基于物理的模态估计与电子波束补偿技术在悬挂式相控阵雷达导引头中的应用

《Digital Signal Processing》：Physics-Guided Modal Estimation and Electronic Beam Compensation for Strapdown Phased-Array Radar Seekers

　　

摘要

固定式相控阵雷达导引头容易受到结构振动的影响，因为天线与机身固定相连，导致刚体运动和弹性变形直接转化为波束指向误差和目标增益损失。本研究开发了一种基于物理原理的模态估计和电子波束补偿框架，以减轻振动引起的指向干扰。首先建立了一个弹性体模型，将分布式的结构激励和模态变形与导引头的离轴偏差和滚转偏差联系起来，进而影响相控阵的响应。通过Welch功率谱密度（PSD）分析识别出主要的振动分量，然后使用扩展卡尔曼滤波器（EKF）递归估计这三个主要分量的幅度、频率和相位。根据估计出的角度偏差，在同一个波束控制周期内更新数字波束成形权重。该框架使用来自计算流体动力学（CFD）仿真的五分钟角振动记录和14×14 X波段平面阵列模型进行了评估。在测试的振动条件下，残余指向均方根误差（RMSE）从约5.8°降低到约0.6°，目标增益损失从7.5 dB减少到0.08 dB。每次更新的计算时间远短于5毫秒的采样间隔，证明了在所研究的模拟条件下实现低延迟电子补偿的可行性。

章节摘录

引言

现代机载和导弹搭载的主动电子扫描阵列（AESA）雷达通过电子控制每个发射-接收元件的相位来调整波束方向。与机械 gimba 系统相比，固定式 AESA 导引头具有更小的体积和重量、更快的波束转向速度以及更高的机械可靠性，使其适用于紧凑且机动性强的平台[[1], [2], [3]]。然而，由于天线孔径与机身固定相连，

振动建模与波束指向误差机制

在导弹飞行过程中，机身会受到空气动力载荷、推进力引起的扰动以及结构弹性的影响，这些因素都会引发振动。这些振动通过结构传递到安装在导弹头部的导引头，导致波束指向偏差，从而降低目标跟踪精度。

为了定量描述这一现象，根据欧拉-伯努利理论[15],[16]将导弹体建模为弹性梁。机身

导弹或机载相控阵导引头中的振动主要由空气动力扰动以及导引头外壳、安装框架和内部组件之间的结构耦合引起。在非稳态空气动力载荷作用下，结构通过其固有模态响应，每个模态都具有特定的自然频率和阻尼比。典型的模态包括低频的刚体俯仰/滚转运动和高频的天线支撑框架弹性变形。

为了使仿真环境更符合实际系统，导弹模型基于AIM-120配置，具有尖头腹部、圆柱形中部和十字形尾鳍，参考长度为3.2米，参考面积为0.18平方米[22]。计算流体动力学（CFD）仿真使用ANSYS Fluent在非结构化四面体网格上进行，该网格包含近场和远场区域。图2显示了导弹表面网格和局部网格离散化情况

选择EKF作为主要估计器，因为它提供了基于显式雅可比矩阵的实现方式，计算成本低且易于预测。无需导数的替代方法，如UKF和中心差分卡尔曼滤波器，可以在没有解析雅可比矩阵的情况下表示高阶效应[25],[26]。然而，在对比测试中，UKF的估计精度与EKF基本相同，但所需的更新时间约为EKF的12倍。这一结果具有特殊性

本研究开发了一种基于物理原理的模态估计和电子波束补偿框架，用于解决固定式相控阵导引头中由振动引起的指向干扰。结构模型将分布式激励和模态变形与导引头头部角度偏差及相控阵增益损失联系起来。主要振动分量从测量到的振动记录中初始化，通过模态EKF递归更新，并在同一周期内转换为波束权重校正

CRediT 作者声明

周志伟：概念构思、方法论、软件开发、数据分析、可视化、撰写——初稿。

张文涛：概念构思、方法论、项目监督、资金获取、撰写——审阅与编辑。

严向宇：数据分析、资源协调、数据分析、验证、撰写——审阅与编辑。

陈鹏：方法论、验证、数据分析、撰写——审阅与编辑。

曹振新：项目监督、

Zhiwei Zhou|Wentao Zhang|Xiangyu Yan|Peng Chen|Zhenxin Cao