一种半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法

1.本发明涉及半实物射频仿真技术领域，特别是指一种半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法。


背景技术：

2.近年来，在现代的电子系统的研发过程中，仿真和试验是必不可少的环节。外场试验可以获得最为真实的待测试电子系统的相关性能参数，发现可能存在的一些问题，具有最高的实验价值。然而，外场试验通常比较繁杂，涉及的方面较多，因而试验费用比较昂贵。为了更好地提高效价比，在导引头等电子系统进行外场试验之前，往往需要在微波暗室中进行半实物射频仿真。半实物射频仿真也称作实物在回路仿真，就是在仿真回路中，待测试导引头以实物形态和实际工作状态存在。半实物射频仿真由于在仿真回路中引入了仿真实物，因而其实验结果与外场试验非常接近。然而其费用却大大降低。因此，具有较高的性价比。因而，半实物射频仿真在导引头等电子系统的研发中发挥着重要的作用，半实物射频仿真系统已成为一些国家的必不可少的研发装备。
3.半实物射频仿真系统通常由辐射阵列、转台、以及计算机控制系统等组成。在微波暗室中，有一个比较庞大的天线阵列，上面整齐排列着多个辐射单元。阵列面外缘通常呈圆形、正六边形或矩形等等。天线排列一般比较整齐，相邻的天线一般呈正三角形。整个天线阵列面面向一个转台，可以将待测试的导引头等电子系统置于转台之上。当进行半实物射频仿真实验时，每相邻的三个辐射单元可以组成一个三元组，以对位于该三元组三角形内部的待仿真点目标的回波进行仿真。该三元组(three unit array,tua)结构早期由波音公司提出，已被世界上多个国家和地区的半实物射频仿真实验室采用。三元组的三个辐射单元通常构成一个正三角形。其合理性在于可以获得更好的单元利用率。这三个辐射单元可以同时馈电，其辐射出的电磁波将在导引头处叠加，其合成场在导引头处的能流方向相恰与真实环境空间中某个待仿真点目标在导引头处的回波能流方向相同。而合成场的能流方向是三个辐射单元馈电幅度的函数，因此，可以通过调节三个辐射单元馈电的幅度，使其合成的电磁能流方向可以调整改变，从而达到仿真不同时刻处于不同方向的点目标的回波的目的。从而在此基础上，实现对整个弹道运动下的射频环境的仿真。
4.在三元组仿真中，一直存在一个重要的问题，那就是三元组近场效应。因为在三元组的馈电系数计算中，有一个重要的公式，就是幅度重心公式。该公式可以将仿真处的点目标的方向表示成三元组的三个辐射单元的方向的线性组合。这与实际仿真出的无标点的方向是有出入的，这就是三元组近场误差。现有的解决三元组近场误差的方法通常有迭代法，拟合法。通过实验测量或严格的电磁计算，获得仿真角度误差，以该误差驱动馈电系数(其正比于馈电幅度)的改变，从而通过迭代使仿真角度误差降到可接受的水平，之所以要使用迭代或拟合，是因为没有获得馈电系数与仿真方向之间的严格的解析函数表达。另外，现有的三元组近场修正技术没有考虑到导引头自旋的影响。
5.因此，现有技术的缺点主要是：无法快速地确定半实物射频仿真中三元组的馈电
系数，且通用性较差。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法，能够精确和快速地确定半实物射频仿真中三元组的馈电系数。所述技术方案如下：
7.本发明实施例提供了一种半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法，包括：
8.对仿真场景建立数学坐标系；
9.根据建立的仿真场景的数学坐标系，建立仿真中导引头天线口面上的场蕴含的方位信息等效性方程；
10.根据建立的位信息等效性方程，推导出三元组仿真的非线性插值方程，以代替幅度重心公式；
11.根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数。
12.进一步地，所述对仿真场景建立数学坐标系包括：
13.以导引头的天线口面中心点为坐标原点o，建立xyz直角坐标系，其中，以导引头的天线口面为xy面，导引头天线阵列的两个正交的基线方向分别为x方向和y方向，三元组中第i个辐射单元的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，z
