CN113540791B - 一种孔径级收发同时阵列优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔径级收发同时阵列优化方法，包括：确定孔径级收发同时阵列的配置参数；定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离，以根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化；根据优化后的配置参数，构建孔径级收发同时阵列；对所述孔径级收发同时阵列进行收发子阵划分；对所述孔径级收发同时阵列的收发配置进行动态变换；计算每种收发配置下的有效各向同性隔离；根据各个收发配置的有效各向同性隔离，确定最优的收发子阵配置。本发明能够改善自干扰抑制性能，使收发同时数字自干扰对消进一步提升，而且能够得到每个扫描角上的最优阵列收发配置，适用于高功率、远距离、宽波束应用场景，可广泛应用于天线技术领域。

Description

一种孔径级收发同时阵列优化方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种孔径级收发同时阵列优化方法。

背景技术

随着无线通信、卫星通信、雷达技术的快速发展，人们的起居生活早已离不开对互联网、物联网和车联网的依赖。然而无线流量的爆炸式增长使得无线频率资源已接近枯竭，为应对这一难题，许多研究者们提出了收发同时技术的构想，期望在相同的介质资源中使用相同的时间和频率资源同时发送和接收电磁波，该技术能够成倍提升时间和频谱资源利用率，但也引入了强烈的自干扰问题。近年来，收发同时技术取得了一些进展。2010年美国莱斯首次通过实验的方式演示了2.4GHzWiFi信号的同时收发。实验采用天线自干扰对消(self-interference cancel lation，SIC)、射频自干扰对消和数字自干扰对消相结合的方法，在带宽为0.625MHz的范围内可以将自干扰信号抑制78dB。麻省理工学院林肯实验室设计了基于环形地面的8阵元环形发射阵列和位于发射阵列中央凸起位置的单接收天线，在2.4-2.5GHz频段实现了接收和发射天线55dB的隔离。2015年芬兰Dani Korpi等学者针对基站和移动设备的5G收发器，采用数字自干扰抵消方案分别在信号带宽为1.4MHz和20MHz的情况下，实现46dB和32dB的自干扰抑制。国内电子科技大学唐友喜教授主要研究传播域和模拟域的自干扰抑制，其研制的3发3收基站天线的自干扰抑制分别为65.5dB和89.8dB。显然，采用天线自干扰抑制或者模拟射频技术抑制自干扰的效果有限，其普遍存在自干扰抑制带宽窄、实现复杂、体积大成本高、使用场景受限等缺陷。数字相控阵不需要复杂的硬件电路和馈电网络，具有灵活可调实现简单的优点，是一种潜力巨大的收发同时技术。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种孔径级收发同时阵列优化方法，以适应高功率、远距离、宽波束覆盖的探测雷达和通信场景。

本发明的一方面提供了一种孔径级收发同时阵列优化方法，包括：

确定孔径级收发同时阵列的配置参数；

定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离，以根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化；

根据优化后的配置参数，构建孔径级收发同时阵列；

对所述孔径级收发同时阵列进行收发子阵划分；

对所述孔径级收发同时阵列的收发配置进行动态变换；

计算每种收发配置下的有效各向同性隔离；

根据各个收发配置的有效各向同性隔离，确定最优的收发子阵配置。

可选地，所述确定孔径级收发同时阵列的配置参数，包括：

确定所述孔径级收发同时阵列的分布形状参数；

确定所述孔径级收发同时阵列的阵元间距参数；

确定所述孔径级收发同时阵列的波束宽度参数。

可选地，所述孔径级收发同时阵列为8阵元均匀线阵，其中，8阵元均匀线阵的阵元采用耦合馈电的微带天线。

可选地，所述有效各向同性隔离中，发射波束的有效各向同性隔离为：

接收波束的有效各向同性隔离为：

其中，EII代表有效各向同性隔离；P_t为发射功率；G_t为发射天线增益；G_r代表接收天线增益；b_t为发射波束形成；b_r代表接收波束形成；q_r为接收天线的阵列流行；q_t为发射天线的阵列流行；φ代表球坐标系中的方位角；θ代表球坐标系中的俯仰角；H代表矩阵的共轭转置；M_bt代表接收波束形成时的系统噪声矩阵；M_br代表发射波束形成时的系统噪声矩阵。

