CN116702514B - 基于近电场优化的天线阵列优化方法、装置、介质和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于近电场优化的天线阵列优化方法、装置、介质和设备。天线阵列优化方法通过预先得到的天线单元的电场强度分布数据和天线单元相位对天线阵列计算各个天线单元叠加后的电场强度分布数据，然后计算焦斑直径，然后将然后电场强度分布数据和焦斑直径判断其是否满足优化条件，当不满足条件时，通过调节天线单元的相位进行优化后迭代直到电场强度分布数据和焦斑直径满足优化条件。在天线单元相位优化调整后电场强度分布数据和焦斑直径总是不满足优化条件时优化天线阵列的天线单元数量。
Description
技术领域
本发明涉及天线阵列技术。
背景技术
在EMC、电磁检测、对抗干扰等领域，通常需要场强生成系统在较近的测试距离上形成一个最大峰值电场不小于某数值，边缘场强降低小于3dB的区域最小半径不不小于某数值的焦斑。这两个数值通常在较大的量级，单个天线无法完成这种场景要求的发射任务。为此，将多个单体的天线单元排列成天线阵列可以解决上述问题。显而易见地，天线阵列配置越多的单体天线，天线辐射的强度也越大，焦斑直径也越大。但为天线阵列配置越多的单体天线也带来了成本增加的问题。
另一方面，在限定天线阵列的布置下，改变各个天线单元之间的相位可以有效改变天线阵列的场强分布，进而可以通过优化各个天线单元之间的相位配置，在较小数量的天线单元配置的条件下可以获得满足测试条件的测试需求。于是就有了如何为天线阵列配置天线单元相位的问题。
发明内容
本发明所要解决的问题：为天线阵列优化相位配置，以使得天线阵列具有满足尺寸大小的焦斑，且具有满足条件的电场场强峰值。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1：以随机方式生成若干个阵列相位矩阵组成初始的阵列相位矩阵集；所述阵列相位矩阵集是阵列相位矩阵的集合；所述阵列相位矩阵包括天线阵列各个天线单元的相位信息；
步骤S2：依据阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵的天线阵列各个天线单元的相位信息，计算阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵所对应的天线阵列近场距离为R的电场强度分布数据，然后根据电场强度分布数据计算阵列相位矩阵所对应的焦斑直径；
步骤S3：通过阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值与预先设定的阈值的比较判断阵列相位矩阵是否满足优化要求；若存在阵列相位矩阵满足优化要求，则输出该阵列相位矩阵；
步骤S4：将阵列相位矩阵集中的阵列相位矩阵依据概率随机分成三个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组、第二阵列相位矩阵组、第三阵列相位矩阵组，然后对三个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第三阵列相位矩阵组，依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序，将最接近满足优化要求的若干个阵列相位矩阵加入至新的阵列相位矩阵集中；
步骤S5：以新的阵列相位矩阵集作为迭代输入重复执行步骤S2至S4，直到迭代次数超过预先设定的限值。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化方法，所述步骤S2中，电场强度通过如下公式计算得到：
；
其中，表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下，天线阵列在坐标为/>处的电场强度；/>表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下的坐标点/>转换成以第n个天线单元为中心的球面坐标系下的坐标；/>为天线单元在角度为/>时的电场分布，通过在天线单元的电场场强分布数据中匹配角度匹配得到；/>为第n个天线单元的相位；k为波数；K为天线电场增益；所述天线单元的电场场强分布数据为预先配置。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化方法，步骤S4替换为：
依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序, 将最不满足优化要求的若干个阵列相位矩阵删除后，对剩余的阵列相位矩阵随机分成两个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组和第二阵列相位矩阵组，然后对两个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化方法，该方法还包括如下步骤：
步骤S6：若迭代次数超过预先设定的限值，则选择焦斑直径和电场强度分布数据峰值最优的阵列相位矩阵作为输出。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化方法，该方法在输出阵列相位矩阵后，若电场强度分布数据峰值和焦斑直径超过设计要求过多，则减少天线阵列中的天线单元后再执行步骤S1至S5。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化方法，若迭代次数超过预先设定的限值，则增加天线阵列中的天线单元后再执行步骤S1至S5。
