CN112380657A - 圆环阵列天线的方向图综合方法及装置 - Google Patents

圆环阵列天线的方向图综合方法及装置 Download PDF

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CN112380657A CN202011388438.3A CN202011388438A CN112380657A CN 112380657 A CN112380657 A CN 112380657A CN 202011388438 A CN202011388438 A CN 202011388438A CN 112380657 A CN112380657 A CN 112380657A
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鲍志明
刘颜回
罗阡珂
章伟
韩峰
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Abstract

本申请实施例提供了一种圆环阵列天线的方向图综合方法及装置。该方法包括：获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。本申请实施例提供的一种圆环阵列天线的方向图综合方法及装置可以提高综合效率，降低计算时间。

Description

圆环阵列天线的方向图综合方法及装置
技术领域
本申请涉及圆环阵列天线技术领域，具体而言，涉及一种圆环阵列天线的方向图综合方法及装置。
背景技术
随着阵列天线技术的不断革新和各方面要求的不断提高，共形阵列天线的应用愈加广泛，也成为了近些年的研究热点。共形阵列天线是与某个表面共形的天线，与线性阵列天线或者平面阵列天线相比，共形阵列天线可以提供更宽的覆盖角度，不影响载体原本的空气动力学结构，在节省空间的同时增大了天线口径。圆环阵列天线很好的符合天线易于共形的需求，并且圆环阵列天线还有扫描范围广，以及可以通过循环移动阵元位置，简便地操控波束指向等优点，所以在研究共形阵列天线综合的领域，圆环阵列天线的研究成为热点。
目前，已经有一些可以综合均匀圆环阵列天线的方法提出，其中，阵列天线方向图综合是指根据要求对天线系统进行设计，使该系统产生的方向图与所要求的方向图良好逼近。例如，遗传算法，蚁群优化算法，差分进化算法，粒子群优化算法和凸优化算法。这些方法都能综合圆环阵列天线的方向图或者激励，一些在此基础上改进的算法甚至可以满足一些复杂的约束，例如，零点控制以及动态范围比控制。但是，随着对阵列天线性能要求的不断提高，阵列天线的阵元数目不断增加，因此有大量的数据需要优化。之前提出的方法在处理大规模圆环阵列天线综合问题时，常常面临时间成本太大、算法稳定性低等弊端。尤其是在天线阵元的波束指向不同的情况下，上述算法的应用更显得力不从心,并且准确性较低。
针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种圆环阵列天线的方向图综合方法及装置，可以提高综合效率。
第一方面，本申请实施例提供了一种圆环阵列天线的方向图综合方法，包括：
获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；
根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；
根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；
对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。
可选地，在本申请实施例所述的圆环阵列天线的方向图综合方法中，所述方向图模型包括激励向量；
所述对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图，包括以下步骤：
判断所述第一远场方向图是否满足预设条件；
若满足预设条件，则将所述第一远场方向图设置为目标远场方向图；
若不满足预设条件，则对所述第一远场方向图进行副瓣约束，得到第二远场方向图；
按照所述目标圆环阵列天线的对应位置对所述第二远场方向图进行分解，并通过逆快速循环卷积运算反推新的激励向量；
根据所述新的激励向量对所述方向图模型进行更新，并返回至所述根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算的步骤。
可选地，在本申请实施例所述的圆环阵列天线的方向图综合方法中，述对所述第一远场方向图进行副瓣约束，得到第二远场方向图，包括：
查找所述第一远场方向图的副瓣区域，并获取所述副瓣区域的副瓣电平峰值，将副瓣电平峰值的幅度值大于副瓣电平阈值的区域调整为设定的副瓣电平值，得到第二远场方向图。
可选地，在本申请实施例所述的圆环阵列天线的方向图综合方法中，所述根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型，包括：
根据所述数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型
Figure BDA0002810526220000031
其中，其中，wn为激励向量，
Figure BDA0002810526220000032
为阵列天线单元的方向图函数，β为自由空间的波常数。
可选地，在本申请实施例所述的圆环阵列天线的方向图综合方法中，所述根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图，包括：
分别激励向量以及方向图函数进行FFT变换，得到变换后的第一变换表达式以及第二变换表达式；
将第一变换表达式以及第二变换表达式相乘，并对相乘得到的结果进行IFFT运算，得到所述远场方向图的局部区域的方向图；
遍历k1和k2，每一次计算一圈，并存放到相应位置，最终由L圈方向图函数值组成所述远场方向图。
可选地，在本申请实施例所述的圆环阵列天线的方向图综合方法中，所述按照所述目标圆环阵列天线的对应位置对所述第二远场方向图进行分解，并通过逆快速循环卷积运算反推新的激励向量，包括：
遍历k1、k2，求出每一圈N个点的方向图函数值对应的激励，并对所求得的L组激励向量求和取平均值，得到优化过后的激励向量w′n。
可选地，在本申请实施例所述的圆环阵列天线的方向图综合方法中，所述几何参数包括：阵元数目、单元形式、阵元间距、中心频率、阵列半径。
第二方面，本申请实施例还提供了一种圆环阵列天线的方向图综合装置，包括：
第一获取模块，用于获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；
第二获取模块，用于根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；
