正天线方向图法等。基于相扫原理的补偿方法就是通过调整天线单元上激励电流的相位，将最大波束方向回调至预期的波束方向，能够实现对天线波束指向偏差的补偿，保证补偿后的最大波束指向和预期方向一致，但未能兼顾除最大波束方向之外的其它波束方向。基于优化思想的电补偿方法能够较好地补偿天线的电性能，但使用优化算法进行优化计算时，通常需要通过多次迭代计算才能找到最优值，计算耗时，难以解决服役中的实时补偿问题。B.D.Braaten等在文献“Phase-CompensatedConformalAntennasforChangingSphericalSurfaces,IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2014,62(4):1880-1887.”中提出了利用相位补偿法对球面共形天线阵进行补偿，通过建立球半径与补偿相位的耦合关系，得到半径不同球面共形阵各阵元所需的相位补偿量。曾祥能等针对未来星载SAR，在文献“星载SAR天线阵面形变分析与补偿方法[J].国防科技大学学报,2012,34(03):158-163.”中提出了一种用于星载SAR天线的空间形变实时测量与控制的闭环系统，建立了阵面形变下阵列流形误差模型，得出小幅度形变主要影响波束的旁瓣输出，通过求解补偿形变权值的最小二乘解，使阵列形变补偿后波束输出与期望波束输出最佳逼近。李海洋等在文献“面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构[J].电子机械工程,2017,33(1):19-24.”中提出了一种嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线结构，并利用模态分析和状态空间理论，从少量光纤光栅测量的应变实时重构天线结构的变形位移场。但未给出阵面变形与天线电补偿量的耦合关系。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对相控阵天线在服役中因为结构变形导致的电性能恶化，提出了一种基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，不仅可以实现相控阵天线在服役中的自适应补偿，而且可以降低补偿后的天线副瓣。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：本专利技术实施例提供的基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，包括以下步骤：(1)、通过嵌入相控阵天线的光纤光栅应变传感器得到天线阵在服役中的实时应变信息ε(t)；(2)、根据应变电磁耦合算法，计算激励电流的幅值和相位调整量；(3)、利用波控电路控制T/R组件电路中的移相和衰减器，对所述幅值和所述相位调整量进行调整。进一步地，在步骤(2)中，由测量应变计算激励电流的幅值和相位调整量，计算式如下：其中，为阵元i相位调整量，ωi为阵元i的激励电流幅值。进一步地，在步骤(2)中，由测量应变计算激励电流的幅值和相位调整量的计算过程包括以下步骤：(21)构建测量应变到天线变形位移场的转换矩阵，包括：利用基于测量应变的形变重构方法，对天线阵面进行有限元建模分析，得到测量应变与感兴趣节点的位移转换矩阵T(d)，其中，T(d)的表达式如下：其中，Φs为重构位置的模态位移矩阵，ΨM(d)为模态应变矩阵中对应传感器位置的模态应变子矩阵，d为对应的传感器位置；(22)根据相位法建立测量应变与相位补偿量的耦合关系，包括：对于一个m行n列的面阵相控阵天线，根据相位法可知在天线变形后，相位补偿量的计算表达式如下：其中，k为波数，θ0和为相控阵天线在球坐标系下的空间波束指向。ε(t)为t时刻的测量应变，To(d)是根据步骤(21)得到天线单元中心节点的应变位移转换矩阵；根据得到阵元i的相位补偿量为：(23)根据口径投影法建立测量应变与激励幅值的耦合关系，包括：用口径投影法，计算阵元i的阵列激励幅值，其中，阵列激励幅值的表示式如下：其中，Ii为阵元i投影口径平面泰勒综合的激励电流幅值，Si为阵元i投影口径平面阵元投影面积，Fi为阵元i主波束方向有源单元方向图的幅值。