一种共形天线阵列引导的建模仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种共形天线阵列引导的建模仿真方法，该方法包含：S1，选取矩形微带贴片天线单元作为共形天线阵列导引头的有向辐射天线单元，并按照导引头载体平台的外形进行矩形微带贴片天线单元的位置配置，若干个矩形微带贴片天线单元形成天线阵列；S2，应用欧拉旋转变换的数学关系，完成所述共形天线阵列导引头的远场辐射方向图函数的推导；S3，应用遗传优化算法对所述共形天线阵列导引头的远场辐射方向图进行优化设计。本发明可以有效降低导引头的雷达散射截面，具备良好的电磁隐身性能，并使得远场辐射方向图的最高旁瓣值得到了明显的改善。
【专利说明】
-种共形天线阵列引导的建模仿真方法
技术领域
[0001] 本发明数字阵列雷达导引头的相关技术领域，具体设及一种共形天线阵列导引头 的天线单元布局和福射方向图仿真优化的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，传统的雷达导引头的制导天线通常被安置在导弹头部的整流罩（即鼻锥)里 面，一般多为平面天线阵列。平面天线阵列虽然计算模型简单，技术日趋成熟，但是存在着 一些固有的缺点，例如，天线波束扫描的范围限于120°范围内，且波束宽度会随着扫描角度 的增加而展宽，相应天线增益和扫描精度随着扫描角度的增加而降低。此外，单元之间的互 禪效应与扫描角度满足一种函数关系，单元的驻波随着扫描角度的增大而改变，故难W实 现宽角度的扫描匹配，福射方向图的副瓣电平往往也会随着扫描角度的增加而上升。目前 雷达导引头制导天线可W通过机械扫描、相控扫描或两者复合等方式实现波束扫描，但由 于导引头天线一般位于导弹的鼻锥内部，无论通过何种扫描方式，天线都将受到导弹弹体 的限制，存在扫描盲区。高机动性能的敌方目标、或者来自弹体后向/侧向的目标，只要躲过 了导引头天线的扫描区域，就能顺利摆脱导弹的追踪和攻击，造成脱祀，所W传统的雷达导 引头的有效攻击范围比较小。
[0003] 数字阵列雷达导引头系统中，共形阵列方向图综合问题呈现出多参数、不可微甚 至不连续的特性，其方向图参数的最优化设计是一种非线性优化问题。传统的处理运些非 平面阵列的设计方法中，诸如Skolnik提出了密度锥削法虽然可W应用在一些大型的稀疏 阵的波束综合中，但是不能保证能有效地抑制副瓣峰值电平;动态编程算法虽可W有效控 制波束的副瓣电平，却极容易陷入局部最优;共辆梯度算法虽然具有所需存储量小、稳定性 高等优点，但不适合优化大量的离散参数。而遗传算法则是一种全局性的寻优算法，不但可 W有效地避免在捜索过程中陷入局部最优，而且能在合理构造出适应度函数的情况下，即 使天线单元在=维空间中不规则地分布也能W极大的概率寻找到全局的最优解。目前基于 遗传算法在=维空间的载体曲面上对由有向阵元构成的天线阵列进行波束综合的研究相 对较少。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种共形天线阵列引导的建模仿真方法，可W有效降低导引 头的雷达散射截面，具备良好的电磁隐身性能，并使得远场福射方向图的最高旁瓣值得到 了明显的改善。
[0005] 为了实现W上目的，本发明是通过W下技术方案实现的：
[0006] -种共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特点是，该方法包含：
[0007] SI,选取矩形微带贴片天线单元作为共形天线阵列导引头的有向福射天线单元， 并按照导引头载体平台的外形进行矩形微带贴片天线单元的位置配置，若干个矩形微带贴 片天线单元形成天线阵列；
[0008] S2,应用欧拉旋转变换的数学关系，完成所述共形天线阵列导引头的远场福射方 向图函数的推导；
[0009] S3,应用遗传优化算法对所述共形天线阵列导引头的远场福射方向图进行优化设 计。
[0010] 所述的共形天线阵列导引头为圆锥体，且其表面错开分布了若干个矩形微带贴片 天线单元。
[0011] 所述的矩形微带贴片天线单元是紧贴在圆锥体的表面进行=维建模，并对带有一 定曲率的矩形微带贴片天线单元的尺寸进行仿真优化。
[0012] 所述矩形微带贴片天线单元的工作波长为毫米波波段。
[0013] 所述的步骤S2具体包含：
[0014] 步骤S2.1，令天线阵列所在的坐标系为全局坐标系，对应的全局坐标系分为全局 极坐标系和全局直角坐标系；矩形微带贴片天线单元所在的坐标系为局部坐标系，对应的 局部坐标系分为局部极坐标系和局部直角坐标系，W求得全局极坐标系下任一点（0，4 )的 福射场为目的，先将全局极坐标系变换到全局直角坐标系(e，(l))^(x，y，z)
