一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法
【专利摘要】本发明涉及一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，该方法从天线电性能角度出发，确定了副反射面位置调整参数与远场电性能的关系式，并以副面调整后天线远场电性能最优为目标，建立了以副面调整参数为变量的优化模型，采用合适的优化算法，在可行域内获得了副面位置的最佳调整参数。依据该最佳调整参数驱动副面运动，实现副面位置偏差补偿。本发明主要用于解决现有双反射面天线因结构变形无法快速测量，进而难以快速确定副面最佳位置的问题，可用于指导大型双反射面天线进行副面最佳位置调整，以减小因天线结构变形引起的副面位置偏差影响，使其电性能达到最优。
【专利说明】
一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法
技术领域
[0001] 本发明涉及天线技术领域，具体是一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置 调整方法，可用于指导大型双反射面天线进行副面最佳位置调整，以减小因天线结构变形 引起的副面位置偏差影响，使其电性能达到最优。
【背景技术】
[0002] 随着无线电与电子技术的不断发展，反射面天线广泛应用于微波通讯、军事侦察 和射电天文等领域。近年来射电天文研究不断深入，反射面天线作为重要的天文观测工具 已朝着高频段、高增益和大接收面积的方向发展，我国已在贵州建设了世界最大口径的 500m球面反射面射电望远镜，同时已提出在新疆建立世界最大口径的110m全可动射电望远 镜(QiTai radio Telescope，简称QTT)，它们都将主要应用于天文观测。
[0003] 反射面天线是一种典型的机电集成的电子装备，在重力、温度、风荷等载荷影响 下，天线结构容易产生变形进而影响天线的电性能，导致波束变形、增益下降、副瓣升高。针 对天线结构变形对电性能的影响研究，长期以来一直是结构设计和微波技术研究的热点。 为了减小天线结构变形，国内外学者提出了众多补偿天线结构变形的方法，天线设计者提 出了保型设计、主动面调整、副面调整等方法来减小结构变形对电性能的影响。由于保型设 计是一种被动的结构变形补偿方法，其补偿效果受制于材料本身的性能，对于要求更高的 天线而言，补偿效果更优的主动补偿方法则受到天线工程技术人员的期待。
[0004] 近年来随着我国大口径天线建设增多，对馈源及副面调整技术的研究也逐渐增 加，目前国内针对馈源和副面的位置调整方法主要有如下几种：
[0005] (1)针对馈源位置的定位方法有：专利《反射面天线馈源的定位方法》（申请号： 200810017886.5)，公开了一种基于变形反射面天线馈源相位中心与远程方向图的关系式 的馈源定位方法，该方法以电性能为目标对主焦点馈源位置进行优化，寻求变形反射面的 最优相位中心。专利《一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法》（申请号： 201310393511.X)，公布了一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法，该方法主要从 天线结构热变形对电性能的影响角度出发，建立温度变形对天线表面误差的影响关系，并 以天线增益为目标对馈源位置进行调整，实现变形反射面天线的馈源位置补偿，其主要解 决了单反射面天线因热变形引起的电性能下降问题。
[0006] (2)针对副面位置调整方法有:专利《修正型卡塞格伦式天线的副面调整方法》（申 请号：201010289864.1 )，公开了一种针对修正型卡塞格伦大型双反射面天线的副面调整方 法，该方法采用对变形主反射面进行分段吻合，并基于最佳几何匹配的思想以找到新的副 面位置来补偿主面变形。