可选地，所述根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化，包括：

采用遗传算法将所述孔径级收发同时阵列划分为发射阵列和接收阵列，以实现优化过程；

通过对所述发射阵列和所述接收阵列中每个阵元的收发状态进行二进制编码，得到二进制字符串；

其中，所述二进制字符串中的数字1代表天线发射状态，所述二进制字符串中的数字0代表天线接收状态。

可选地，所述优化过程包括参数初始化处理、个体评价处理、基因中染色体的选择处理、交叉处理以及变异处理。

可选地，所述参数初始化处理包括：

配置进化代数计数器；

配置最大进化代数；

随机生成多个个体作为初始群体，其中，所述初始群体中每个基因的染色体个数对应为阵元总个数。

可选地，所述个体评价处理包括：

根据阵列流行矢量计算所述初始群体中个体的适应度；

其中，所述阵列流行矢量的计算公式为：

q_t，r＝P_i(0)q(θ，φ)，i＝1，2，3...M

其中，q(θ，φ)代表阵列的流行向量；e^{jn(kdcosθ+α)}代表阵元的相位，α代表初始相位；k代表波数；n代表阵元位置；d代表阵元间距；q_t，r代表发射和接收字阵列的流行向量；P_i(0)代表阵列收发配置的二进制编码；θ，φ代表俯仰角和方位角；i代表遗传算法中的种群个数；θ，φ分别代表球坐标系中的俯仰角和方位角。

可选地，所述基因中染色体的选择处理，具体为：随机选择两种配置作为选择算子，将选择算子作用于所述初始群体，把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。

可选地，所述交叉处理，具体为：通过交叉概率随机对所述选择算子的后三个染色体进行两两交叉，得到新的收发配置；

所述变异处理，具体为：对所述初始群体中的个体中的某些染色体作变动，通过变异概率随机选择交叉后两种新配置中的一种，对其中一个二进制数进行变异，得到最新的收发配置。

本发明的实施例首先确定孔径级收发同时阵列的配置参数；定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离，以根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化；根据优化后的配置参数，构建孔径级收发同时阵列；对所述孔径级收发同时阵列进行收发子阵划分；对所述孔径级收发同时阵列的收发配置进行动态变换；计算每种收发配置下的有效各向同性隔离；根据各个收发配置的有效各向同性隔离，确定最优的收发子阵配置。本发明能够改善自干扰抑制性能，使收发同时数字自干扰对消进一步提升，而且能够得到每个扫描角上的最优阵列收发配置，适用于高功率、远距离、宽波束应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为8阵元均匀线阵的孔径级收发同时阵列结构示意图；

图2为孔径级收发同时数字自干扰对消架构示意图；

图3为孔径级收发同时阵列优化的步骤流程图；

图4为孔径级收发同时阵列优化的阵列收发配置搜索示意图

图5为孔径级收发同时阵列优化的有效各向同性隔离EII示意图；

图6为孔径级收发同时阵列优化的噪声功率示意图；

图7为孔径级收发同时阵列优化的不同功率下的阵列收发配置示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

首先对本发明中出现的部分名词进行名词解释：

收发隔离度(receive-transmit(R/T)isolation)是指天线双工器中发射通道功率耦合(泄露)到接收通道的功率之比。收发隔离度是功率从发射通道泄漏到接收通道的量度，等于发射通道的输入功率与泄漏到接收通道的功率之比，通常用dB表示。

