一种相控阵天线性能仿真分析方法及系统与流程

本发明涉及相控阵天线仿真与人工智能，具体涉及一种相控阵天线性能仿真分析方法及系统。

背景技术：

1、相控阵天线通过对多个阵元的馈电幅度和馈电相位进行控制，实现波束指向调整、波束赋形及空间扫描，广泛应用于雷达探测、无线通信、卫星通信及电子对抗等领域。相控阵天线的性能受阵元结构、阵元间距、材料属性、馈电状态、工作频率、扫描方向及阵元互耦等多种因素共同影响，因此在天线设计和参数优化过程中，需要对方向图、增益、波束宽度、旁瓣电平、扫描损耗及端口特性进行仿真分析。

2、现有相控阵天线性能分析通常采用有限元法、有限差分时域法或矩量法等全波电磁仿真方法。该类方法能够获得较高精度的电磁场结果，但在阵元数量较多、结构参数复杂或需要遍历大量工作频率和扫描方向时，需要反复进行网格划分、矩阵求解和场量计算，计算资源消耗较大，难以满足多参数组合下的快速仿真和批量分析需求。

3、为提高仿真效率，部分现有技术采用神经网络建立天线参数与性能指标之间的映射关系。然而，普通神经网络主要针对固定维度输入和输出进行数据拟合，难以有效描述阵列结构函数与连续电磁场函数之间的算子映射关系；同时，模型通常未充分考虑阵元拓扑连接、馈电状态及阵元间互耦传播，容易导致大扫描角、高互耦状态及非均匀阵列条件下的预测误差增大。

4、此外，现有数据驱动仿真模型主要依赖大量高精度电磁仿真样本进行训练，未能充分利用麦克斯韦方程、边界连续性及能量守恒等电磁物理约束。当训练样本较为稀疏或待分析参数超出已有样本分布时，预测结果可能出现不满足电磁物理规律的问题。现有方法也难以根据少量参考仿真数据对模型输出进行自适应校准，并进一步完成参数敏感性分析和异常阵元定位。

5、因此，如何提供一种相控阵天线性能仿真分析方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种相控阵天线性能仿真分析方法及系统，本发明通过构建阵列拓扑函数表征和阵元互耦矩阵，将阵列拓扑函数表征与频空查询条件输入改进的deeponet模型，引入拓扑感知算子映射、物理残差校正、阵元互耦传播补偿及多性能指标解码，对相控阵天线的电磁场分布、辐射性能和端口性能进行联合仿真，并基于稀疏参考电磁仿真数据完成模型校准、参数敏感性分析与异常性能定位。与现有技术相比，本发明能够建立阵列结构参数、馈电状态及频空条件与连续电磁场结果之间的算子映射，降低多参数组合下重复全波仿真的计算开销，提升大扫描角、高互耦及稀疏样本条件下的性能预测精度，具备仿真效率高、物理一致性强、互耦补偿准确和性能分析智能化程度高的优点。