i
>>x
i
,y
i
，i＝1,2,3，点目标的坐标为(x,y,z)，z>>x,y，则点目标及三元组中第i个辐射单元在x方向、y方向上相对于z轴的偏移角度为：
[0014][0015][0016][0017][0018]
其中，ψ
x
、ψ
y
分别为点目标在x方向、y方向上相对于z轴的偏移角度，ψ
xi
、ψ
yi
分别为三元组的第i个辐射单元在x方向、y方向上相对于z轴的偏移角度，asin(
·
)表示反正弦函数；
[0019]
以转台位置为原点，以x、y轴方向分别为ψ
x
轴、ψ
y
轴的方向，并以三元组的中心点p为极点，平行于ψ
x
方向为极轴方向，记三元组中第i个辐射单元的极角为α
i
，点目标的极角为α，极径为ψ
r
，三元组边长张角为ψ
l
，各辐射单元到p点的角域距离为
[0020]
进一步地，所述根据建立的仿真场景的数学坐标系，建立仿真中导引头天线口面上的场蕴含的方位信息等效性方程包括：
[0021]
假设导引头口径面上有四个天线单元，具有不同的等效相位中心点，其中两幅天线单元在x方向上构成一幅干涉仪，另外两幅天线单元在y方向上构成一幅干涉仪，x方向、y方向上的干涉基线长度分别为l
x
、l
y
；
[0022]
将三元组各辐射单元的相位依各辐射单元到原点o点的距离进行校准，使得各辐
射单元在o点的场同相位；
[0023]
若天线2和天线4在x方向上，则天线2和天线4接收到的三元组三个辐射单元的辐射场分别为：
[0024][0025]
其中，a为常数系数，exp(
·
)里的j为虚数单位，s2、s4分别表示天线2、天线4接收到的三元组三个辐射单元的辐射场，c
i
为第i个辐射单元的馈电系数，k为波矢量，k为波数，r
i0
为三元组第i个辐射单元到原点o点的矢量线段，r
ij
为三元组第i个单元到第j个天线的矢量线段；
[0026]
天线2和天线4接收到的点目标的辐射场分别为：
[0027][0028][0029]
其中，s
t2
、s
t4
分别表示天线2、天线4接收到的点目标的辐射场，r
t0
为点目标到原点o点的矢量线段，r
tj
为点目标到第j个天线的矢量线段；
[0030]
根据方位信息蕴含在相位信息中，且仿真环境下的接收天线口面上的场的相位信息等于实际环境下的天线口面场的相位信息，得到：
[0031][0032]
其中，arg(
·
)表示辐角主值。
[0033]
进一步地，所述根据建立的位信息等效性方程，推导出三元组仿真的非线性插值方程，以代替幅度重心公式包括：
[0034]
对进行求解，得到非线性插值方程：
[0035][0036]
利用sin函数在小角度下的近似性，得到在极坐标系下的表达式：
[0037][0038]
同理，得到：
[0039][0040]
进一步地，所述根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数包括：
[0041]
根据及得到馈电系数的解析表达式；
[0042]
根据得到的馈电系数的解析表达式，得到避免了三元组近场误差的半实物射频仿真三元组的馈电系数。
[0043]
进一步地，馈电系数的解析表达式为：
[0044][0045]
进一步地，在根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数之后，所述方法还包括：
[0046]
确定导引头自旋姿态未知时所述馈电系数的解析表达式结果的最佳估计，得到导引头自旋姿态未知时馈电系数的最佳估计值。
[0047]
进一步地，所述确定导引头自旋姿态未知时所述馈电系数的解析表达式结果的最佳估计，得到导引头自旋姿态未知时馈电系数的最佳估计值包括：
[0048]
令l
x
＝l
y
，记kl
x
/2＝kl
y
/2＝γ，利用所述馈电系数的解析表达式结果对导引头自旋姿态的随机分布做数学期望，得到当导引头的自旋姿态在[0,2π]内均匀分布时的c
i
的数学期望：
[0049][0050]
其中，γ为简记符号，为代数量，表示为：
[0051][0052]
其中，表示导引头自旋姿态未知时馈电系数的最佳估计值。
[0053]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0054]
1、当导引头姿态可知时，可以获得避免了三元组近场误差的馈电系数；
[0055]