第三获取模块，用于根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；
优化模块，用于对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。
第四方面，本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。
由上可知，本申请实施例提供的圆环阵列天线的方向图综合方法及装置通过获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图；从而实现目标远场方向图的快速计算，可以提高计算的准确性。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的圆环阵列天线的方向图综合方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的圆环阵列天线的方向图综合方法中的分段快速卷积采样位置对应图。
图3为本申请实施例提供的圆环阵列天线的方向图综合方法中的等间距圆环阵列方向图综合结果。
图4为副瓣电平峰值随迭代次数变化曲线图。
图5为方向图激励幅度分布图。
图6为方向图激励相位分布图。
图7为本申请实施例提供的圆环阵列天线的方向图综合装置的结构图。
图8为本申请实施例提供的电子设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，图1是本申请一些实施例中的一种圆环阵列天线的方向图综合方法的流程图。圆环阵列天线的方向图综合方法，包括以下步骤：
S101、获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率。
S102、根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型。
S103、根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图。
S104、对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。
其中，在该步骤S101中，该几何参数可以包括阵元数目、单元形式、阵元间距、中心频率、阵列半径。
其中，在该步骤S102中第一方向图模型AF(k1，k2)如下所示：
Figure BDA0002810526220000061
其中，wn为激励向量，
Figure BDA0002810526220000071
为阵列天线单元的方向图函数，β为自由空间的波常数，R为圆环阵列的半径。k1＝0，1，...，N-1，k1为分段的序号，N为阵元数目。k2＝0，1，...，L-1，k2为每一段中采样点的序号，L为分段采样点数目。
具体地，在一些实施例中，阵列天线的第一方向图模型AF(k1，k2)：
Figure BDA0002810526220000072
其中Δφ由阵元数目决定，即
Figure BDA0002810526220000073
现在我们将
Figure BDA0002810526220000074
采样为
Figure BDA0002810526220000075
此时公式变形为：
Figure BDA0002810526220000076
引入定义式：k＝k1L+k2 (3)
根据公式(2)、公式(3)构造出新的第一方向图模型：
Figure BDA0002810526220000077
其中，在该步骤S103中，如图2所示，可以分别激励向量以及方向图函数进行FFT变换，得到变换后的第一变换表达式以及第二变换表达式；将第一变换表达式以及第二变换表达式相乘，并对相乘得到的结果进行IFFT运算，得到所述远场方向图的局部区域的方向图；遍历k1和k2，每一次计算一圈，并存放到相应位置，最终由L圈方向图函数值组成第一远场方向图。
具体地，根据公式(4)构造两个用于快速循环卷积计算的式子：
x(n)＝wn (5)
Figure BDA0002810526220000078
对公式(5)、(6)进行快速循环卷积，其中卷积过程通过卷积定理与FFT优化加速：
Figure BDA0002810526220000079
Figure BDA0002810526220000081
Figure BDA0002810526220000082
将遍历k1和k2后的计算结果按照圆环上对应的位置排列，得到该圆环阵列天线的第一远场方向图。
其中，在该步骤S104中，需要对该圆环阵列天线的第一远场方向图进行迭代优化，直至该得到满足预设条件的目标远场方向图。
具体地，在一些实施例中，该步骤S104包括以下子步骤：
S1041、判断所述第一远场方向图是否满足预设条件。S1042、若满足预设条件，则将所述第一远场方向图设置为目标远场方向图。S1043、若不满足预设条件，则对所述第一远场方向图进行副瓣约束，得到第二远场方向图。S1044、按照所述目标圆环阵列天线的对应位置对所述第二远场方向图进行分解，并通过逆快速循环卷积运算反推新的激励向量。S1045、根据所述新的激励向量对所述方向图模型进行更新，并返回至所述根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算的步骤。
其中，该预设条件的设置采用现有技术中的算法。在该步骤S1043中，遍历k1、k2，求出每一圈N个点的方向图函数值对应的激励，并对所求得的L组激励向量求和取平均值，得到优化过后的激励向量w′n。其中，在该步骤S1045中，将w′n代入步骤S102中的模型：
Figure BDA0002810526220000083
以替代该其中的wn。
其中，在本实施例中，该综合时间所消耗为0.3秒，所有副瓣均达到-30dB以下的综合目标，方向图综合结果如图3所示。副瓣电平随迭代次数的变化曲线如图4所示，在25步之内的迭代便使得所有副瓣电平达到了预设的要求。而且，从图中可以看出，副瓣区域的电平分布十分稳定。图5是激励幅度的综合结果，图6是激励相位的综合结果。由此可以证明，该方法可以高效、精确地综合等间距圆环阵列天线。
另外，为了重点说明本专利所提出的方法的高效性，将本专利所提出的方法与常规的累加法进行了速度的比较，在比较时，二者的采样密度相同。设计一个中心工作频率为1Ghz，阵元数目为100，天线单元指向相同，阵元间距为0.5倍波长的圆环阵列。在普通计算机上(Intel Core i5-8400CPU@2.8GHz)，二者计算方向图的耗时分别为0.083秒和1.300秒，计算时间成本节省了15倍以上，并且，这个优势随着阵元数目和采样密度的增加会进一步加大。
请查参照图7所示，图7是本申请一些实施例中的一种圆环阵列天线的方向图综合装置的结构示意图。该圆环阵列天线的方向图综合装置，包括：第一获取模块201、第二获取模块202、第三获取模块203以及优化模块204。