2、根据本发明实施例的一种相控阵天线性能仿真分析方法及系统，包括如下步骤：

3、s1、采集相控阵天线参数及稀疏参考电磁仿真数据，经关联对齐和标准化处理，得到天线仿真样本集；

4、s2、从天线仿真样本集中提取阵元空间关系、阵元属性、馈电状态及电磁响应关系，构建阵列拓扑函数表征和阵元互耦矩阵；

5、s3、将阵列拓扑函数表征和频空查询条件输入改进的deeponet模型，执行拓扑感知算子映射，得到初始电磁场算子表征和初始端口响应表征；

6、s4、基于电磁物理残差和阵元互耦矩阵，对两类初始表征进行物理校正及互耦补偿，得到校正电磁场结果和校正端口响应结果；

7、s5、对校正电磁场结果和校正端口响应结果进行多性能指标解析，得到相控阵天线性能指标向量；

8、s6、将性能指标向量与参考性能指标向量进行误差校验，并更新模型校准参数，得到校准后的改进的deeponet模型及性能仿真结果；

9、s7、调用校准后的改进的deeponet模型执行批量算子推理，得到参数敏感性分析结果、异常性能定位结果及性能仿真分析报告。

10、可选的，所述s2包括如下步骤：

11、s21、根据阵元编号、阵元空间坐标及阵元类型建立阵元节点集合，并将阵元尺寸、材料属性及极化状态写入对应阵元节点；

12、s22、根据阵元间距、排列关系及馈电连接关系建立阵元拓扑边，得到阵列拓扑连接结构；

13、s23、将馈电幅度、馈电相位及阵元工作状态编码为阵元激励特征，并与阵元节点属性融合，得到阵元状态特征；

14、s24、对阵元状态特征和阵列拓扑连接结构进行联合编码，形成阵列拓扑函数表征，并根据当前工况下的阵元电磁响应关系形成阵元互耦矩阵。

15、可选的，所述s3包括如下步骤：

16、s31、将阵列拓扑函数表征输入阵列拓扑感知分支网络，按照阵列拓扑连接结构传播阵元状态特征，得到阵元局部拓扑特征；

17、s32、对阵元局部拓扑特征进行有效状态加权池化和门控融合，得到固定维度的分支算子特征；

18、s33、从天线仿真样本集中提取工作频率、空间坐标及扫描方向，构建频空查询条件，并将频空查询条件输入频空联合主干网络，得到主干查询特征；

19、s34、利用自适应算子融合单元对分支算子特征和主干查询特征进行状态相关融合，得到初始电磁场算子表征和初始端口响应表征。

20、可选的，所述s34包括如下步骤：

21、s341、根据主干查询特征确定当前工作频率、空间位置及扫描方向对应的算子查询状态；

22、s342、根据算子查询状态、分支算子特征及阵元局部拓扑特征生成候选算子特征和对应的状态相关权重；

23、s343、利用状态相关权重对候选算子特征进行加权聚合，并将聚合结果与主干查询特征进行逐维组合；

24、s344、对逐维组合结果分别进行电磁场分量映射和端口响应映射，得到初始电磁场算子表征和初始端口响应表征。

25、可选的，所述s4包括如下步骤：

26、s41、从初始电磁场算子表征中解析电场分量和磁场分量，并从初始端口响应表征中提取端口响应特征；

27、s42、根据电场分量、磁场分量、介质属性及边界条件，确定场方程残差、边界连续性残差和能量偏差；

28、s43、对场方程残差、边界连续性残差和能量偏差进行联合编码，生成电磁场分量校正量，得到物理校正电磁场结果；

29、s44、依据阵元互耦矩阵传播局部电磁响应和端口响应，得到校正电磁场结果和校正端口响应结果。

30、可选的，所述s44包括如下步骤：

31、s441、根据阵元空间坐标及端口位置建立响应映射索引，提取各阵元的局部电磁响应特征和端口响应特征；

32、s442、根据阵元互耦矩阵中的互耦强度、互耦方向、阵元距离及馈电相位差生成互耦传播系数；

33、s443、利用互耦传播系数聚合相邻阵元的两类响应特征，得到空间场互耦补偿量和端口互耦补偿量；

34、s444、将两类互耦补偿量分别与物理校正电磁场结果和初始端口响应表征进行残差融合，得到校正电磁场结果和校正端口响应结果。

35、可选的，所述s5包括如下步骤：

36、s51、对校正电磁场结果进行近远场转换，得到不同频率及扫描方向对应的远场辐射数据；

37、s52、从远场辐射数据中提取主波束、旁瓣、零陷及极化特征，得到方向图特征集合；

38、s53、根据方向图特征集合解析增益、波束宽度、旁瓣电平、扫描损耗及前后比，得到辐射性能指标；

39、s54、根据校正端口响应结果解析有源反射系数、回波损耗及有源驻波比，并与辐射性能指标组合形成性能指标向量。

40、可选的，所述s6包括如下步骤：

41、s61、从稀疏参考电磁仿真数据中提取参考辐射性能指标和参考端口性能指标，形成参考性能指标向量；