[0007] 前述方法的共同前提都是需要提前获得双反射面的主面变形误差，然而在实际工 程中天线所处的环境比较复杂，天线会受到重力载荷、温度载荷和风荷的影响，很难实时获 得任意工作状态下的天线主面变形误差，故其实际应用价值有所下降。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于，避免现有技术中的不足，提供一种以电性能为目标的双反射 面天线副面位置调整方法，该方法是一种直接以天线电性能和副面位置调整参数的关系为 基础，在获得当前天线电性能的情况下，从天线电性能角度出发，确定了副反射面位置调整 参数与远场电性能的关系式，并以副面调整后天线远场电性能最优为目标，建立了以副面 调整参数为变量的优化模型，采用合适的优化算法，在可行域内获得了副面位置的最佳调 整参数。依据该最佳调整参数驱动副面运动，实现副面位置偏差补偿。本发明主要用于解决 现有双反射面天线因结构变形无法快速测量，进而难以快速确定副面最佳位置的问题，可 用于指导大型双反射面天线进行副面最佳位置调整，以减小因天线结构变形引起的副面位 置偏差影响，使其电性能达到最优。
[0009] 本发明所述的一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，该方法按 下列步骤进行：
[0010] a、根据双反射面天线的几何关系，获得天线的几何参数信息，其中包括主反射面 的理论面形信息、副反射面的理论位置信息、副面位置调整坐标系及运动范围信息；
[0011] b、根据天线的实际工作情况，获得当前天线远场电性能信息；
[0012] c、利用双反射面天线面形、副面位置和运动坐标系信息及当前天线远场方向图信 息，构造副反射面位置与副面调整后的目标远场方向图的函数关系，即副面调整参数模型：
[0014] 式（1)中F(V ,ΦΟ为口径场分布函数，根据实际使用的接收机而定；i为由坐标 原点到远区观察点（θ，Φ )的方向矢量J为口径面上的极坐标(V，Φ');k为自由空间波常 数k = 2π/λ; dQ表示副面位置调整量，:i/Q = [?/Δχ;，必欠,, ?/Δ%,必仍^ Cs为副面位置 调整引起的口径面光程差系数矩阵，可根据天线的主面和副面的几何关系确定;A表示口径 面面积；
[0015] d、根据天线当前工况下的远场信息、副面调整参数模型和副面位置运动范围，建 立以副面位置调整后天线增益最大为目标的优化模型，其中包括天线的相对增益和副面运 动调整量范围约束；
[0016] e、根据优化模型采用优化算法进行求解，获得双反射面天线当前工况下的副面最 佳位置调整参数;调整副面运动机构的位置，实现基于电性能的副面位置最佳调整。
[0017] 步骤b中所述的当前天线远场方向图信息，采用对射电源或卫星信标进行实测的 方法，通过天线的接收机和终端测量已知信号的功率，进而获得天线的远场方向图信息；已 知当前天线的结构变形时，已知当前天线的主面变形误差引起的口径面光程差和副面偏移 误差引起的口径面光程差，通过机电耦合模型采用数值积分进行计算，获得远场方向图信 息，其中机电耦合模型中引起相位差的因素由主面变形和副面偏移误差引起的口径面光程 差之和构成。
[0018] 本发明所述的一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，该方法 中：
[0019] 根据双反射面天线的几何关系，获得主反射面的理论面形信息P(V，Φ'，w)、副反 射面的理论位置信息外HA,%#.)、副面位置调整坐标系Os及运动范围信息等几何参 数，副面位置调整坐标系〇s为副面运动机构参考点所在的坐标系，副面可沿 Xs、ys、zs方向平 移，绕xs和y s轴按右手定则方向，沿死和巧.转动；其运动范围包括各平移参数的运动距离范 围和转动参数的运动角度范围；
[0020] 根据天线的实际工作情况，通过实测或仿真分析，获得当前天线远场方向图信息 ΕΚΘ，Φ );当前天线远场方向图信息通过：
