一种阵面口径赋形天线低副瓣加权和轻量化方法与流程

本技术涉及天基微波雷达，尤其是涉及一种阵面口径赋形天线低副瓣加权和轻量化方法。

背景技术：

1、星载合成孔径雷达（sar）主要用于地面目标成像；对空中高速运动飞机目标进行自主搜索发现和近连续跟踪，则需要相应的星载对空探测体制。后续国际、国内星载雷达领域的发展趋势之一是发展具备检测空中飞机目标的星载探测雷达技术。星载探测体制雷达作为一种主动探测设备，可对高速运动的空中飞机目标进行自主搜索发现，并可实时近连续跟踪运动目标，输出目标位置、速度、航向等航迹信息，是实现对空中目标全球广域监视的关键技术手段。

2、对于星载sar雷达，地面场景本身就是雷达的观测对象，地面杂波就是有用的雷达回波信号，因而对雷达天线方位副瓣电平要求不高。对星载探测雷达而言，雷达观测对象是飞机运动目标，地面杂波就成为无用回波信号，反而会干扰飞机目标的检测。系统设计为了最大化信杂噪比（scnr）提高目标检测性能，对天线的低副瓣设计提出了很高要求。天线低副瓣设计的内涵是：在接收低副瓣设计基础上，进一步尽量降低发射副瓣，实现收发双程低副瓣。在接收工作时，tr组件工作在线性放大状态，因而可以对tr组件的接收增益进行衰减，在天线阵面口径形成幅度加权实现天线接收低副瓣，通常要求天线接收方位向最大副瓣电平低于-35db。在发射工作时，tr组件工作在饱和放大状态，因而不能采用衰减tr组件发射功率的方式形成天线阵面口径幅度加权，降低天线发射副瓣，必须寻找降低天线发射副瓣的新方法。

3、天线阵面减重轻量化设计也是星载探测雷达面临的另一难题，传统的sar模式设计对天线方向图在方位向、距离向二维电扫描能力要求不高，一般方位向扫描较小。星载探测体制雷达由于要大范围搜索、跟踪运动飞机目标，要求具备二维大范围电扫描能力，一般要求方位向扫描达几十度以上。天线二维大角度电扫描能力提升导致天线阵面有源单机排布密度显著增大，天线阵面单位面积内tr组件、延时放大组件、波控单元、阵面二次电源等有源单机数量增多5~10倍以上，单位面积重量显著增加，因而天线阵面减重需求更显迫切。

4、目前，未有专门针对上述问题进行降低天线发射、接收双程低副瓣同时减轻天线阵面重量的相关方法。针对星载探测体制雷达发射、接收双程低副瓣和减重设计的难题，本文提出了一种阵面口径赋形天线低副瓣加权和轻量化设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种阵面口径赋形天线低副瓣加权和轻量化方法及相控阵天线，以解决现有技术中存在的以下技术问题：在相控阵天线发射工作时，tr组件工作在饱和放大状态，无法通过衰减tr组件发射功率的方式在天线阵面口径形成幅度加权，导致天线发射副瓣电平难以有效降低；同时，星载探测体制雷达二维大范围电扫描能力的提升导致天线阵面有源单机排布密度显著增大、单位面积重量显著上升，现有技术缺乏能够同时实现发射副瓣抑制与阵面轻量化的协同设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种阵面口径赋形天线低副瓣加权和轻量化方法，包括以下步骤：确定天线设计的约束条件，所述约束条件包括天线的最大物理尺寸、最小有效面积以及波束性能要求；基于参考矩形阵面，通过对称地移除所述参考矩形阵面四个象限中的部分阵元，构建初始的天线阵面口径赋形模型，所述初始的天线阵面口径赋形模型的几何形状由至少一个象限内的关键几何参数定义；对所述初始的天线阵面口径赋形模型中的所有剩余阵元施加均匀幅度同相激励信号，计算天线在远场的辐射方向图，提取发射方向图性能指标；对所述初始的天线阵面口径赋形模型中的所有剩余阵元施加预设的数字幅度加权，计算施加接收加权后的天线辐射方向图，提取接收方向图性能指标；采用优化算法，以所述关键几何参数为优化变量，根据所述发射方向图性能指标和所述接收方向图性能指标迭代调整所述关键几何参数，重复执行所述构建初始的天线阵面口径赋形模型至所述提取接收方向图性能指标的步骤，直至目标函数收敛，输出满足预设优化目标的天线阵面口径赋形最优模型。通过物理移除矩形阵面四个象限角部的部分阵元，利用口径空间分布的渐变特性等效实现发射模式下的口径幅度加权，从而在不衰减tr组件发射功率的前提下降低天线发射副瓣电平；同时，被移除的阵元使天线阵面面积按比例减小，阵面重量随之同步下降，实现了发射副瓣抑制与阵面轻量化的内在统一。