[0015]
[0016] 步骤S2.2,将全局直角坐标系变换到局部直角坐标系
[0017]
[001 引 L X""，y …'，Z =R"" (A，B，C) L X-Xn，y-yn，Z-ZnJ I
[0019] 圆锥体中，欧拉旋转变换角C为第n个矩形微带贴片天线单元长边1所在的直线与 单元所处圆锥母线的夹角，B为矩形微带贴片天线单元的法向与Z轴的夹角，A为矩形微带贴 片天线单元所处的位置与X轴正向的水平夹角；
[0020] 步骤S2.3,将每个所述的矩形微带贴片天线单元所在的局部直角坐标系变换到矩 形微带贴片天线单元所在的局部极坐标系,Z^)一
[0023] 可获得全局空间中任一点处在局部坐标系中的矩形微带贴片天线单元的福射贡
[0021]
[0022] 献
，式（1);
[0024] 步骤S2.4,由极坐标系中单位矢量跟直角坐标系中单位矢量的变换关系可W得到 第n个矩形微带贴片天线单元场强的直角分量跟极坐标分量之间的关系：
[0025]
[00%]步骤S2.5,将全局坐标系中将所有矩形微带贴片天线单元在空间任一点的福射贡 献叠加，得到天线阵列在空间该点处的总福射场。
[0027] 所述的步骤S2.5具体为:将局部直角坐标系中的场强分量旋转变换到全局直角坐 标系中，并将步骤S2.4中的公式（1)逆变换后化二 E/n)，Ez'(n)]，
[0028] 将所有矩形微带贴片天线单元的福射场进行叠加，求出共形天线阵列导引头的远 场福射方向图函数
，
[0029] 本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0030] 本发明可W有效降低导引头的雷达散射截面，具备良好的电磁隐身性能;基于遗 传算法(GA)进行共形天线阵列导引头的方向图优化，远场福射方向图的最高旁瓣值得到了 明显的改善，一般可在-20地W下。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明一种共形天线阵列引导的建模仿真方法的流程图；
[0032] 图2为本发明一种共形天线阵列导引头模型的侧视图；
[0033] 图3为本发明一种共形天线阵列导引头模型的俯视图；
[0034] 图4为本发明提供的共形天线阵列福射方向图优化算法的流程图；
[0035] 图5为本发明提供的采用遗传算法优化之后的共形天线阵列福射方向图。
【具体实施方式】
[0036] W下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
[0037] 如图1所示，一种共形天线阵列引导的建模仿真方法，包含：
[0038] SI,选取矩形微带贴片天线单元2作为共形天线阵列导引头1的有向福射天线单 元，并按照导引头载体平台的外形进行矩形微带贴片天线单元2的位置配置，若干个矩形微 带贴片天线单元形成天线阵列；
[0039] S2,应用欧拉旋转变换的数学关系，完成共形天线阵列导引头1的远场福射方向图 函数的推导；
[0040] S3,应用遗传优化算法对所述共形天线阵列导引头1的远场福射方向图进行优化 设计。
[0041] 请参阅图2、3,按照导引头载体平台的外形特征进行天线单元的位置布局，由上到 下分四层排列，每层天线单元数量分别为4,8，12，16，每层天线单元沿着圆周曲线均匀排列 了，且相邻两层的天线单元错开布局，上述的共形天线阵列导引头1为圆锥体，且其表面错 开分布了 40个矩形微带贴片天线单元2。每个天线单元(n，m)相位中屯、的坐标满足如下关 系：
[0042]
[0043] 其中，n为锥体导引头由上而下圆环阵的序号;m为每个圆环阵中由处于第一象限 且靠近X轴正向的阵元开始，按逆时针顺序的阵元序号;D为每层圆环阵的垂直距离;a〇为圆 锥母线与Z轴负向之间的夹角。圆锥导引头模型表面一共分布了 40个阵元，每个阵元的水平 间距为0.加d化na〇。
[0044] 上述的矩形微带贴片天线单元是紧贴在圆锥体的表面进行=维建模，并对带有一 定曲率的矩形微带贴片天线单元的尺寸进行仿真优化。
[0045] 上述矩形微带贴片天线单元的工作波长为毫米波波段。
[0046] 上述的步骤S2具体包含：
[0047] 步骤S2.1，令天线阵列所在的坐标系为全局坐标系，对应的全局坐标系分为全局 极坐标系和全局直角坐标系；矩形微带贴片天线单元所在的坐标系为局部坐标系，对应的 局部坐标系分为局部极坐标系和局部直角坐标系，W求得全局极坐标系下任一点（0，4 )的 福射场为目的，先将全局极坐标系变换到全局直角坐标系(e，(l))^(x，y，z)