为适应高功率、远距离、宽波束覆盖的探测雷达和通信场景，本发明提供了一种基于数字相控阵的孔径级收发同时阵列(Aperture-Level Simultaneous Transmit andReceive Array，ALSTAR)的优化方法，旨在将具有收发同时(Simultaneous Transmit andReceive，STAR)功能的相控阵进行发射子阵与接收子阵的孔径划分。阵列中的每个阵元采用数字发射器和接收器，可动态调节阵元的收发状态，进而动态修改发射和接收子阵列的大小和几何形状，提高有效全向各项同性EII，使得孔径级数字相控阵能够实现发射和接收同时进行，降低系统的时间资源、频谱资源的开销，同时灵活的算法调配使得整个系统支持通信、雷达各种模式和应用场景。因此，对收发同时阵列进行收发子阵的大小和配置的优化具有重大的理论和工程价值。

本发明的一种孔径级收发同时阵列优化方法，包括：

确定孔径级收发同时阵列的配置参数；

定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离，以根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化；

根据优化后的配置参数，构建孔径级收发同时阵列；

对所述孔径级收发同时阵列进行收发子阵划分；

对所述孔径级收发同时阵列的收发配置进行动态变换；

计算每种收发配置下的有效各向同性隔离；

根据各个收发配置的有效各向同性隔离，确定最优的收发子阵配置。

具体地，本发明实施例为实现上述目的，包括如下步骤：

1)确定孔径级收发同时阵列的分布形状、阵元间距、波束宽度。

2)定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离(effective isotropicisolation，EII)。在定向系统中，由于收发天线在各个方向的辐射特性存在差异，导致在各个方向上的隔离度也不相同。为准确描述这一现象，引入了EII的概念。EII表示各向同性STAR天线在发射和接收信号之间各个方向上的有效隔离度，在数字值上与系统所需的自干扰对消(self-interference cancellation，SIC)值相同。以EII为优化目标，对阵列天线的收发字阵列配置进行优化。

3)采用二进制编码技术对阵列进行收发子阵划分，结合遗传算法对阵列的收发配置进行动态变换，计算每种收发配置下的EII，通过最大EII得到最优的收发子阵配置，并且得出每个扫描角上的最优收发配置。

步骤3)中，所述阵列收发配置优化中，采用遗传算法对将阵列划分为发射和接收进行优化，通过对每个阵元的收发状态进行二进制编码，其中二进制字符串中的每个数字(1/0)都对应于阵列中的天线收发状态(发射/接收)。所有参数的值均由二进制代码表示。每个编码的参数并排放置形成一个基因，每个基因对应一种收发配置，用于更新阵列流行q_t,q_r。

可选地，所述确定孔径级收发同时阵列的配置参数，包括：

确定所述孔径级收发同时阵列的分布形状参数；

确定所述孔径级收发同时阵列的阵元间距参数；

确定所述孔径级收发同时阵列的波束宽度参数。

可选地，所述孔径级收发同时阵列为8阵元均匀线阵，其中，8阵元均匀线阵的阵元采用耦合馈电的微带天线。

本发明实施例的孔径级收发同时阵列为8阵元均匀线阵，阵元采用耦合馈电的线极化微带天线，具有宽带高增益特性。

可选地，所述有效各向同性隔离中，发射波束的有效各向同性隔离为：

接收波束的有效各向同性隔离为：

其中，EII代表有效各向同性隔离；P_t为发射功率；G_t为发射天线增益；G_r代表接收天线增益；b_t为发射波束形成；b_r代表接收波束形成；q_r为接收天线的阵列流行；q_t为发射天线的阵列流行；φ代表球坐标系中的方位角；θ代表球坐标系中的俯仰角；H代表矩阵的共轭转置；M_bt代表接收波束形成时的系统噪声矩阵；M_br代表发射波束形成时的系统噪声矩阵。

