面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法和系统与流程

本发明涉及数字化设计，具体涉及一种面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法和系统。

背景技术：

1、相控阵天线因其多功能、低rcs、高可靠性等优势，在航空航天等领域的多目标搜索、跟踪等预警探测技术方面具有广泛的应用。相控阵天线不仅工作环境要求高，而且系统结构组成复杂，通过综合分析可知，相控阵天线的机电热耦合问题具体表现为结构位移场、电磁场与温度场之间的机电热多场耦合关系。为保证相控阵天线电性能，须严格控制天线馈电幅度相位误差和结构系统误差，以及各种加工、装配等不确定性误差。

2、然而，由于缺乏相控阵天线的机电热耦合机理，以及无法厘清机械结构精度与热设计参数等误差对天线电性能的定量影响规律，因此只能要求越高的散热冷却要求和机械加工精度，且采用多轮的幅相校准方法对天线电性能进行补偿。这导致了很多设计缺陷、特别是跨学科(机械、热、电磁)的设计缺陷，在设计期间很难发现，造成设计差错率、重复率高，很多设计问题在天线制造、甚至服役时才能发现，造成大量设计返工，即现有技术容易出现设计缺陷。针对上述缺陷，亟需开发一种既能揭示机械结构设计精度、温度分布与电磁性能间的定量影响机理，同时也可以保证天线设计的综合性能最优设计算法。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法和系统，解决了现有技术容易出现设计缺陷的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、第一方面，本发明提供一种面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法，包括：

6、s1、根据相控阵天线的结构组成，确定天线的结构模型；

7、s2、根据天线的结构模型，对天线设计参数进行灵敏度分析；

8、s3、根据灵敏度分析结果确定相控阵天线的设计变量；

9、s4、基于相控阵天线的设计变量、优化目标和约束条件，建立天线机电热性能综合优化模型，求解天线机电热性能综合优化模型，得到相控阵天线的结构参数和相控阵天线的材料参数；

10、s5、根据天线结构模型建立天线结构有限元模型，在天线结构有限元模型添加相控阵天线的结构参数和相控阵天线的材料参数，分别开展散热分析和随机振动分析，获得结构热变形数据和随机振动影响下的结构变形数据；

11、s6、根据结构热变形数据和设计变量构建温度/设计变量-热变形代理模型；根据结构变形数据和设计变量构建设计变量-振动变形代理模型；

12、s7、确定相控阵天线的使用环境的振动数据和温度数据，代入设计变量-振动变形代理模型和温度/设计变量-热变形代理模型中，获取热位移数据和振动位移数据；将热位移数据和振动位移数据代入到结构-电磁耦合模型中，计算相控阵天线的电性能；

13、s8、判断电性能是否满足要求；若是，则获得相控阵天线最优设计参数；否则，返回步骤s3，修改相控阵天线的设计变量，重复s3～s8，直至电性能满足要求。

14、优选的，所述根据天线的结构模型，对天线设计参数进行灵敏度分析，包括：

15、a、计算结构模型在不同组件结构参数情况下，相控阵天线的天线机电热性能；

16、b、建立设计参数与天线机电热性能之间的设计因素正交实验表；

17、c、根据建立的正交试验表，计算不同设计参数对机电热性能的灵敏度。

18、优选的，所述基于相控阵天线的设计变量、优化目标和约束条件，建立天线机电热性能综合优化模型，具体包括：

19、确定优化目标：

20、将最大化相控阵天线的天线增益和最小化相控阵天线的重量优化目标，并引入两个重要权系数a1和a2权衡各目标的重要程度，其中，0<a1<1，0<a2<1，且0<a1+a2<1；

21、设置约束条件：

22、①限定天线阵面的温度不大于阵面容许最高温度；

23、②限定阵面温度不大于阵面容许的最大温差；

24、③限定最高副瓣电平的变化值不大于最高副瓣电平容许的变化值；

25、④阵面实际应力值不大于许用应力值

26、天线机电热性能综合优化模型的表达式如下：

27、findβ,v

28、

29、s.t.δsllmax(β,v)≤δsll0

30、σ(β,v)≤[σ]

31、

32、δt(β,v)≤δtmax

33、βimin≤βi≤βimax，i＝1,2,…,n

34、其中，β为相控阵天线的结构参数，v为相控阵天线的材料参数，g(β,v)为天线增益，g0为对增益进行单目标优化时的最优值，w(β,v)为天线重量，w0为对重量进行单目标优化时的最优值，δsllmax(β,v)为最高副瓣电平的变化值，δsll0为最高副瓣电平容许的变化值，σ(β,v)为阵面实际应力值，[σ]为许用应力值，tmax(β,v)为阵面最高温度，阵面容许最高温度，δt(β,v)为阵面温差，δtmax为阵面容许的最大温差，βimin、βimax阵面结构尺寸第i个设计变量的下、上限值。

