CN110705175A

CN110705175A - 一种错位子阵阵面设计方法

Info

Publication number: CN110705175A
Application number: CN201910763033.4A
Authority: CN
Inventors: 徐振海; 杨功清; 董玮
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2020-01-17

Abstract

本发明公开一种错位子阵阵面设计方法，步骤如下：步骤一：确定目标函数；步骤二：通过子阵不重叠的条件确定约束条件；步骤三：确定优化角度，利用遗传算法求解优化问题，并对输出的解进行检验。本发明方法创造性的提出了在最大栅瓣增益对应的最大扫描角度处优化阵面的思路，有效解决了非全向阵元错位子阵电扫参数的优化问题。通过将不重叠的约束条件分为水平垂直相邻不重叠及斜对角相邻不重叠，从而将其分为线性约束及非线性约束，利于后续的迭代求解。本发明可以根据不同的要求对不同子阵样式及阵面布局进行优化。

Description

一种错位子阵阵面设计方法

【技术领域】

本发明涉及一种错位子阵阵面设计方法，属于阵列天线设计领域，具体涉及基于遗传算法的错位子阵布局设计方法。本发明可用于雷达、5G通信以及导航等领域。

【背景技术】

阵列天线在雷达、通信以及导航等电子信息系统中发挥重要作用。随着电子信息技术进步以及电子信息系统总体指标需求牵引，阵列天线朝数字化和大型化发展，阵面孔径越来越大，阵元数目动辄上万，甚至十万。为了降低大型阵列天线的实现难度，子阵技术应运而生。所谓子阵技术，就是按照特定规则将阵面划分为若干子阵，在子阵级进行控制和数字化采样，这样大大降低了控制单元和数字通道数目。子阵技术包括：非规则子阵技术、重叠子阵技术、错位子阵技术以及旋转子阵技术等。

错位子阵的核心思想是：采用若干大间距、均匀排布子阵将整个阵面铺满，并通过子阵间的几何错位抑制大间距子阵的栅瓣。由于所有子阵都是相同的，所以错位子阵技术在工程实现以及装备维护上优势明显，因此错位子阵技术具有广阔的应用前景。

2015年，俄国学者做了错位子阵方面的研究工作，采用遗传算法对矩形子阵错位进行优化，栅瓣抑制至-12dB左右。其主要的问题是在优化过程中没有考虑波束扫描以及阵元方向图因素，仅考虑到不扫描时的栅瓣抑制，并未涉及阵列扫描时的栅瓣抑制。因此如何优化设计子阵错位，推动其在实际装备中的应用仍然需要进一步研究。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种错位子阵阵面设计方法，以解决错位子阵设计中阵列扫描电性能优化的问题。本发明在给定扫描范围，子阵形状样式及阵元方向图条件下，给出扫描电性能较优且孔径较小的子阵错位排布方案。首先确定阵列电扫描中的最高栅瓣对应的角度，然后利用遗传算法对其进行抑制，这样在整个空间内都会得到较优的栅瓣水平。

本发明采取的技术方案如下：

步骤一：确定目标函数

目标函数由以下公式决定：

使用成熟遗传算法，目标是求取最小目标函数min(g(p))对应的p中的最优个体。GL(栅瓣水平)，孔径效率η；p为由不同平移向量x组成的种群。w₁,w₂的值取决于对GL和η的侧重程度。其中

步骤二：确定约束条件

约束条件来源于子阵不重叠的前提，不重叠约束条件可自然地分为线性和非线性两部分，Dx_i,Dy_i表示第i个子阵沿x，y轴平移的距离。以一个图2所示的错位子阵为例，标号从左下角开始，阵面由m×n个子阵构成，每个子阵由L×L个阵元构成，图2中m＝n＝4，L＝6。当平移量绝对值的上界不大于子阵边长的一半时有以下结论：

线性约束条件来源于水平垂直相邻的子阵不能重叠，可表示为

非线性约束条件是斜相邻的子阵不能重叠，这部分带来的约束条件是非线性的。有：

步骤三：利用遗传算法求解优化问题

用成熟遗传算法对平移向量x＝[Dx,Dy]进行优化，以得到目标函数值较优的解。

S1、通过给定阵元间距、阵元方向图及给定扫描范围确定优化扫描角度θ。

S2、利用遗传算法在俯仰扫描至θ时进行寻优，得到较优解x₀。

S3、最后判断输出的解是否满足约束条件及优化需求，若不满足，则构造种群矩阵[x₀；0.9x₀；0.8x₀；......；0.1x₀]，并将新的种群重新带入步骤S1中继续求解；若满足，则将x₀作为结果输出。