[004引
；
[0049]步骤S2.2,将全局直角坐标系变换到局部直角坐标系 [(K)加]
[0051 ] L X""，y…'，Z…'」I = R"" (A，B，C) LX-Xn，
y-yn，Z-ZnJ I
[0052] 圆锥体中，欧拉旋转变换角C为第n个矩形微带贴片天线单元长边1所在的直线与 单元所处圆锥母线的夹角，B为矩形微带贴片天线单元的法向与Z轴的夹角，A为矩形微带贴 片天线单元所处的位置与X轴正向的水平夹角。（Xn，yn，Zn)为第n个矩形微带贴片天线单元 在全局直角坐标系下的位置。
[0056]上式带入矩形微带天线场强计算公式中，可获得全局空间中任一点处在局部坐标 系中的矩形微带贴片天线单元的福射贡献
，式Cl);
[0053] 步骤S2.3,将每个所述的矩形微带贴片天线单元所在的局部直角坐标系变换到矩 形微带贴片天线单元所在的局部极坐标系,yW ,Z^) 一（0^,4 W)。其中，gW和4 W 分别为天线单元n#局部极聲梳系下的仰角巧力仿角。
[0化4]
[0化5] 式（I)中，EeW和扣W分别为第n个天线单元场强的极坐标分量，；0和；4分别为极坐标下的 仰角和方位方向的单位矢量。
[0057]步骤S2.4,由极坐标系中单位矢量跟直角坐标系中单位矢量的变换关系可W得到 第n个矩形微带贴片天线单元场强的直角分量化,Ez^nj)跟极坐标分量之间 化eW，E*W)的关系：
[0化引
[0059] 步骤S2.5,将全局坐标系中将所有矩形微带贴片天线单元在空间任一点的福射贡 献叠加，得到天线阵列在空间该点处的总福射场。
[0060] 上述的步骤S2.5具体为:将局部直角坐标系中的场强分量旋转变换到全局直角坐 标系中，并将步骤S2.4中的公式（1)逆变换后化二 E/n)，Ez'(n)]，
[0061] 将所有矩形微带贴片天线单元的福射场进行叠加，求出共形天线阵列导引头的远 场福射方向图函数
。式中，换为直角坐标 系下X，y，Z方向的S个单位矢量。
[0062] 应用遗传优化算法(GA)对所述共形天线阵列导引头的每个天线单元复加权系数 中的幅度和相位项进行优化;算法中采用单点交叉和变异等操作，避免遗传算法过早收敛； 除了在指定方向获得最大福射功率，更要很好地抑制旁瓣杂波，故构造适应度函数如下:将 方向图最大指向的计算值与目标值之差，加上最高旁瓣电平的计算值与目标值之差：
[0063]
[0064] 式中，（0〇 /妍)为方向图最大指向的计算值，（0des，巧feO为方向图最大指向的目标 值，、W/'胃为最高副瓣电平的计算值，规Ijfe,为最高副瓣电平的目标值。公式的前两项用来 优化方向图的波束指向，最后一项用来抑制最大副瓣电平求上述适应度函数的最小值即为 每次遗传优化过程中的目标值。W1、W2、W3分别表示各项性能指标的加权系数。
[0065] 如图3所示，遗传算法(GA)首先将问题所对应的解空间中数据进行编码，作为算法 的一种表现形式，本发明中即对天线单元的幅度和相位进行编码，幅度的优化范围为[0， 1]，相位的优化范围为[-n，n)，采用二进制编码。
[0066] 其次根据构造出的适应度函数评估种群（即上述天线单元幅度和相位在规定范围 内产生的一组随机值）中的每个个体的优劣，遵循自然界中的"优胜劣汰"生存法则，使种群 中具有较高适应度值的个体相比较适应度值低的个体有更大的概率得W生存下来。本发明 中构造适应度函数如下：将方向图最大指向的计算值与目标值之差，加上最高旁瓣电平的 计算值与目标值之差。求该适应度函数的最小值即为每次遗传优化过程中的目标值。
[0067] 最后通过交叉、变异等遗传操作使得种群能够一代代向前进化，直到种群中的个 体能达到预期的优化目标为止。算法中采用了单点交叉，即每个个体只在一个点处进行交 叉，由选择操作任意挑选出两个个体作为被交叉的对象，随机选择一个点作为交叉位置，被 选中的两个个体于交叉位置将各自的部分基因码进行互换，从而形成两个新的子个体;算 法中变异操作采用离散变异产生新的个体。为了避免寻优算法出现过早的收敛现象，对于 由二进制编码的基因组成的个体，对基因码的某个位置实现小概率翻转，即O变成1，1变成 0。
[0068] 遗传算法的主要参数设置包括种群的大小、最大遗传代数、交叉概率W及变异概 率等。算法中种群的大小设置为100,最大遗传代数为1000,交叉概率为0.8,变异概率为 0.002。
[0069] 基于遗传算法优化共形天线阵列的福射方向图，作为仿真实例，在波束扫描空间 中要求天线阵列福射方向的俯仰角和方位角为(45°，45°)进行设计仿真，结果如图5所示。 优化之后，最高旁瓣值得到了明显的改善，一般在-20地W下。