42、s62、将性能指标向量与参考性能指标向量进行关联匹配，得到多指标误差集合和对应的指标校准权重；

43、s63、根据指标校准权重融合多指标误差集合，生成算子输出校正参数和性能指标偏差补偿参数；

44、s64、根据两类校正参数更新对应校准单元并重新推理，得到校准后的改进的deeponet模型及性能仿真结果。

45、可选的，所述s7包括如下步骤：

46、s71、按照阵元间距、阵元尺寸、各阵元馈电幅相、阵元工作状态、工作频率及扫描方向生成多个天线参数组合；

47、s72、调用校准后的改进的deeponet模型计算各天线参数组合对应的性能指标向量，得到批量性能仿真结果；

48、s73、根据天线参数变化量与性能指标变化量之间的关联程度，生成参数敏感性分析结果和参数—性能关联关系；

49、s74、根据性能指标异常程度和参数—性能关联关系确定候选异常阵元及候选异常参数，将其作为异常性能定位结果，并生成性能仿真分析报告。

50、根据本发明实施例的一种相控阵天线性能仿真分析系统，包括如下模块：

51、数据处理模块，用于采集相控阵天线参数及稀疏参考电磁仿真数据，进行关联对齐和标准化处理，得到天线仿真样本集；

52、拓扑构建模块，用于提取阵元空间关系、阵元属性、馈电状态及电磁响应关系，得到阵列拓扑函数表征和阵元互耦矩阵；

53、算子映射模块，包括阵列拓扑感知分支网络、频空联合主干网络及自适应算子融合单元，用于生成初始电磁场算子表征和初始端口响应表征；

54、电磁场校正模块，包括物理残差校正单元和互耦传播单元，用于进行物理一致性校正和互耦补偿，得到校正电磁场结果和校正端口响应结果；

55、性能解析模块，包括多性能指标解码单元，用于解析校正电磁场结果和校正端口响应结果，得到相控阵天线性能指标向量；

56、模型校准模块，包括算子输出校准单元，用于根据性能指标向量与参考性能指标向量之间的误差更新模型校准参数，得到校准后的改进的deeponet模型及性能仿真结果；

57、仿真分析模块，用于调用校准后的改进的deeponet模型执行批量算子推理，得到参数敏感性分析结果和异常性能定位结果；

58、报告输出模块，用于关联天线参数、性能指标、参数敏感性分析结果及异常性能定位结果，生成性能仿真分析报告。

59、本发明的有益效果是：本发明通过构建阵列拓扑函数表征和阵元互耦矩阵，并利用改进的deeponet模型建立阵列拓扑函数、频空查询条件与连续电磁场函数及端口响应函数之间的算子映射关系，能够在不同阵元数量、阵列形式、工作频率和扫描方向下生成初始电磁场算子表征及初始端口响应表征。相较于对每组天线参数组合重复执行网格划分和全波电磁求解，本发明能够复用阵列拓扑感知分支网络生成的分支算子特征，仅根据变化的频空查询条件更新主干查询特征，从而降低多参数组合仿真的重复计算量，提高相控阵天线批量性能分析效率。

60、本发明在改进的deeponet模型中引入阵列拓扑感知分支网络、自适应算子融合单元、物理残差校正单元和互耦传播单元。阵列拓扑感知分支网络能够保留阵元位置、材料属性、馈电状态及阵元拓扑关系，并将不同阵元数量对应的阵列拓扑函数转换为固定维度的分支算子特征；自适应算子融合单元能够根据工作频率、空间位置及扫描方向调整候选算子特征的状态相关权重，提高近场、远场及大扫描角工况下的算子映射适应性。物理残差校正单元通过场方程残差、边界连续性残差和能量偏差对电磁场预测结果进行约束，互耦传播单元依据当前工况对应的阵元互耦矩阵，对局部电磁响应和端口响应分别进行补偿，由此降低高互耦、非均匀阵列及稀疏样本条件下的非物理预测偏差，提高电磁场结果和端口性能结果的一致性。

61、本发明能够从校正电磁场结果中解析增益、波束方向、波束宽度、旁瓣电平、扫描损耗及前后比，并从校正端口响应结果中解析有源反射系数、回波损耗及有源驻波比，实现辐射性能与端口性能的联合仿真。通过将性能指标向量与稀疏参考电磁仿真数据对应的参考性能指标向量进行误差校验，并依据归一化指标误差和指标校准权重更新算子输出校准单元及多性能指标解码单元，能够在减少目标天线高精度参考仿真数据数量的同时，对模型输出进行自适应校准，提高不同频率区域和扫描区域下的性能预测精度。

62、本发明还能够调用校准后的改进的deeponet模型对多个天线参数组合执行批量算子推理，根据归一化性能变化量与归一化参数变化量计算参数敏感度，形成参数敏感性分析结果和参数—性能关联关系；并通过候选参数恢复推理，比较恢复前后综合异常程度，计算候选阵元及候选参数的异常置信度，得到异常性能定位结果。该处理方式能够筛选导致性能退化的候选异常阵元和候选异常参数，为相控阵天线结构设计、馈电配置优化、扫描性能评估及后续实测故障确认提供依据。