根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化装置，该装置包括如下模块：
模块M1，用于：以随机方式生成若干个阵列相位矩阵组成初始的阵列相位矩阵集；所述阵列相位矩阵集是阵列相位矩阵的集合；所述阵列相位矩阵包括天线阵列各个天线单元的相位信息；
模块M 2，用于：依据阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵的天线阵列各个天线单元的相位信息，计算阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵所对应的天线阵列近场距离为R的电场强度分布数据，然后根据电场强度分布数据计算阵列相位矩阵所对应的焦斑直径；
模块M 3，用于：通过阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值与预先设定的阈值的比较判断阵列相位矩阵是否满足优化要求；若存在阵列相位矩阵满足优化要求，则输出该阵列相位矩阵；
模块M 4，用于：依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序, 将最不满足优化要求的若干个阵列相位矩阵删除后，对剩余的阵列相位矩阵随机分成两个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组和第二阵列相位矩阵组，然后对两个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；
模块M 5，用于：以新的阵列相位矩阵集作为迭代输入重复调用模块M2至M4，直到迭代次数超过预先设定的限值。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化装置，所述模块M2中，电场强度通过如下公式计算得到：
；
其中，表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下，天线阵列在坐标为/>处的电场强度；/>表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下的坐标点/>转换成以第n个天线单元为中心的球面坐标系下的坐标；/>为天线单元在角度为/>时的电场分布，通过在天线单元的电场场强分布数据中匹配角度匹配得到；/>为第n个天线单元的相位；k为波数；K为天线电场增益；所述天线单元的电场场强分布数据为预先配置。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化装置，模块M4替换为：
将阵列相位矩阵集中的阵列相位矩阵依据概率随机分成三个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组、第二阵列相位矩阵组、第三阵列相位矩阵组，然后对三个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第三阵列相位矩阵组，依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序，将最接近满足优化要求的若干个阵列相位矩阵加入至新的阵列相位矩阵集中。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化装置，该装置还包括如下模块：
模块M6，用于：若迭代次数超过预先设定的限值，则选择焦斑直径和电场强度分布数据峰值最优的阵列相位矩阵作为输出。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化装置，该装置还包括如下模块，该模块用于在输出阵列相位矩阵后，若电场强度分布数据峰值和焦斑直径超过设计要求过多，则减少天线阵列中的天线单元后再调用模块M1至M5。
进一步，根据本发明的基于近电场优化的天线阵列优化装置，该装置还包括如下模块，该模块用于若迭代次数超过预先设定的限值，则增加天线阵列中的天线单元后再调用模块M1至M5。
根据本发明的一种介质，该介质内存储有可以被机器读取的程序指令集，当该介质所存储的程序指令集被机器读取后执行时，该机器能够实现上述的基于近电场优化的天线阵列优化方法。
根据本发明的一种设备，该设备包括有相连的处理器和存储器；所述存储器内存储有程序指令集；当所述存储器内所存储的程序指令集被处理器读取后执行时，该设备能够上述的基于近电场优化的天线阵列优化方法。
根据本发明的一种系统，该系统包括天线阵列和控制器；所述天线阵列连接控制器；所述控制器被配置用于接收上述的基于近电场优化的天线阵列优化方法计算得到的所述天线阵列优化后的各天线单元的相位，并依据所接收的各天线单元的相位为所述天线阵列的每个天线单元配置对应的相位，使得所述天线阵列发送信号时各个天线单元能够按照配置的相位发送信号。
进一步，根据本发明的系统，该系统还包括计算设备；所述计算设备用于根据所述天线阵列的天线单元配置通过上述的基于近电场优化的天线阵列优化方法计算出所述天线阵列优化后的各天线单元的相位输出。