本发明的有益效果在于：

第一：优化后得出最优的结构，与非优化的相比，在扫描区间内栅瓣至少降低了10.2dB，能一定程度上满足电扫描的需求；副瓣水平没有明显抬升；口径效率能控制在合理区间内，能满足口径控制的需求。总得来看，能够满足工程应用的需求。

第二：计算量较小，时间效率高。由于不需要对整个扫描空间进行遍历，所以计算量不大，对一个由156个8×8的子阵组成的阵面只需要3小时即可将栅瓣压低至-10db以下，

【附图说明】

图1阵元方向图

图2错位子阵示意图

图3八边形阵面示意图

图4优化后的阵面布局

图5a-5d分别为俯仰向扫描0°,4.78°，9.60°，14.48°方向图性能对比；其中黑色实线为本发明结果，灰色虚线为未优化结构

图6为本发明方法流程框图

【具体实施方式】

为了更好地理解本发明的方法，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，该描述的实例仅仅是本发明的一部分实施举例而不是全部。基于本发明中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明的保护范围。

如图6所示，本发明一种错位子阵阵面设计方法，步骤如下：

步骤一:确定目标函数，在下述描述中，确定w₁＝0.9,w₂＝0.1.

步骤二：对如图2所示给定子阵划分及阵面布局的阵列，可确定平移向量x＝[DxDy]及不重叠约束条件。Dx为子阵沿x轴的平移量，长度等于子阵数目；Dy为子阵沿y轴的平移量，长度等于子阵数目。通过式(2)和(3)可得到相应的约束条件矩阵A,B。在生成种群时，先生成满足线性约束的条件的个体，再筛去不满足非线性约束的个体。具体方法是给不满足非线性约束的个体一个较大的目标函数值G(通常G>0即可视为较大)使其被淘汰。

步骤三：用遗传算法对平移向量进行求解寻优，分为三步

S1、通过给定阵元间距、阵元方向图及给定扫描范围确定优化扫描角度，对如图1所示的阵元方向图

根据给定的阵元间距d及给定扫描范围-θ₀～+θ₀，可计算得临界扫描角为：

最大扫描角θ₀对应的栅瓣GL₀为

GL₀＝F_ele(2θ₁-θ₀)-F_ele(θ₀)(dB) (5)

临界扫描角θ₁对应的栅瓣GL₁为

GL₁＝0(db) (6)

取GL₀，GL₁中较大的栅瓣对应的扫描角作为优化扫描角度θ。

S3、对中输出的结果x₀进行检测，如果输出结果的目标函数不等于G且电扫参数满足要求则作为最终的输出结果；如果等于G则回溯步骤S2，以全零值开始优化。如果输出结果的目标函数值不等于G但电扫参数不满足要求，则构造种群矩阵[x₀；0.9x₀；0.8x₀；......；0.1x₀]，并将新的种群带入步骤S1中继续求解，直到最终解满足约束条件及技术需求为止。

图4给出了本发明方法求解出的基于图3所示八边形阵的子阵布局方案。图5a～d给出了优化前后在扫描方向图方位向切面的电性能对比，可以看出本发明方法得出的结构拥有更好的扫描电性能，最大栅瓣电平性能提升了14.2dB。

Claims

1.一种错位子阵阵面设计方法，其特征在于：该方法包括：

步骤一：确定目标函数

目标函数由以下公式决定：

使用成熟遗传算法，目标是求取最小目标函数min(g(p))对应的p中的最优个体；GL为栅瓣水平，孔径效率为η；p为由不同平移向量x组成的种群；w₁,w₂的值取决于对GL和η的侧重程度；

步骤二：确定约束条件

约束条件来源于子阵不重叠的前提，不重叠约束条件可分为线性和非线性两部分；当平移量绝对值的上界不大于子阵边长的一半时有以下结论：

非线性约束条件是斜相邻的子阵不能重叠，这部分带来的约束条件是非线性的；有：

步骤三：利用遗传算法求解优化问题

2.根据权利要求1所述的一种错位子阵阵面设计方法，其特征在于：所述步骤三的具体过程如下：

S1、通过给定阵元间距、阵元方向图及给定扫描范围确定优化扫描角度θ；

S2、利用遗传算法在俯仰扫描至θ时进行寻优，得到较优解x₀；

S3、最后判断输出的解是否满足约束条件及优化需求，若不满足，则构造种群矩阵[x₀；0.9x₀；0.8x₀；......；0.1x₀]，并将新的种群重新带入步骤S2中继续求解；若满足，则将x₀作为结果输出。