4、进一步地，所述关键几何参数利用阵面口径赋形的四象限对称性，仅定义第一象限的赋形区域，所述关键几何参数包括：定义赋形区域边界的第一关键点a的位置坐标和第二关键点b的位置坐标，以及连接所述第一关键点a和所述第二关键点b的过渡曲线的形状参数；完整阵面由所述第一象限的赋形模型分别沿x轴、y轴及原点进行对称镜像操作生成。利用四象限对称性将优化维度降低至单象限，可显著减少计算量；过渡曲线的形状决定了等效口径场幅度渐变特性，平滑过渡有助于避免因口径突变引起的高远旁瓣。

5、优选地，所述过渡曲线为直线、二次曲线、高斯曲线或样条曲线中的任意一种。不同曲线类型对应不同的口径场幅度渐变特性，其中样条曲线能够提供最为平滑的口径场过渡，有效抑制高远旁瓣。

6、进一步地，所述预设的数字幅度加权为泰勒加权或切比雪夫加权。泰勒加权适用于对近旁瓣抑制要求较高的场景，切比雪夫加权在满足等副瓣电平约束的条件下可获得更窄的主瓣宽度，两种加权方式均能有效实现接收低副瓣性能。

7、进一步地，所述预设优化目标为多目标函数f，所述多目标函数f的表达式为；其中为发射方向图最大副瓣电平；为接收方向图最大副瓣电平；为预设的最大接收副瓣电平限制；为天线减重率；各目标权重因子依次记为、和，且满足。通过设置权重因子，可根据实际系统需求灵活调整各优化目标的优先级，实现发射低副瓣、接收低副瓣与阵面轻量化三个目标的协同最优化。

8、优选地，所述优化算法为遗传算法、粒子群优化算法或模拟退火算法中的任意一种。上述智能优化算法均能在多维参数空间中进行高效的全局寻优，其中遗传算法通过交叉、变异等操作自动生成新的几何参数组合，在约60代进化后可实现目标函数的收敛。

9、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

10、1、通过物理移除参考矩形阵面四个象限角部的部分阵元形成非矩形口径赋形阵面，利用口径空间分布的渐变特性等效实现发射模式下的口径幅度加权，从根本上解决了tr组件饱和发射状态下无法通过电控衰减降低发射副瓣的技术难题。仿真结果表明，与传统均匀馈电矩形阵相比，本发明口径赋形天线发射方向图方位向最大副瓣电平由-13.3db降至-23.3db，降低约10db；距离向最大副瓣电平由-13.2db降至-22.7db，降低约9.5db。

11、2、由于本发明采用物理移除部分阵元的方式实现口径赋形，被移除阵元所对应的tr组件、延时放大组件、波控单元及阵面二次电源等有源单机随之同步消除，天线阵面重量按被移除面积占比成比例下降。本发明口径赋形天线的阵面面积比为传统矩形口径天线的68.7%，天线阵面重量同步下降超过30%，有效解决了星载探测雷达阵面轻量化的迫切需求。

12、3、通过构建以发射方向图最大副瓣电平、接收方向图最大副瓣电平及天线减重率为目标的多目标优化函数，并采用智能优化算法对关键几何参数进行迭代寻优，本发明实现了发射低副瓣、接收低副瓣与阵面轻量化三个目标的协同最优化。优化后的口径赋形天线接收方位向最大副瓣电平为-36.3db，优于传统矩形阵的-35.4db，在实现发射副瓣大幅抑制和阵面减重的同时，接收低副瓣性能得到完整保持。