本发明的技术效果如下：本发明通过模拟计算为天线阵列各天线单元配置相位，使其能够在近电场产生足够大尺寸焦斑和满足要求的电场峰值满足测试要求。
附图说明
图1是本发明实施例天线单元相位优化的流程示例图。
图2是本发明实施例天线阵列整体进行自动化配置的流程示意图。
图3是本发明一种能够进行天线阵列自动化配置的机器的示例。
图4是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例一
本实施例涉及一种设备，具体来说是一种电子设备，参照图3，至少包括相连的处理器100和存储器200。其中处理器100通常为通用计算机处理器，能够执行计算机程序指令，存储器200通常是一种可断电后存储不丢失的介质，包括但不限于磁盘、磁带、闪存等。该介质也就是本发明前述所指的介质。存储器200通常用来存储计算机程序指令集和数据。处理器100通过加载存储器200所存储的程序指令集实现其相应的自动化功能。具体到本实施例中，处理器100通过加载执行存储器200所存储的程序指令集实现本发明所指的基于近电场优化的天线阵列优化方法。
天线阵列的优化包括两个方面：第一个方面是天线阵列中天线单元配置的优化，第二个方面是天线阵列中天线单元相位的优化。天线单元配置的优化涉及天线单元本体的优化，天线阵列所配置天线单元数量的优化，天线阵列中天线单元之间间距等参数以及排列方式的优化。具体到本实施例中，天线单元本体本身是某种已经确定了的双极化天线。天线单元的间距配置也是固定了的，天线单元的排列方式也是按照行列式排列固定了的。故此，参照图2，本实施例涉及了两个方面的优化，即：天线阵列所配置的天线单元数量的优化以及天线单元相位配置的优化，其具体过程参照图2示例，包括天线阵列的初始配置步骤、阵列天线单元相位优化步骤、天线阵列数量优化步骤。
天线阵列的初始配置步骤，即为图2示例中的步骤S100，用于根据预先设定的天线排列方式、排列间距构建一个指定数量天线单元所组成的天线阵列。
阵列天线单元相位优化步骤，即为图2示例中的步骤S200，用于指定天线单元配置的天线阵列，为该天线阵列的每个天线单元配置优化了的相位。
天线阵列数量优化步骤，包括图2示例中的步骤S300、S301、S400和S401。即若电场峰值和焦斑直径过大，则减少天线单元，若电场峰值和焦斑直径过小，则增加天线单元。若电场峰值和焦斑恰到好处，则通过步骤S500输出最终的优化的天线阵列，即为天线单元数量优化后的天线阵列以及该天线阵列优化的相位配置。
阵列天线单元相位优化步骤，参照图1，包括阵列相位矩阵集的初始化步骤、场强分布和焦斑计算步骤、优化条件满足判断步骤和阵列相位矩阵优化步骤，分别对应图1示例所指步骤S1、S2、S3和S4。其中，步骤S2、S3和S4是一个循环迭代的步骤。一般性地，为避免循环迭代过程陷入死循环，通常可以通过循环计次结束循环过程，步骤S5中迭代次数是否超过限值即为此。其中迭代次数即为循环计次。
众所周知，天线单元的场强分布与天线单元自身的设计特性相关。故此，本发明的输入是天线单元的电场场强分布数据。依据一般球面波复指数的波函数，电场场强可以表示为：
；取其振幅部分可以得到球面坐标系下坐标点/>的电场场强为：/>。其中，n表示天线阵列中的第n个天线单元；/>是以第n个天线单元中心为球面中心的球面坐标系坐标；/>表示为第n天线单元的相位；k为波数，/>，π为圆周率，λ为波长；/>对应第n个天线单元在角度为/>中的电场场强分布。具体到本实施例中，/>；其中，K为天线电场增益；/>为天线单元在角度为/>时的电场场强分布，通过在天线单元的电场场强分布数据中匹配角度/>得到。由此，第n个天线单元的电场场强可以表示为：。
这里的天线单元的电场场强分布数据即为本发明的输入，预先配置。或者也可以说，本发明通过配置的方式实现本发明的输入。该配置的天线单元的电场场强分布数据通常以文件方式呈现。天线单元的电场场强分布数据可以通过对实际的天线单元实际测试获得，也可以通过电磁仿真获得。具体如何电磁仿真以及如何测试不是本发明所讨论的范畴，无需赘述。
阵列相位矩阵集的初始化步骤，也就是前述步骤S1，以随机方式生成若干个阵列相位矩阵组成初始的阵列相位矩阵集。其中，阵列相位矩阵集是阵列相位矩阵的集合。阵列相位矩阵包括天线阵列各个天线单元的相位信息，可以表示为。其中表示天线阵列中第n个天线单元的相位，N为天线阵列中天线单元的数量。本步骤中，随机生成。阵列相位矩阵集中阵列相位矩阵的个数预先配置，比如配置100或200等等。
场强分布和焦斑计算步骤，也就是前述步骤S2，依据阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵的天线阵列各个天线单元的相位信息，计算阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵所对应的天线阵列近场距离为R的电场强度分布数据，然后根据电场强度分布数据计算阵列相位矩阵所对应的焦斑直径。其中，天线阵列的电场强度可以依据以下公式计算：
；
上述公式中，表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下，天线阵列在坐标为/>处的电场强度。