[0021] (a)采用对射电源或卫星信标进行实测的方法，通过天线的接收机和终端测量已 知信号的功率，进而获得天线的远场方向图信息；
[0022] (b)已知当前天线的结构变形时，即已知当前天线的主面变形误差引起的口径面 光程差和副面偏移误差引起的口径面光程差，可通过机电耦合模型采用数值积分进行计 算，获得远场方向图信，其中机电耦合模型中引起相位差的因素由主面变形和副面偏移误 差引起的口径面光程差之和构成。机电耦合模型如下：
[0024] 式(3)中δ表示由主面变形和副面偏移误差引起的口径面光程差之和，g卩δ = δρ+δ3。
[0025] 利用双反射面天线面形Ρ和位置信息S及当前天线远场方向图信息ΕΚθ,φ)，构造 副反射面位置与副面调整后的远场方向图f (θ，φ )的函数关系，即副面调整参数模型：
[0027] 式（1)中F(V ,ΦΟ为口径场分布函数，根据实际使用的接收机而定;1为由坐标 原点到远区观察点（θ，Φ )的方向矢量;:rv为口径面上的极坐标(V，Φ7 );dQ表示副面位置调 整量，i/Q = , ，?/Δ0，?/Δ%『；Cs为副面位置调整引起的口径面光程差系数 矩阵，可根据天线的主面和副面的几何关系参数确定;A表示口径面面积;k为自由空间波常 数1? = 2π/λ;
[0028] 远场方向图积分中的副面位置调整引起的口径面光程差系数矩阵Cs，可按照如下 公式计算：
[0030] 式(4)*θρ为入射光线经主面反射后与入射光线的夹角；0￡为经副面反射面后的光 线与主光轴的夹角;a和c表示副面半短轴和半焦距;Μ为双反射面放大率；
[0031] 副面调整参数模型在口径面上的面积分可采用高斯积分的数值计算方法进行计 算；
[0032] 口径面电场分布通常符合一定分布规律，高斯分布较为常见，其分布函数
，其中te为口径面边缘照射电平（以dB为单位），D为主面直 径。
[0033] 根据天线当前工况下的远场信息、副面调整参数模型和副面位置运动范围，以副 面调整后天线远场增益最大为目标，构建在天线电性能最佳情况下，寻找副面最佳位置调 整量dQ*的优化数学模型：
[0035] 式⑵中Gr表示天线的相对增益，兩和迎表示副面运动调整量的上下范围约束；
[0036] 根据优化模型采用可行方法法进行优化求解，获得双反射面天线当前工况下，副 面的最佳位置调整参数dQ*，调整副面运动机构的位置，实现副面位置的最佳调整。
[0037] 求解副面最佳位置调整量优化数学模型可采用全局优化算法，如遗传算法;针对 该模型只有5个优化变量的特点，也可采用可行方向法在副面调整范围内进行优化模型求 解。
[0038] 本发明所述的一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，该方法从 天线结构变形对电性能的影响方面考虑，根据天线的电性能和副面调整量的关系，对副面 位置的调整参数进行研究，以确定副面位置调整对电性能的影响关系，通过不同副面位置 所对应的电性能，来得到获得最佳电性能时的副面位置的调整参数。
[0039] 本发明所述的一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，该方法与 检索的几篇专利相比具有以下特点：
[0040] (1)直接以电性能作为副面位置调整的依据，可直接反应出调整的效果；
[0041] (2)通过对电性能的实测和优化计算，即可获得该工况下的天线最佳副面位置，操 作简单，使用时间少；
[0042] (3)通过实测电性能，可反映出当前天线在多种环境载荷的综合影响下的性能，据 此进行副面最佳调整后，可起到对多种载荷影响下天线结构变形的补偿。
【附图说明】
[0043] 图1为本发明双反射面天线副面位置最佳调整方法的流程图；
[0044] 图2为本发明反射面天线几何关系示意图；
[0045] 图3为本发明卡塞格伦双反射面天线几何示意图；
[0046] 图4为本发明天线反射体有限元模型；