[0070] 综上所述，本发明一种共形天线阵列引导的建模仿真方法，可W有效降低导引头 的雷达散射截面，具备良好的电磁隐身性能，并使得远场福射方向图的最高旁瓣值得到了 明显的改善。
[0071] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1. 一种共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特征在于，该方法包含： S1，选取矩形微带贴片天线单元作为共形天线阵列导引头的有向辐射天线单元，并按 照导引头载体平台的外形进行矩形微带贴片天线单元的位置配置，若干个矩形微带贴片天 线单元形成天线阵列； 52, 应用欧拉旋转变换的数学关系，完成所述共形天线阵列导引头的远场辐射方向图 函数的推导； 53, 应用遗传优化算法对所述共形天线阵列导引头的远场辐射方向图进行优化设计。2. 如权利要求1所述的共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特征在于，所述的共形天 线阵列导引头为圆锥体，且其表面错开分布了若干个矩形微带贴片天线单元。3. 如权利要求1所述的共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特征在于，所述的矩形微 带贴片天线单元是紧贴在圆锥体的表面进行三维建模，并对带有一定曲率的矩形微带贴片 天线单元的尺寸进行仿真优化。4. 如权利要求1所述的共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特征在于，所述矩形微带 贴片天线单元的工作波长为毫米波波段。5. 如权利要求2所述的共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特征在于，所述的步骤S2 具体包含： 步骤S2.1，令天线阵列所在的坐标系为全局坐标系，对应的全局坐标系分为全局极坐 标系和全局直角坐标系；矩形微带贴片天线单元所在的坐标系为局部坐标系，对应的局部 坐标系分为局部极坐标系和局部直角坐标系，以求得全局极坐标系下任一点（θ，Φ )的辐射 场为目的，先将全局极坐标系变换到全局直角坐标系(θ，Φ)4(χ，7，ζ)步骤S2.2,将全局直角坐标系变换到局部直角坐标系(X，y，Z)^(X (n)，y(n)，z(n))[x(n)，y(n)，z(n)]T = R(n)(A，B，C) [x-xn，y-yn，z_zn]T 圆锥体中，欧拉旋转变换角C为第n个矩形微带贴片天线单元长边1所在的直线与单元 所处圆锥母线的夹角，B为矩形微带贴片天线单元的法向与z轴的夹角，A为矩形微带贴片天 线单元所处的位置与X轴正向的水平夹角，x n，yn，zn分别为第η个矩形微带贴片天线单元在 全局直角坐标系下的位置； 步骤S2.3，将每个所述的矩形微带贴片天线单元所在的局部直角坐标系变换到矩形微 带贴片天线单元所在的局部极坐标系(χ(η)，7(η)，Ζ(η)) - (θ(η)，Φ(η))可获得全局空间中任一点处在局部坐标系中的矩形微带贴片天线单元的辐射贡献.式（1)，式（1)中，Ee(n)和Ε Φ(η)分别为第η个天线单元场强 的极坐标分量，。和t分别为极坐标下的仰角和方位方向的单位矢量； 步骤S2.4,由极坐标系中单位矢量跟直角坐标系中单位矢量的变换关系可以得到第η 个矩形微带贴片天线单元场强的直角分量跟极坐标分量之间的关系：步骤S2.5,将全局坐标系中将所有矩形微带贴片天线单元在空间任一点的辐射贡献叠 加，得到天线阵列在空间该点处的总辐射场。6.如权利要求5所述的共形天线阵列引导的建模仿真方法，其特征在于，所述的步骤 S2.5具体为：将局部直角坐标系中的场强分量旋转变换到全局直角坐标系中，并将步骤 32.4中的公式（1)逆变换后[￡，)而( 11)么(11)]了=[1?(11)以，8,〇]-也？(11)』/( 11)么'(11)]， 将所有矩形微带贴片天线单元的辐射场进行叠加，求出共形天线阵列导引头的远场辐 射方向图函数其中分别为直角坐标系 下x，y，z方向的三个单位矢量。
【文档编号】G06F17/50GK105956258SQ201610274344
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】康传华, 栗高峰, 郑晟, 于冰, 王晓科, 朱莹, 刘岚, 董帅君
【申请人】上海机电工程研究所