具体地，本发明实施例的孔径级数字对消架构通过引入观测通道对有噪声和失真的发射信号进行数字观测来实现SIC，从而消除自干扰信号的信号、噪声和失真分量，架构如附图2所示，x为发送信号，b_t为发送波束成形器，n_t为发送端噪声，t为发送信号和噪声，n_o为观测信道噪声，H_o为观测信道，o为观测信道发送信号，b_c为自适应滤波器，M为互耦合信道，s为感兴趣信号，n_r为接收端噪声，r为接收信号，b_r为接收波束成形器，y为接收信号，y′为接收干扰抵消后信号。该架构采用有效各项同性隔离EII定义发射/接收隔离，所述EII即有效各向同性辐射功率(EIRP)与有效各向同性灵敏度(EIS)之比。

公式中P_t为发射功率，G_t，G_r分别为发射天线增益和接收天线增益，b_t，b_r分别为发射波束形成和接收波束形成，q_t，q_r分别为收发天线的阵列流行。所述EII不仅与发送和接收波束成形矢量相关，而且与发射和接收阵列的流行矢量有关，因此要使得EII尽可能的达到最大，可通过优化发射、接收波束形成矢量和发射、接收阵列流行矢量。

进一步地，所述阵列收发配置优化中，考虑发射接收阵列流行矢量，即阵列天线的收发配置情况对EII的影响。优化问题可以建模成：

s.t. ||b_t||²＝P_t，

||b_r||²＝1.

将EII作为阵列优化的优化目标，||b_t||²＝P_t，||b_t||²＝1作为约束条件。

可选地，所述根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化，包括：

采用遗传算法将所述孔径级收发同时阵列划分为发射阵列和接收阵列，以实现优化过程；

通过对所述发射阵列和所述接收阵列中每个阵元的收发状态进行二进制编码，得到二进制字符串；

其中，所述二进制字符串中的数字1代表天线发射状态，所述二进制字符串中的数字0代表天线接收状态。

可选地，所述优化过程包括参数初始化处理、个体评价处理、基因中染色体的选择处理、交叉处理以及变异处理。

可选地，所述参数初始化处理包括：

配置进化代数计数器；

配置最大进化代数；

随机生成多个个体作为初始群体，其中，所述初始群体中每个基因的染色体个数对应为阵元总个数。

可选地，所述个体评价处理包括：

根据阵列流行矢量计算所述初始群体中个体的适应度；

其中，所述阵列流行矢量的计算公式为：

q_t，r＝P_i(0)q(θ，φ)，i＝1，2，3...M

其中，q(θ，φ)代表阵列的流行向量；e^{jn(kdcosθ+α)}代表阵元的相位，α代表初始相位；k代表波数；n代表阵元位置；d代表阵元间距；q_t，r代表发射和接收字阵列的流行向量；P_i(0)代表阵列收发配置的二进制编码；θ，φ代表俯仰角和方位角；i代表遗传算法中的种群个数；θ，φ分别代表球坐标系中的俯仰角和方位角。

可选地，所述基因中染色体的选择处理，具体为：随机选择两种配置作为选择算子，将选择算子作用于所述初始群体，把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。

可选地，所述交叉处理，具体为：通过交叉概率随机对所述选择算子的后三个染色体进行两两交叉，得到新的收发配置；

所述变异处理，具体为：对所述初始群体中的个体中的某些染色体作变动，通过变异概率随机选择交叉后两种新配置中的一种，对其中一个二进制数进行变异，得到最新的收发配置。

进一步地，所述遗传算法具有检查参数组合数量的性能。8阵元均匀线阵，其收发配置有2⁸-2种情况，这里不考虑阵元表示全发射或者全接收的情况。采用遗传算法可随机遍历收发配置情况。

进一步地，所述遗传算法优化阵列配置中，涉及到参数初始化、个体评价、基因中染色体的选择、交叉、变异等步骤。

进一步地，所述参数初始化，具体为：设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数T，随机生成M个个体作为初始群体P(0)，群体中每个基因的染色体个数对应为阵元总个数。

进一步地，所述个体评价，具体为：根据阵列流行矢量qt、qr，计算群体P(t)中个体的适应度EII。均匀线阵的阵列流行矢量计算公式为：

q_t，r＝P_i(0)q(θ，φ)，i＝1，2，3...M

其中，公式中单元电流幅值I_n为理想的，P_i(0)表示当前迭代次数中M种阵列收发配置的情况。适应度函数定义为当前阵列收发配置对应的EII与EII理论最大值的差值，其表达式为：