2、当导引头姿态不可知时，可以获得最优的馈电系数估计值；
[0056]
3、为更好地提高半实物射频仿真精度提供了更加快速有效的三元组馈电系数方法，能够精确和快速地确定半实物射频仿真中三元组的馈电系数。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1为本发明实施例提供的半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法的流程示意图；
[0059]
图2为本发明实施例提供的仿真场景坐标示意图；
[0060]
图3为本发明实施例提供的二维角域坐标系示意图；
[0061]
图4为本发明实施例提供的导引头口面天线分布示意图。
具体实施方式
[0062]
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实施方式作进一步地详细描述。
[0063]
如图1所示，本发明实施例提供了一种半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法，包括：
[0064]
s101,对仿真场景建立数学坐标系；
[0065]
s102,根据建立的仿真场景的数学坐标系，建立仿真中导引头天线口面上的场蕴含的方位信息等效性方程；
[0066]
s103,根据建立的位信息等效性方程，推导出三元组仿真的非线性插值方程，以代替幅度重心公式；
[0067]
s104,根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数。
[0068]
本发明实施例所述的半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法，对仿真场景建立数学坐标系；根据建立的仿真场景的数学坐标系，建立仿真中导引头天线口面上的场蕴含的方位信息等效性方程；根据建立的位信息等效性方程，推导出三元组仿真的非线性插值方程，以代替幅度重心公式；根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数。这样，能够精确和快速地确定半实物射频仿真中三元组的馈电系数，且得到的馈电系数是避免了三元组近场误差的馈电系数，从而可以克服三元组近场误差的影响，以满足半实物射频仿真试验的精确性要求。
[0069]
在前述半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法的具体实施方式中，进一步地，所述对仿真场景建立数学坐标系包括：
[0070]
以导引头的天线口面中心点为坐标原点o，建立xyz直角坐标系，其中，以导引头的天线口面为xy面，导引头天线阵列的两个正交的基线方向分别为x方向和y方向，三元组中第i个辐射单元的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，z
i
>>x
i
,y
i
，i＝1,2,3，点目标的坐标为(x,y,z)，z>>x,y，则点目标及三元组中第i个辐射单元在x方向、y方向上相对于z轴的偏移角度为：
[0071][0072][0073][0074][0075]
其中，ψ
x
、ψ
y
分别为点目标在x方向、y方向上相对于z轴的偏移角度，ψ
x
、ψ
y
指示了点目标所在方向，如图2所示；ψ
xi
、ψ
yi
分别为三元组的第i个辐射单元在x方向、y方向上相对于z轴的偏移角度，ψ
xi
、ψ
yi
指示了三元组各辐射单元所在方向，asin(
·
)表示反正弦函数；
[0076]
考察ψ
x
、ψ
y
角域的平面，以转台位置为原点，以x、y轴方向分别为ψ
x
轴、ψ
y
轴的方向，并以三元组的中心点p为极点，平行于ψ
x
方向为极轴方向，记三元组中第i个辐射单元的极角为α
i
，点目标的极角为α，极径为ψ
r
，三元组边长张角为ψ
l
，各辐射单元到p点的角域距离为如图3所示。
[0077]
在前述半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据建立的仿真场景的数学坐标系，建立仿真中导引头天线口面上的场蕴含的方位信息等效性方程包括：
[0078]
假设导引头口径面上有四个天线单元，具有不同的等效相位中心点，其中两幅天线单元在x方向上构成一幅干涉仪，另外两幅天线单元在y方向上构成一幅干涉仪，x方向、y方向上的干涉基线长度分别为l
