[发明专利]一种面向有源相控阵天线电性能的混合补偿方法

摘要

本发明提出了一种面向有源相控阵天线电性能的混合补偿方法，用于提高有源相控阵天线的增益和指向精度。实现步骤为：建立有源相控阵天线阵面有限元模型，并提取有限元模型的特征；对有源相控阵天线阵面进行位移重构；对有源相控阵天线进行结构补偿；建立结构补偿后有源相控阵天线阵面位移的预测模型；对结构补偿后有源相控阵天线阵面位移进行预测；基于电补偿对结构补偿后有源相控阵天线进行电性能补偿。本发明在改善阵面精度抑制阵面振动的同时有效地提高了有源相控阵天线电性能。

主权项

1.一种面向有源相控阵天线电性能的混合补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)建立有源相控阵天线阵面有限元模型，并提取有限元模型的特征：/n建立由W×N个周期性排布的辐射单元组成的有源相控阵天线且包括几何特性和材料属性的有源相控阵天线阵面有限元模型，并提取有限元模型的总质量阵M、总刚度阵K和总阻尼阵C′，以及有限元模型所有节点的位移振型矩阵Φ和模态振型矩阵Ψ，W≥2,N≥2；/n(2)对有源相控阵天线阵面进行位移重构：/n通过安装在有源相控阵天线阵面上不同位置的n个应变传感器，采集t时刻有源相控阵天线阵面n个应变信息，组成应变信息集合ε(t)，并通过ε(t)计算t时刻有源相控阵天线的初始阵面位移δ₀(t)，其中n大于有限元模型的截断模态数；/n(3)对有源相控阵天线进行结构补偿：/n(3a)在有源相控阵天线阵面上布置L个作动器和用于对L个作动器进行控制的LQG控制器，其中，L大于有限元模型的截断模态数；/n(3b)通过M、K、C′和Φ建立有源相控阵天线阵面的动力学方程，并对该动力学方程进行变形，得到有源相控阵天线阵面的状态空间方程：/n /n其中，A、B和C分别为状态空间方程的状态矩阵、控制矩阵和位移矩阵，v(t)为t时刻阵面过程误差，w(t)为t时刻阵面测量误差，x(t)为t时刻阵面状态，为x(t)的一阶导数，δ(t)为t时刻阵面位移，u(t)为t时刻L个作动器输出集合；/n(3c)根据kalman滤波的估计理论，并通过有源相控阵天线阵面的状态空间方程，估计有源相控阵天线阵面t时刻估计阵面状态/n /n其中，为的一阶导数，Ke为LQG控制器中估计系统的增益矩阵，Pe为LQG控制器中估计系统的黎卡提矩阵，且A^T为A的转置矩阵，Q₃为v(t)的谱密度矩阵，为w(t)的谱密度矩阵Q₄的逆矩阵，C^T为C的转置矩阵；/n(3d)根据最优二次型控制理论，并通过有源相控阵天线阵面的状态空间方程，计算LQG控制器的反馈增益矩阵Kc：/n /n其中，为作动器控制权系数矩阵Q₂的逆矩阵，B^T为B的转置矩阵，P为LQG控制器的黎卡提矩阵，且Q₁为作动器位移输出权系数矩阵；/n(3e)根据和Kc计算t时刻L个作动器的输出量集合u^*(t)，并通过控制器的控制，将u^*(t)施加至有源相控阵天线阵面上，得到结构补偿后的有源相控阵天线Y；/n(4)建立结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移的预测模型：/n(4a)对有源相控阵天线阵面的状态空间方程进行离散，得到有源相控阵天线阵面的离散化状态空间方程：/n /n其中，A_d、B_d、C_d和D_d分别为离散化状态空间方程的状态矩阵、控制矩阵、位移矩阵和干扰矩阵，x(t+1)为t+1时刻阵面状态，d(t)为t时刻外界干扰量；/n(4b)对离散化状态空间方程进行变形，得到增量形式的状态空间方程：/n /n其中，Δx(t)为t-1到t时刻阵面状态的变化量，Δx(t)＝x(t)-x(t-1)，Δu(t)为t-1到t时刻L个作动器输出集合的变化量Δu(t)＝u(t)-u(t-1)，Δd(t)为t-1到t时刻外界干扰的变化量，Δd(t)＝d(t)-d(t-1)；/n(4c)对增量形式的状态空间方程进行变形，得到结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移公式：/nδ(t+1)＝A′_dΔx(t)+B′_dΔu(t)+δ(t)+D′_dΔd(t)/n其中,A′_d＝C_dA_d，B′_d＝C_dB_d，D′_d＝C_dD_d，δ(t+1)为结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移；/n(4d)将每个作动器自身误差及各作动器间工作的不协调性引起的阵面偏差的和Δγ添加到结构补偿后的阵面位移公式中，并删除Δd(t)，得到结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移的预测模型：/nδ(t+1)＝A′_dΔx(t)+B′_dΔu(t)+δ(t)+Δγ/n(5)对结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移进行预测：/n根据结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移的预测模型，并通过t时刻有源相控阵天线初始阵面位移δ₀(t)和t-1到t时刻L个作动器输出量集合的变化量Δu^*(t)，Δu^*(t)＝u^*(t)-u^*(t-1)，对δ(t+1)进行预测，得到结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移量δ；/n(6)基于电补偿对结构补偿后有源相控阵天线Y进行电性能补偿：/n(6a)通过结构补偿后有源相控阵天线Y阵面位移量δ，对有源相控阵天线每个辐射单元激励电流的相位进行调整，得到W×N辐射单元激励电流调整后的相位其中第i个辐射单元激励电流调整后的相位为/n /n其中，为第i个辐射单元的原相位，δ_i为第i个辐射单元中心的位移量，k表示波常数，表示观察方向P(θ,φ)的单位矢量，i＝1,2,…,W×N；/n(6b)根据计算结构补偿后有源相控阵天线Y的远场方向图F(θ,φ)：/n /n其中，f_i(θ,φ)为第i个辐射单元方向图函数，I_i为第i个辐射单元激励电流的幅度，r_i为第i个辐射单元的空间位置矢径。/n