35、优选的，所述求解天线机电热性能综合优化模型，包括

36、通过多目标遗传算法求解天线机电热性能综合优化模型。

37、优选的，在执行根据结构热变形数据构建温度/设计变量-热变形代理模型；根据结构变形数据构建设计变量-振动变形代理模型之前，所述相控阵天线快速优化设计方法还包括：

38、预处理结构热变形数据和结构变形数据，包括：

39、对结构热变形数据和结构变形数据进行z-score归一化处理，将数据缩放到均值为0，方差为1的正态分布中，具体如下：

40、

41、其中，μ和σ分别为数据的均值和标准差，x表示原始的结构热变形数据和结构变形数据，x′表示归一化处理后的结构热变形数据和结构变形数据。

42、优选的，所述温度/设计变量-热变形代理模型由改进的神经网络模型构建得到；

43、和/或，

44、设计变量-振动变形代理模型均由改进的神经网络模型构建得到。

45、优选的，所述将热位移数据和振动位移数据代入到结构-电磁耦合模型中，计算相控阵天线的电性能，具体包括：

46、在oxy平面内的三角栅格阵列天线，阵元按m行n列三角栅格形式排列，其中阵元在x轴方向上的间距为dx，在y轴方向上的间距为dy，即每个三角栅格是底为dx，高为dy的等腰三角形，假设第m行、第n列天线阵元的位置矢量为rmn＝xmni+ymnj+zmnk，其中，沿x、y轴方向的横、纵坐标xmn和ymn分别表示为：

47、

48、将第(m,n)个天线阵元的位置矢量与远场区观察点的方向余弦r0＝cosαxi+cosαyj+cosαzk相结合，得三角栅格阵列天线阵因子方向图函数，如下所示

49、

50、式中，imn、分别为第(m,n)个阵元激励电流的幅度及相位，k＝2π/λ为空间波常数，λ为阵列天线的工作波长，cosαx＝sinθcosφ，cosαy＝sinθsinφ，cosαz＝cosθ，其中θ∈(0，π)、φ∈(0，2π)分别为观察方向的俯仰角、方位角；

51、在热变形与随机振动影响下，对于阵元按照三角形栅格形式排列的平面阵列天线，令第(m,n)个阵元的位置误差为(δxmn,δymn,δzmn)，则建立三角形栅格阵列天线的结构-电磁耦合模型为：

52、

53、式中，es(θ,φ)为存在结构误差影响下三角形栅格阵列天线的电性能；将热位移数据和振动位移数据代入结构-电磁耦合模型，计算相控阵天线的电性能。

54、第二方面，本发明提供一种面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计系统，包括：

55、结构模型确定模块，用于执行s1、根据相控阵天线的结构组成，确定天线的结构模型；

56、灵敏度分析模块，用于执行s2、根据天线的结构模型，对天线设计参数进行灵敏度分析；

57、设计变量确定模块，用于执行s3、根据灵敏度分析结果确定相控阵天线的设计变量；

58、参数确定模块，用于执行s4、基于相控阵天线的设计变量、优化目标和约束条件，建立天线机电热性能综合优化模型，求解天线机电热性能综合优化模型，得到相控阵天线的结构参数和相控阵天线的材料参数；

59、散热、随机振动分析模块，用于执行s5、据天线结构模型建立天线结构有限元模型，在天线结构有限元模型添加相控阵天线的结构参数和相控阵天线的材料参数，分别开展散热分析和随机振动分析，获得结构热变形数据和随机振动影响下的结构变形数据；

60、变形代理模块构建模块，用于执行s6、根据结构热变形数据和设计变量构建温度/设计变量-热变形代理模型；根据结构变形数据和设计变量构建设计变量-振动变形代理模型；

61、电性能计算模块，用于执行s7、确定相控阵天线的使用环境的振动数据和温度数据，代入设计变量-振动变形代理模型和温度/设计变量-热变形代理模型中，获取热位移数据和振动位移数据；将热位移数据和振动位移数据代入到结构-电磁耦合模型中，计算相控阵天线的电性能；

62、判断模块，用于执行s8、判断电性能是否满足要求；若是，则获得相控阵天线最优设计参数；否则，返回步骤s3，修改相控阵天线的设计变量，重复s3～s8，直至电性能满足要求。

63、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储用于面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上述所述的面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法。

64、第四方面，本发明提供一种电子设备，包括：

65、一个或多个处理器，存储器，以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上述所述的面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法。

66、(三)有益效果

67、本发明提供了一种面向机电热性能的相控阵天线快速优化设计方法和系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

68、本发明建立了相控阵天线阵元位置误差与电性能之间的机电热耦合模型，基于该模型建立了面向机电热的天线优化模型，并给出了快速求解策略，避免出现设计缺陷，实现相控阵天线的机电热快速优化，从而确保和改善了相控阵天线的综合性能。