其中，该第一获取模块201用于获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；
其中，该第二获取模块202用于根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；
其中，该第三获取模块203用于根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；
其中，优化模块204用于对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。
由上可知，本申请实施例提供的圆环阵列天线的方向图综合方法及装置通过获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图；从而实现目标远场方向图的快速计算，可以提高计算的准确性。
请参照图8，图8为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备3，包括：处理器301和存储器402，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构(未标出)互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机程序，当计算设备运行时，处理器301执行该计算机程序，以执行时执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法。
本申请实施例提供一种存储介质，所述计算机程序被处理器执行时，执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static RandomAccess Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable ReadOnly Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，包括：
获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；
根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；
根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；
对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。
2.根据权利要求1所述的圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，所述方向图模型包括激励向量；
所述对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图，包括以下步骤：
判断所述第一远场方向图是否满足预设条件；
若满足预设条件，则将所述第一远场方向图设置为目标远场方向图；
若不满足预设条件，则对所述第一远场方向图进行副瓣约束，得到第二远场方向图；
按照所述目标圆环阵列天线的对应位置对所述第二远场方向图进行分解，并通过逆快速循环卷积运算反推新的激励向量；
根据所述新的激励向量对所述方向图模型进行更新，并返回至所述根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算的步骤。
3.根据权利要求1所述的圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，述对所述第一远场方向图进行副瓣约束，得到第二远场方向图，包括：
查找所述第一远场方向图的副瓣区域，并获取所述副瓣区域的副瓣电平峰值，将副瓣电平峰值的幅度值大于副瓣电平阈值的区域调整为设定的副瓣电平值，得到第二远场方向图。
4.根据权利要求3所述的圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，所述根据所述参数信息以及所述中心频率(获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型，包括：
根据所述数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型
Figure FDA0002810526210000021
其中，其中，wn为激励向量，
Figure FDA0002810526210000022
为阵列天线单元的方向图函数，β为自由空间的波常数。
5.根据权利要求3所述的圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，所述根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图，包括：
分别激励向量以及方向图函数进行FFT变换，得到变换后的第一变换表达式以及第二变换表达式；
将第一变换表达式以及第二变换表达式相乘，并对相乘得到的结果进行IFFT运算，得到所述远场方向图的局部区域的方向图；
遍历k1和k2，每一次计算一圈，并存放到相应位置，最终由L圈方向图函数值组成所述远场方向图。
6.根据权利要求4所述的圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，所述按照所述目标圆环阵列天线的对应位置对所述第二远场方向图进行分解，并通过逆快速循环卷积运算反推新的激励向量，包括：
遍历k1、k2，求出每一圈N个点的方向图函数值对应的激励，并对所求得的L组激励向量求和取平均值，得到优化过后的激励向量w′n。
7.根据权利要求1所述的圆环阵列天线的方向图综合方法，其特征在于，所述几何参数包括：阵元数目、单元形式、阵元间距、中心频率、阵列半径。
8.一种圆环阵列天线的方向图综合装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取目标圆环阵列天线的几何参数以及中心频率；
第二获取模块，用于根据所述参数信息以及所述中心频率获取所述目标圆环阵列天线的第一方向图模型；
第三获取模块，用于根据所述方向图模型构造两个等长序列并进行快速循环卷积运算，并且将运算结果按照所述目标圆环阵列天线的对应位置进行存放，得到第一远场方向图；
优化模块，用于对所述第一远场方向图进行迭代优化，得到目标远场方向图。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-7任一所述方法中的步骤。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-7任一所述方法中的步骤。
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