一种相控阵天线在轨校正与形变评估方法与流程

1.本发明涉及一种相控阵天线在轨校正与形变评估方法，属于星载阵列天线设计领域。


背景技术：

2.星载sar(合成孔径雷达)有源相控阵天线具有高增益、窄波束、波束快速扫描和波束形状捷变等特点，满足星载电子信息装备性能的要求。新型星载sar相控阵天线口径大、单板数目多、外界温度变化大、单板热耗大，阵面具有柔性、轻量化的要求，采用桁架方式实现可靠展开、满足天线型面高精度要求。受空间环境等因素影响星载阵列天线在轨可能发生形面变化，例如每个单板在不同温度(-190℃～160℃)背景情况下的热变形、多个天线单板在轨展开形面误差精度控制不到位，这些形变对sar相控阵天线性能都有重要影响。开展大型大规模阵列天线形面误差评估和电性能校正技术研究，可以降低对天线结构板和展开系统的刚度要求，实现星载sar有效载荷系统的总体减重以及相控阵技术的突破和更新换代。
3.传统大型阵列天线形变误差测量和天线性能校正方案，一般采用构建空间大距离高精度相机测量与机械控制标校系统、或者利用阵面表面分布的实时传感器监测与信号处理校正系统，完成对天线阵面变形的分析、测量和结构动态补偿。这些测量和校正系统能够实现对误差的实时监测和校正，但是很大程度受限于测量设备的安装精度，同时增加了卫星载荷设计成本和系统复杂度，经常无法满足卫星平台的重量限制要求。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种相控阵天线在轨校正与形变评估方法，利用相控阵有源链路特性，将阵面形变结构特征与有源通道幅相测量相结合，实现天线电性能校正和形变误差评估功能。
5.本发明解决技术的方案是：
6.一种相控阵天线在轨校正与形变评估方法，包括以下步骤：
7.(1)将阵列天线的信标、无源阵面和有源通道构建一体化校正链路；
8.(2)在地面完成辐射阵面形面精度校正和机械结构测量并记录表格a1；
9.(3)在地面暗室完成有源通道配平和幅相一致性检查并分别记录表格为a2和a3；
10.(4)依次改变各个通道移相器的不同位态，测量并记录对应的合成电场功率电平值；
11.(5)采用抗噪声干扰的有源通道相位校准方法得到各个通道的相位校准值并记录表格；
12.(6)在地面幅相测量数据表a2和a3的基础上，计算得到各个通道的在轨补偿相位，实现相控阵天线在轨电性能校正；
13.(7)根据各有源通道的相位变化补偿值，获得在轨形变后阵列天线信标到各个阵
面单元位置的物理长度变化值；
14.(8)通过地面结构测量数据表a1和在轨信标到各个单元的长度变化值，预测在轨变形后各个阵面单元位置可能的坐标位置；
15.(9)将阵面形变评估归结为阵面单元位置的最优化问题，构建形变优化模型和优化约束条件对阵元位置进行更新，从而在多次迭代优化求解得到阵元位置值，实现阵列天线的在轨形面误差评估。
16.进一步的，步骤(1)中阵列天线校正采取外校准方法，使一体化校正链路包含信标天线、无源阵面和有源通道。
17.进一步的，步骤(1)中阵列天线信标采取宽波束振子天线，架设高度和位置满足阵列天线远场距离和一定的波束覆盖要求。
18.进一步的，步骤(2)中阵列天线形面精度和机械结构测量在地面采取摄影测量方法实现。
19.进一步的，步骤(3)中有源通道配平和幅相一致性检查采取rev旋转矢量法实现。
20.进一步的，步骤(4)中各个通道移相器的不同位态包括0
°
、90
°
、180
°
和270
°
四个状态。
21.进一步的，步骤(5)中，有源通道相位校准方法为：假设阵列天线有源通道1、2信号的幅度和相位分别为e1、φ1和e2、φ2，两个信号叠加的功率表示为δ为通道2移相器附加相位，此时，改变通道2的移相器相移值，
22.当δ＝π/2时，此时信号合成功率
23.当δ＝3π/2时，此时信号合成功率
24.当δ＝0时，此时信号合成功率