进一步地，所述选择操作将选择算子作用于群体，把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代，具体为：随机选择两种配置作为选择算子。

进一步地，所述交叉操作将交叉算子作用于群体。所述遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。通过交叉概率随机对所述选择算子的后三个染色体进行两两交叉，得到新的收发配置。

进一步地，所述变异操作将变异算子作用于群体。具体是：对群体中的个体中的某些染色体作变动。通过变异概率随机选择交叉后两种新配置中的一种，对其中一个二进制数进行变异，得到最新的收发配置。

进一步地，所述群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t+1)，计算群体P(t+1)的EII，得出所述最优阵列收发配置。

下面结合说明书附图，对本发明的具体实现原理进行详细说明：

本发明提出了一种孔径级收发同时阵列优化方法，首先确定阵元排布形状、阵元间距、波束宽度。然后以孔径级收发同时数字自干扰对消架构中有效各向同性隔离(effective isotropic isolation，EII)为优化目标，采用遗传算法和二进制编码技术将阵列划分为发射和接收字阵列，并进行收发配置优化，计算每种收发配置下的EII，求得最大的EII，从而得出最优的收发子阵配置，并且得出每个扫描角上的最优收发配置。

天线阵列为8阵元均匀线阵，孔径级数字对消架构中的EII可表示为：

式中的

为广义瑞利熵，为了使得实际的EII最大，一方面是合理配置发射和接收波束形成矢量，另一方面可以优化收发阵列配置。

EII不仅与发送和接收波束成形矢量相关，而且与发射和接收阵列的流行矢量有关，因此要使得EII尽可能的达到最大，可通过优化发射、接收波束形成矢量和发射接收阵列流行矢量。这里考虑发射接收阵列流行矢量，即阵列天线的收发配置情况对EII的影响。阵列的划分会改变传播矩阵H和耦合矩阵M中的数值，从而会改变br和bt的结构，并且不同扫描角上的EII也会受到阵列收发配置的影响，因此可以通过优化阵列收发配置，得出最大EII的阵列收发配置，进一步得出每个扫描角上的最优收发配置。

采用遗传算法对将阵列划分为发射和接收进行优化，通过对每个阵元的收发状态进行二进制编码，其中二进制字符串中的每个数字(1/0)都对应于阵列中的天线收发状态(发射/接收)。所有参数的值均由二进制代码表示。每个编码的参数并排放置形成一个基因，也就是一个长二进制字符串，每个基因对应一种收发配置，可计算该收发配置下孔径级数字对消的EII。遗传算法具有检查参数组合数量的性能。采用8阵元均匀线阵，其收发配置有2⁸-2种情况，这里不考虑阵元表示全发射或者全接收的情况。采用遗传算法可随机遍历收发配置中的可能，再结合该算法的迭代寻优性能得出最大EII。

孔径级收发同时阵列优化的步骤流程如附图3所示，其具体过程如下：

(1)初始化：设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数T，随机生成M个个体作为初始群体P(0)，群体中每个基因的染色体个数对应为阵元总个数。

(2)个体评价：计算群体P(t)中各个个体的适应度EII。这里涉及到qt、qr的计算，根据阵列信号理论，阵列流行矢量计算公式为：

再由下述公式得出不同收发配置下的qt、qr，用于EII的计算。并且找出EII最大值。

q_t，r＝P_i(0)q(θ，φ)，i＝1，2，3...M

(3)选择：将选择算子作用于群体。选择的目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。如附图3示例所示，阵元数为8，随机选择配置1(11010101)，配置2(10011011)作为选择算子。

(4)交叉：将交叉算子作用于群体。遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。如附图3示例所示，通过交叉概率0.6随机对选择算子的后三个染色体进行两两交叉，得到新的收发配置(11010011，10011101)。