[0047]图5为本发明天线远场相对增益方向图，其中一为副面调整前，一?一为副面调整 后。
【具体实施方式】
[0048] 以下参照附图对本发明做进一步描述。
[0049] 参照图1，一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，具体步骤如 下：
[0050] a、参照图3,根据双反射面天线的几何关系，获得主反射面的理论面形信息P(V， Φ '，w)、副反射面的理论位置信息$<Λ，兄，ζ^^ι，％.)、副面位置调整坐标系〇s及运动范围 信息等几何参数。主面面形信息为反射面上节点在空间坐标系Op下的三维坐标(xP，yP，z P)， 表示为极坐标形式(ν，Φ '，w)，
，Φ ' =tan-Hyp/xp)，w = zp。副面理论位 置信息为相对于坐标系〇s的副面刚体位置，用5个自由度(心又，4,:各,％)表示，g卩3个方向 平移自由度和2个转动自由度；
[0051] b、根据天线的实际工作情况，通过实测或仿真分析，获得当前天线远场方向图信 息Ει(θ，φ);
[0052] 天线结构变形未知时，可采用对射电源或卫星信标进行实测的方法，通过天线对 已知信号源进行十字扫描观测，通过接收机和相应终端对信号进行接收和处理，获得天线 的远场方向图信息；
[0053]已知当前天线的结构变形时，即已知当前天线的主面变形误差引起的口径面光程 差3[)和副面偏移误差引起的口径面光程差33，可通过机电耦合模型进行积分计算，获得远场 方向图信息。机电耦合模型如下：
[0055] 式（1)中δ表示由主面变形和副面偏移误差引起的口径面光程差之和，g卩δ = δρ+δ3。 参照图2，式（1)的面积分计算可采用高斯积分的数值方法在口径面Α上进行积分计算;式 (1)中的 =厂'sin cos(# …f):
[0056] c、参照图2,利用双反射面天线面形P和位置信息S及当前天线远场方向图信息Ei (Θ，Φ)，构造副反射面位置与副面调整后的远场方向图Ε?θ,φ)的函数关系，即副面调整 参数模型：
[0058] 式(2)中F(V ,ΦΟ为口径场分布函数，根据实际使用的接收机而定；及为由坐标 原点到远区观察点（θ，Φ )的方向矢量J为口径面上的极坐标(r'，φ' );dQ表示副面位置调 整量，而_= p/Δχ、, , ?；/Δζ,.，?/Δρ、., ?/Δ(;^Τ ;Cs为副面位置调整引起的口径面光程差系数 矩阵，可根据天线的主面和副面的几何关系参数确定;k为自由空间波常数k = 2VA;A表示 口径面面积;式(2)的积分计算可按步骤2中的机电耦合模型积分计算方法进行计算；
[0059] d、根据天线当前工况下的远场信息、副面调整参数模型和副面位置运动范围，以 副面调整后天线远场相对增益最大为目标，构建在天线电性能最佳情况下，寻找副面最佳 位置调整量dQ*的优化数学模型：
[0061] 式(3)中Gr表示天线的相对增益，％和迎表示副面运动调整量的上下范围约束；
[0062] e、根据式(3)的优化模型特点，在定义域内采用合适的全局优化算法，可采用遗传 算法或可行方向法进行优化模型求解，获得双反射面天线当前工况下，副面的最佳位置调 整参数dQ*，调整副面运动机构的位置，实现副面位置最佳调整。
[0063] 本发明的优点可通过以下仿真试验进一步说明：
[0064] 将本发明的天线副面调整方法在25m射电望远镜上进行仿真试验，此天线是用于 射电天文观测的25m的卡塞格伦双反射面天线，其主面口径为25m，副面口径2.6m，焦径比 0.3,主面焦距7.5m。副面顶点到主焦点的距离为0.9963m，馈源相心到主面顶点间的距离为 1.677m，主面半张角为77.77°，副面半张角14.43°，天线放大率Μ为6.5823。副面可运动范围 为:沿X和Υ方向< ± 50mm，沿Ζ方向< ± 80mm，绕X和Υ轴旋转角小于等于± 5°。天线的工作波 长为0.06m，天线的馈源对口径面的照射为高斯型分布，其口径面边缘的照射电平为-12dB;