进一步地，在步骤(23)中，计算Ii，Si，Fi的过程如下：(231)建立测量应变与Ii的耦合关系，具体步骤如下：(2311)取出阵列的第j行，1≤j≤m，该行的z向位移记为：z＝[To(d)ε(t)]j＝[z1z2…zn-1zn]其中，T0(d)是根据步骤(21)得到的天线单元中心节点的应变位移转换矩阵；(2312)在阵列变形后，在投影口径平面上，用下式计算该行阵列阵元之间的间隔：(2313)以该投影线阵的中心为原点,用下式计算出投影的置：(2314)将步骤(2313)计算的投影位置应用到泰勒综合计算式中，得到该行阵列的泰勒激励幅值为：其中，泰勒综合的计算式如下：式中，-l/2≤x≤l/2，l为线源的口径尺寸，其中，R为主瓣与副瓣的电平之比可以根据要求进行设定，系数的表达式为：(2315)针对天线阵在口径投影面上的每一行和每一列，重复步骤(2311)～(2314)，分别得到该天线阵在口径投影面上的行和列泰勒激励幅值系数矩阵IM和IN，其均为m×n矩阵，m为阵列单元行数，n为阵列单元列数，将对应元素相乘得到投影面上的泰勒激励幅值系数矩阵：其中，为矩阵对应元素相乘的符号；(2316)根据得到阵元i在投影口径平面泰勒综合的激励电流幅值Ii为：(232)建立测量应变与Si的关系，具体步骤如下：(2321)根据三点确定一个平面，将阵元i的三个角点的记为a、b、c，和分别为阵元i相邻的边，根据步骤(21)，得到阵元角点的应变位移转换矩阵Ta(d)，Tc(d)，Tc(d)，计算出天线阵的各阵元角点位移为：(2322)阵元i三个角点的位移分别为以单元角点a为原点，以边ac的投影线段为x轴建立阵元的局部坐标系o-x'y'z'，通过下式计算阵元i绕y'轴的旋转角其中，w为天线单元的设计宽度；(2323)角点b的位置经过了两次旋转变换，其先绕x'旋转角，再绕y'轴旋转通过下式计算旋转角其中，l为天线单元的设计长度；(2324)当天线阵的扫描角为时，用下式计算阵元i在投影方向上的投影面积：(233)建立测量应变与Fi的耦合关系，具体步骤如下：(2331)阵列天线的有源单元方向图可通过下式计算：式中，为天线单元孤立方向图，Sji是散射系数，矢量rj和ri分别为阵元j(1≤j≤m×n,j≠i)和阵元i的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过嵌入相控阵天线的光纤光栅应变传感器得到天线阵在服役中的实时应变信息ε(t)；(2)根据应变电磁耦合算法，计算激励电流的幅值和相位调整量；(3)利用波控电路控制T/R组件电路中的移相和衰减器，对所述幅值和所述相位调整量进行调整。

【技术特征摘要】
1.一种基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过嵌入相控阵天线的光纤光栅应变传感器得到天线阵在服役中的实时应变信息ε(t)；(2)根据应变电磁耦合算法，计算激励电流的幅值和相位调整量；(3)利用波控电路控制T/R组件电路中的移相和衰减器，对所述幅值和所述相位调整量进行调整。2.根据权利要求1所述的基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，其特征在于，在步骤(2)中，根据应变电磁耦合算法，计算激励电流的幅值和相位调整量的计算式如下：其中，为阵元i相位调整量，ωi为阵元i的激励电流幅值。3.根据权利要求1所述的基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，其特征在于，在步骤(2)中，根据应变电磁耦合算法，计算激励电流的幅值和相位调整量，其计算过程包括以下步骤：(21)构建测量应变到天线变形位移场的转换矩阵，包括：利用基于测量应变的形变重构方法，对天线阵面进行有限元建模分析，得到测量应变与感兴趣节点的位移转换矩阵T(d)，其中，T(d)的表达式如下：其中，Φs为重构位置的模态位移矩阵，ΨM(d)为模态应变矩阵中对应传感器位置的模态应变子矩阵，d为对应的传感器位置；(22)根据相位法建立测量应变与相位补偿量的耦合关系，包括：对于一个m行n列的面阵相控阵天线，根据相位法可知在天线变形后，相位补偿量的计算表达式如下：其中，k为波数，θ0和为相控阵天线在球坐标系下的空间波束指向。ε(t)为t时刻的测量应变，To(d)是根据步骤(21)得到天线单元中心节点的应变位移转换矩阵；根据得到阵元i的相位补偿量为：(23)根据口径投影法建立测量应变与激励幅值的耦合关系，包括：用口径投影法，计算阵元i的阵列激励幅值，其中，阵列激励幅值的表示式如下：其中，Ii为阵元i投影口径平面泰勒综合的激励电流幅值，Si为阵元i投影口径平面阵元投影面积，Fi为阵元i主波束方向有源单元方向图的幅值。4.根据权利要求3所述的基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法，其特征在于，在步骤(23)中，计算Ii，Si，Fi的过程如下：(231)建立测量应变与Ii的耦合关系，具体步骤如下：(2311)取出阵列的第j行，1≤j≤m，该行的z向位移记为：z＝[To(d)ε(t)]j＝[z1z2…zn-1zn]其中，T0(d)是根据步骤(21)得到的天线单元中心节点的应变位移转换矩阵；(2312)在...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐博，周金柱，康乐，唐宝富，王梅，钟剑锋，许文华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61