(5)变异：将变异算子作用于群体。即是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。如附图3示例所示，通过变异概率0.4随机选择交叉后两种新配置中的一种(10011101)，对其中一个二进制数进行变异，得到最新的收发配置(10010101)。群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t+1)。重复第(2)步的计算操作。

(6)终止条件判断：若t＝T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体(EII的最大值)作为最优解输出，并且得出最优阵列分区，终止计算。

根据本发明中的算法对8阵元均匀线阵进行孔径级收发同时阵列优化，该天线阵列的阵元间距为0.5λ，λ表示波长，每个阵元均等幅激励，阵元分布如图1所示，图1所示为本算法采用孔径级相控线阵，天线单元沿着水平方向等间距排列，形成均匀线阵。利用遗传算法优化该阵列的收发配置情况，从而使得孔径级数字相控阵列的EII最大达到最佳。

以孔径级收发同时数字自干扰对消架构中有效各向全向隔离EII最大为约束条件，孔径级收发同时数字自干扰对消架构如图2所示，图2为孔径级收发同时数字自干扰对消架构示意图，该架构在发射波束形成之后引出参考信号，通过观测信道的自适应滤波器在接收波束形成之后进行对消。与传统的数字对消架构相比，这种架构的特点是利用一般接收机的动态范围远大于发射机动态范围这一特点，通过引入观测信道抵消掉发射噪声，进一步提高系统的隔离度。

图3为遗传算法优化孔径级收发同时阵列收发配置的算法流程图，首先设置遗传算法的参数，包括种群大小，种群维度，交叉概率，遗传概率以及最大迭代次数。利用二进制对阵列的收发状态进行编码，1代表发射阵元，0代表接收阵元。根据孔径级收发同时阵列的EII数学模型，计算初始的EII以及获取相应的收发配置，通过遗传算法进行迭代，最终获得EII达到最大值时的阵列收发配置信息。利用该算法可以保证在各个角度上获取的EII都是最大的，提高了相控阵的有效隔离性能。

图4所示为孔径级收发同时阵列优化的阵列收发配置搜索过程示意图，当代种群按照一定的变异概率和交叉概率进行更新个体，以增加中种群的多样性，提高算法的全局收敛能力。

采用遗传算法和二进制编码技术将阵列划分为发射和接收并进行收发配置优化，图3和图4给出了不同发射功率下阵元收发配置优化的EII和噪声功率曲线，图3是优化得到波束宽度在[-90,90]之间的最大的EII，图5是θ＝0°时，不同发射功率下优化得到的8阵元收发配置示意图，图5为孔径级收发同时阵列优化的有效各向同性隔离EII，它描述了当发射功率从2.5W变化到2500W时，系统的EII随之变化的情况，可以看出，发射功率越大，EII随之增大，当发射功率为2500W，在俯仰角为零时EII达到最大的158dB。

另外，图6为孔径级收发同时阵列优化的噪声功率仿真结果图，它描述了当发射功率从2.5W变化到2500W时，系统的噪声的变化情况，可以看出，发射功率越大，系统噪声随之抬升，但在俯仰角为零时，最大噪声仅为-88.5dB,只比底噪高2.5dB,使得孔径级收发同时系统具有良好的接收性能。图7为孔径级收发同时阵列优化的不同功率下的阵列收发配置示意图。可以看出，在不同发射功率的条件下，系统EII最大时对应的阵列收发配置是不相同的，但发射阵元和接收阵元均是4个。因此，相比于传统的阵列配置(左边为4个连续的发射阵元，右边为4个连续的接收阵元)所采用的遗传算法优化得到的阵列配置具有更高的系统EII。

综上所述，本发明通过孔径级收发同时数字对消架构中的EII作为为优化目标，结合遗传算法以及二进制编码技术对阵列收发字阵列配置进行优化，进而得到最优的收发配置，能够改善自干扰抑制性能，使收发同时数字自干扰对消进一步提升，而且能够得到每个扫描角上的最优阵列收发配置，适用于高功率、远距离、宽波束应用场景