[0065] 为了获得天线在某工况下一一受重力载荷影响时的电性能，通过结构仿真分析获 得其该工况下的结构受重力载荷的影响情况，并应用步骤b中的机电耦合模型进行电性能 的计算，即可获得天线的当前远场电性能。
[0066]根据天线的几何参数，在有限元分析软件ANSYS中建立25m天线主反射体模型，如 图4所示，施加重力载荷边界条件，模拟仿真天线朝向45°仰角时的结构重力变形情况。将仿 真分析后的结果，包括背架上弦节点和副面上节点的位移信息，提取出来并保存。对变形后 的节点位移信息处理后，应用步骤b中的机电耦合模型计算当前天线重力变形后的远场方 向图，如图5中的红实线所示。根据天线当前工况下的远场信息、副面调整参数模型和副面 位置运动范围，以副面调整后天线远场相对增益最大为目标，建立副面最佳位置优化模型， 并采用可行方向法进行求解，迭代57步后得到最优解dQ*;
[0067]天线在45°仰角时，受重力载荷影响下，其最佳副面调整参数dQ*及其对应电性能 如表1所示，副面调整最佳调整前后的远场电性能对比如图5所示，其中一实线表示调整前 的方向图：
-圈划线代表调整后的远场方向图。
[0068]表1 25米天线45°仰角时重力载荷影响下副面最佳调整参数及电性能
[0070] 从表1可以看出：副面最佳调整后天线远场增益由原来的60.8221dB提高到 61.6524dB，提高了0.84dB。从图5可以看出，副面调整后天线方向图都有了明显改善，主瓣 相对增益有所提高，副瓣电平降低。
[0071] 仿真结果表明，采用本发明对副面位置进行优化调整后，改善了天线的电性能。
【主权项】
1. 一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，其特征在于该方法按下列 步骤进行： a、 根据双反射面天线的几何关系，获得天线的几何参数信息，其中包括主反射面的理 论面形信息、副反射面的理论位置信息、副面位置调整坐标系及运动范围信息； b、 根据天线的实际工作情况，获得当前天线远场电性能信息； c、 利用双反射面天线面形、副面位置和运动坐标系信息及当前天线远场方向图信息， 构造副反射面位置与副面调整后的目标远场方向图的函数关系，即副面调整参数模型：(1) 式（1)中为口径场分布函数，根据实际使用的接收机而定;愈为由坐标原点到 远区观察点说灼的方向矢量；；1为口径面上的极坐标於約为自由空间波常数 fc= 2τ# ;㈨表示副面位置调整量；Ci为副面位 置调整引起的口径面光程差系数矩阵，可根据天线的主面和副面的几何关系确定；乱表示 口径面面积； d、 根据天线当前工况下的远场信息、副面调整参数模型和副面位置运动范围，建立以 副面位置调整后天线增益最大为目标的优化模型，其中包括天线的相对增益和副面运动调 整量范围约束； e、 根据优化模型采用优化算法进行求解，获得双反射面天线当前工况下的副面最佳位 置调整参数;调整副面运动机构的位置，实现基于电性能的副面位置最佳调整。2. 根据权利要求1所述的以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法，其特征 在于步骤b中所述的当前天线远场方向图信息，采用对射电源或卫星信标进行实测的方 法，通过天线的接收机和终端测量已知信号的功率，进而获得天线的远场方向图信息；已知 当前天线的结构变形时，已知当前天线的主面变形误差引起的口径面光程差和副面偏移误 差引起的口径面光程差，通过机电耦合模型采用数值积分进行计算，获得远场方向图信息， 其中机电耦合模型中引起相位差的因素由主面变形和副面偏移误差引起的口径面光程差 之和构成。
【文档编号】H01Q3/02GK106025550SQ201610365843
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】项斌斌, 王从思, 连培园, 张树新, 保宏, 王伟, 王娜, 陈卯蒸, 许谦, 刘志勇, 王凯
【申请人】中国科学院新疆天文台