25.当δ＝π时，此时信号合成功率
26.其中，ε2为通道的平均噪声功率；
27.因此，在四个移相态下的信号功率电平测量后，计算可得出两通道的相位差为
[0028][0029]
进一步的，骤(6)中各个通道的在轨补偿相位计算方法为：
[0030]
假设对于阵面中第mn个单元对应的有源通道i，其在地面的初始校准和预校准的相位值分别为φ
0i
和φ
1i
，在轨校准的相位测量值为φ
2i
，因此补偿相位值为δφ
mn
＝-φ
0i
(φ
2i-φ
1i
)。
[0031]
进一步的，步骤(7)中由各个通道的补偿相位获得阵面单元位置变化信息的计算方法为：
[0032]
若在地面完成阵列天线结构测量信息，信标天线位置为(x
p
,y
p
,z
p
)，与阵面中第mn个单元(x
mn
,y
mn
,z
mn
)的距离为
[0033]
当阵面在轨发生变形时，信标天线与阵面第mn个单元的距离为
[0034]
因此，阵面变形导致阵面单元与信标距离变化为其对应的补偿相位为
[0035]
由此得到阵面变形后信标与阵面第mn个单元的距离变化为
[0036]
进一步的，步骤(8)中预评估的变形后阵元坐标位置表示为
[0037]
进一步的，步骤(9)中阵面单元位置的最优化问题，求解该优化模型可采用遗传算法：
[0038][0039]
s.t.
[0040][0041][0042][0043]
δφ
mn
＝-φ
0i
(φ
2i-φ
1i
)
[0044]
f(x
mn
,y
mn
,z
mn
)＝f0[0045]
其中，argmin表示求解最小值；f(x
mn
,y
mn
,z
mn
)＝f0为阵面在轨结构变形后满足的已知其他模型。
[0046]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0047]
(1)相比相机或传感器测量与机械标校方法，本发明方法充分利用有源阵列天线有源链路特性，将阵面形变结构特征与有源通道幅相特性相结合，实现天线电性能校正和阵面形变误差评估，无需额外增加大量测量和校正设备，有利于卫星载荷成本降低和系统减重；
[0048]
(2)目前公开的相关文献多为天线结构到结构、电性能到电性能以及结构到电性能的分析研究，本发明方法创新提出天线电性能到结构参数的逆向综合思路，可为有源阵列天线的结构设计、公差分配以及总体指标分解等提供设计指导依据；
[0049]
(3)本发明方法采用的有源通道相位校正技术能够有效降低或消除噪声功率对于待校正通道的影响，提高校正精度；只需要测量合路信号功率电平，具有易于工程实现，运算量较小的特点。
附图说明
[0050]
图1为外校准系统组成示意图；
[0051]
图2为有源通道校正算法原理示意图；
[0052]
图3为通道补偿相位计算流程图；
[0053]
图4为阵面在轨变形前后单元位置示意图；
[0054]
图5为该发明的整体流程图。
具体实施方式
[0055]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0056]
为实现相控阵在轨校正和形变评估，本发明的具体计算步骤如下：
[0057]
(1)参考外校准系统构成方案，将阵列天线信标、无源阵面和有源通道构建一体化校正链路，信标架设满足一定高度和覆盖范围，系统组成如图1所示。
[0058]
(2)采用摄影测量等高精度结构测量方法，在地面完成辐射阵面形面精度校正和机械结构测量并记录表格a1。
[0059]
(3)采用rev(旋转矢量法)等方法在地面暗室完成有源通道配平和幅相一致性检查并分别记录表格为a2和a3。
[0060]
(4)通过波束控制软件依次改变各个通道移相器的不同位态(包括0
°
、90
°
、180
°
和270
°
四个状态)，测量并记录对应的合成电场功率电平值。
[0061]