x
、l
y
，如图4所示；
[0079]
将三元组各辐射单元的相位依各辐射单元到原点o点的距离进行校准，使得各辐射单元在o点的场(具体指：辐射场)同相位；其中，三元组中各辐射单元处于导引头口径的远场；
[0080]
若天线2和天线4在x方向上，则天线2和天线4接收到的三元组三个辐射单元的辐射场分别为：
[0081][0082][0083]
其中，a为常数系数，exp(
·
)里的j为虚数单位，s2、s4分别表示天线2、天线4接收到的三元组三个辐射单元的辐射场，c
i
为第i个辐射单元的馈电系数(其正比于馈电幅度)，k为波矢量，k为波数，r
i0
为三元组第i个辐射单元到原点o点的矢量线段，r
ij
为三元组第i个
单元到第j个天线的矢量线段；
[0084]
天线2和天线4接收到的点目标的辐射场分别为：
[0085][0086][0087]
其中，s
t2
、s
t4
分别表示天线2、天线4接收到的点目标的辐射场，r
t0
为点目标到原点o点的矢量线段，r
tj
为点目标到第j个天线的矢量线段；
[0088]
根据方位信息蕴含在相位信息中，且仿真环境下的接收天线口面上的场的相位信息等于实际环境下的天线口面场的相位信息，得到：
[0089][0090]
其中，arg(
·
)表示辐角主值。
[0091]
在前述半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据建立的位信息等效性方程，推导出三元组仿真的非线性插值方程，以代替幅度重心公式包括：
[0092]
对式(9)：进行求解，得到非线性插值方程：
[0093][0094]
利用sin函数在小角度下的近似性，得到在图3的极坐标系下的表达式：
[0095][0096]
同理，得到：
[0097][0098]
其中，小角度为小于预设阈值的角度。
[0099]
在前述半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数包括：
[0100]
根据式(11)和(12)，得到馈电系数的解析表达式为：
[0101]
[0102]
将参数k,l
x
.l
y
,ψ
s
,ψ
r
,α,α
i
代入式(13)，可以得到避免了三元组近场误差的半实物射频仿真中三元组的馈电系数。
[0103]
在前述半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法的具体实施方式中，进一步地，在根据推导出的三元组仿真的非线性插值方程，确定半实物射频仿真三元组的馈电系数之后，所述方法还包括：
[0104]
确定导引头自旋姿态未知(即α、α
i
未知)时所述馈电系数的解析表达式结果的最佳估计，得到导引头自旋姿态未知时馈电系数的最佳估计值，具体可以包括以下步骤：
[0105]
令l
x
＝l
y
，记kl
x
/2＝kl
y
/2＝γ，利用式(13)的结果对导引头自旋姿态的随机分布做数学期望，得到当导引头的自旋姿态在[0,2π]内均匀分布时的c
i
的数学期望：
[0106][0107]
其中，γ为简记符号，为代数量，表示为：
[0108][0109]
将参数k,l
x
.l
y
,ψ
s
,ψ
r
,α
‑
α
i
代入式(14)、(15)进行计算，得到导引头的自旋姿态为[0,2π]内均匀分布时的c
i
的数学期望即：当导引头自旋姿态未知时馈电系数的最佳估计值。
[0110]
本实施例中，虽然α、α
i
是未知的，但是α
‑
α
i
是已知的，不变的。
[0111]
本实施例中，当导引头姿态不可知时，根据式(14)、(15)，可以获得最优的馈电系数估计值。
[0112]
综上，针对迭代次数多、通用性差等问题，本发明实施例提供了一种半实物射频仿真中的三元组馈电系数确定方法，该方法至少具有以下优点：
[0113]
1、当导引头姿态可知时，可以获得避免了三元组近场误差的馈电系数；
[0114]
2、当导引头姿态不可知时，可以获得最优的馈电系数估计值；
[0115]
3、为更好地提高半实物射频仿真精度提供了更加快速有效的三元组馈电系数方法，能够精确和快速地确定半实物射频仿真中三元组的馈电系数。
[0116]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。