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种孔径级收发同时阵列优化方法，其特征在于，包括：

确定孔径级收发同时阵列的配置参数；

定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离，以根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化；

根据优化后的配置参数，构建孔径级收发同时阵列；

对所述孔径级收发同时阵列进行收发子阵划分；

对所述孔径级收发同时阵列的收发配置进行动态变换；

计算每种收发配置下的有效各向同性隔离；

根据各个收发配置的有效各向同性隔离，确定最优的收发子阵配置；

其中，有效各向同性隔离用于表征各向同性STAR天线在发射和接收信号之间各个方向上的有效隔离度；

所述确定孔径级收发同时阵列的配置参数，包括：

确定所述孔径级收发同时阵列的分布形状参数；

确定所述孔径级收发同时阵列的阵元间距参数；

确定所述孔径级收发同时阵列的波束宽度参数；

所述根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化，包括：

采用遗传算法将所述孔径级收发同时阵列划分为发射阵列和接收阵列，以实现优化过程；

通过对所述发射阵列和所述接收阵列中每个阵元的收发状态进行二进制编码，得到二进制字符串；

其中，所述二进制字符串中的数字1代表天线发射状态，所述二进制字符串中的数字0代表天线接收状态；

所述优化过程包括参数初始化处理；所述参数初始化处理包括：

配置进化代数计数器；

配置最大进化代数；

随机生成多个个体作为初始群体，其中，所述初始群体中每个基因的染色体个数对应为阵元总个数；

所述优化过程包括个体评价处理，所述个体评价处理包括：

根据阵列流行矢量计算所述初始群体中个体的适应度；

其中，所述阵列流行矢量的计算公式为：

q_t,r＝P_i(0)q(θ,φ),i＝1,23…M

其中，q(θ,φ)代表阵列的流行向量；e^{jn(kdcosθ+α)}代表阵元的相位，α代表初始相位；k代表波数；n代表阵元位置；d代表阵元间距；q_t,r代表发射和接收字阵列的流行向量；P_i(0)代表阵列收发配置的二进制编码；i代表遗传算法中的种群个数；θ,φ分别代表球坐标系中的俯仰角和方位角。

2.根据权利要求1所述的一种孔径级收发同时阵列优化方法，其特征在于，所述孔径级收发同时阵列为8阵元均匀线阵，其中，8阵元均匀线阵的阵元采用耦合馈电的微带天线。

3.根据权利要求1所述的一种孔径级收发同时阵列优化方法，其特征在于，所述有效各向同性隔离中，发射波束的有效各向同性隔离为：

接收波束的有效各向同性隔离为：

其中，EII代表有效各向同性隔离；P_t为发射功率；G_t为发射天线增益；G_r代表接收天线增益；b_t为发射波束形成；b_r代表接收波束形成；q_r为接收天线的阵列流行；q_t为发射天线的阵列流行；φ代表球坐标系中的方位角；θ代表球坐标系中的俯仰角；H代表矩阵的共轭转置；M_bt代表接收波束形成时的系统噪声矩阵；M_br代表发射波束形成时的系统噪声矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种孔径级收发同时阵列优化方法，其特征在于，

所述优化过程还包括个体评价处理、基因中染色体的选择处理、交叉处理以及变异处理。

5.根据权利要求4所述的一种孔径级收发同时阵列优化方法，其特征在于，所述基因中染色体的选择处理，具体为：随机选择两种配置作为选择算子，将选择算子作用于所述初始群体，把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。

6.根据权利要求5所述的一种孔径级收发同时阵列优化方法，其特征在于，

所述交叉处理，具体为：通过交叉概率随机对所述选择算子的后三个染色体进行两两交叉，得到新的收发配置；

所述变异处理，具体为：对所述初始群体中的个体中的某些染色体作变动，通过变异概率随机选择交叉后两种新配置中的一种，对其中一个二进制数进行变异，得到最新的收发配置。

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