(5)采用抗噪声干扰的有源通道相位校准技术得到各个通道的相位校准值并记录表格。借鉴rev(旋转矢量法)方法思想，假设阵列天线有源通道1、2信号的幅度和相位分别为e1、φ1和e2、φ2，两个信号叠加的功率可以表示为δ为通道2移相器附加相位。此时，改变通道2的移相器附加相移值δ，
[0062]
当δ＝π/2时，此时信号合成功率
[0063]
当δ＝3π/2时，此时信号合成功率
[0064]
当δ＝0时，此时信号合成功率
[0065]
当δ＝π时，此时信号合成功率
[0066]
其中，ε2为通道的平均噪声功率。
[0067]
因此，在四个移相位态下的信号功率测量电平(如图2所示)基础上，计算得到两通道的相位差为
[0068][0069]
(6)在地面幅相测量数据表a2和a3的基础上，计算得到各个通道的在轨补偿相位，实现相控阵天线在轨电性能校正。各个通道的在轨补偿相位计算流程如图3所示，对于阵面中第mn个单元对应的有源通道i，其在地面的初始校准和预校准的相位值分别为φ
0i
和φ
1i
，在轨校准的相位测量值为φ
2i
，可得补偿相位值为δφ
mn
＝-φ
0i
(φ
2i-φ
1i
)。
[0070]
(7)根据各有源通道的相位变化补偿值，获得在轨形变后阵列天线信标到各个阵
面单元位置的物理长度变化值。其计算思路为根据地面测量的阵列天线结构位置信息，例如信标天线位置为(x
p
,y
p
,z
p
)，信标与阵面中第mn个单元(x
mn
,y
mn
,z
mn
)的距离为假设不考虑通道自身幅相误差并且信标天线在轨位置固定，当阵面在轨发生变形时，信标天线与阵面第mn个单元的距离为因此，阵面变形导致阵面单元与信标距离变化为其对应的补偿相位为因为δφ
mn
、r
mn
信息已知，由此可得到阵面变形前后信标与阵面第mn个单元的距离变化为图4为变形前后各单元位置变化示意图。
[0071]
(8)进而预评估的阵面变形后的阵元坐标位置集合可表示为
[0072]
(9)将阵面形变评估归结为阵面单元位置的最优化问题，求解该优化问题可采用遗传算法等优化迭代算法，获取全局最优解，从而实现阵面变形后单元位置评估。模型归结如下。
[0073][0074]
s.t.
[0075][0076][0077][0078]
δφ
mn
＝-φ
0i
(φ
2i-φ
1i
)
[0079]
f(x
mn
,y
mn
,z
mn
)＝f0[0080]
其中，argmin表示求解最小值；f(x
mn
,y
mn
,z
mn
)＝f0为阵面在轨结构变形后满足的已知其他模型。
[0081]
整个专利流程如图5所示。
[0082]
本发明公开了一种相控阵天线在轨校正与形变评估方法。首先对有源相控阵天线信标、阵面和通道的一体化链路进行地面结构和幅相测量；然后在地面幅相测量数据基础上计算得到各个通道在轨补偿相位，完成相控阵天线电性能在轨校正；其次根据各通道的相位变化值，获得阵列天线信标到各个阵面单元位置的物理形变长度；再次通过与阵列天线地面结构测量数据比较计算，预测在轨形变后阵面各个单元可能的位置坐标；最后将阵面形变在轨评估归结为阵面单元位置的最优化问题，构建形变优化模型和优化约束条件对阵元位置进行更新，在多次迭代优化基础上求解得到最终阵元位置坐标，实现在轨形面变化评估。
[0083]
相比传统相机测量与机械控制标校系统或者分布式实时传感器监测与信号处理校正系统，本发明方法充分利用有源相控阵天线有源链路特性，提出一种天线电性能到结构参数的逆向综合方法，将阵面形变结构测量与有源通道相位校正相结合，在实现相控阵天线电性能校正和阵面形变误差评估功能的同时，无需额外增加大量的卫星系统成本和有效载荷重量；采用抗噪声干扰的有源通道相位校正技术为实现阵列天线的高精度波束指向、高增益提供了有力的技术支撑，是提升有源阵列天线性能的一种重要手段。
[0084]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。