此外，需要指出的是，是以天线阵列中心为中心的球面坐标系下的坐标，而/>是以第n个天线单元中心为中心的球面坐标系下的坐标。故此在依据上述公式进行计算时，需要将以天线阵列中心为中心的球面坐标系下的坐标/>转换成以第n个天线单元中心为中心的球面坐标系下的坐标/>。由于第n个天线单元的位置在天线阵列中可确定，故此，该坐标系的转换对本领域技术人员而言并不复杂，无需赘述。在限定天线阵列近场距离为R的前提下，依据公式计算得到电场强度的/>，也即电场强度分布数据，是一个关于角度/>的电场强度分布图。依据该电场强度分布图，和球面半径R可以计算出电场的焦斑直径。这里的焦斑定义为电场强度不小于峰值3dB的区域。焦斑直径则为该区域的直径大小。
需要指出的是，根据上述公式计算得到的是电场强度分布数据是球面电场强度分布数据，本领域技术人员理解，球面电场强度分布数据也可以替换成平面电场强度分布数据。比如在另一可选的实施方式中，计算得到的电场强度分布数据为与天线阵列法向距离为R的平面电场强度分布数据。依据上述球面电场强度的计算公式推导至与天线阵列法向距离为R的平面电场强度计算公式对本领域技术人员来说并不困难，本说明书不再赘述。
优化条件满足判断步骤，即为前述步骤S3，通过阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值与预先设定的阈值的比较判断阵列相位矩阵是否满足优化要求；若存在阵列相位矩阵满足优化要求，则输出该阵列相位矩阵。本实施例所涉及的天线阵列用于在EMC、电磁检测、对抗干扰等测试领域中作为信号源，基于测试要求，所要求的天线阵列所辐射的信号强度足够大，且焦斑尺寸足够大。因此本实施例判断阵列相位矩阵是否满足优化要求为焦斑直径大于第一阈值，电场强度峰值大于第二阈值。其中第一阈值和第二阈值根据测试要求而预先配置。
在另一可选的实施方式下，对焦斑直径和电场强度分布数据峰值可能存在其他的要求，此时所谓“满足优化要求”则需要根据其具体要求设定。
此外，本领域技术人员理解，步骤S2和步骤S3也可以同步进行。比如在某一实施方式下采用如下步骤：
对阵列相位矩阵集中的阵列相位矩阵进行逐一遍历，对所遍历到的阵列相位矩阵计算其对应的电场强度分布数据和焦斑直径，然后依据计算得到的电场强度分布数据和焦斑直径判断该所遍历到的阵列相位矩阵是否满足优化要求，若不满足要求，则继续遍历下一个阵列相位矩阵；
在另一实施方式下，通过步骤S2对对阵列相位矩阵集中每个阵列相位矩阵计算其对应的电场强度分布数据和焦斑直径，从形成关于电场强度分布数据和焦斑直径的集合。然后再通过步骤S3判断关于电场强度分布数据和焦斑直径的集合中是否存在有对应的阵列相位矩阵满足优化要求。
优化条件满足判断步骤中，若电场强度分布数据和焦斑直径满足优化要求，则结束迭代循环过程输出该阵列相位矩阵及其对应的电场强度分布数据和焦斑直径，最后通过图2中的步骤S300、S400和S500最终输出天线阵列的天线单元配置和各天线单元的相位。该输出也即为本发明输出。
阵列相位矩阵优化步骤，也即为前述的步骤S4，将阵列相位矩阵集中的阵列相位矩阵依据概率随机分成三个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组、第二阵列相位矩阵组、第三阵列相位矩阵组，然后对三个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；对于第三阵列相位矩阵组，依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序，将最接近满足优化要求的若干个阵列相位矩阵加入至新的阵列相位矩阵集中。
本发明的阵列天线单元相位优化步骤可以类比遗传算法。其中，阵列相位矩阵集表示种群，阵列相位矩阵表示个体，各个天线单元的相位信息表示该个体的基因。前述步骤S1相当于遗传算法中的种群初始化步骤；步骤S2相当于遗传算法中的适应度计算步骤；步骤S3相当于遗传算法中的终止条件判断步骤；步骤S4相当于遗传算法中的基因遗传操作。步骤S4中，对第一阵列相位矩阵组所执行的操作相当于基因的变异运算；对第二阵列相位矩阵组所执行的操作相当于基因的交叉运算；对第三阵列相位矩阵组所执行的操作相当于基因的选择运算。步骤S4执行完成后，新的阵列相位矩阵集中阵列相位矩阵数量可以保持不变，也可以减少，也可以增加。
上述实施方式中，步骤S4执行基因遗传操作时，变异运算、交叉运算和选择运算同步进行。为了提高遗传算法效率，加速遗传操作的收敛过程，在另一优选的实施方式中，可以首先执行选择运算，然后对选择后的基因再执行变异运算和交叉运算。该优选的实施方式具体到本实施例中具体为：
依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序, 将最不满足优化要求的若干个阵列相位矩阵删除后，对剩余的阵列相位矩阵随机分成两个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组和第二阵列相位矩阵组，然后对两个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中。
步骤S5中，迭代次数超过限值时通常意味着，在现有的天线单元数量配置之下可能永远无法得到满足优化条件的阵列相位矩阵。此时输出输出最优的阵列相位矩阵及其对应的电场强度分布数据和焦斑直径，根据该输出的电场强度分布数据和焦斑直径，通过图2所示例的步骤S400和步骤S401增加天线阵列中的天线单元数量后再次对阵列天线单元相位优化。
由步骤S5的输出和步骤S3的输出可以看出本实施例的阵列天线单元相位优化步骤中的循环迭代过程存在两个结束的出口。第一个是找到满足优化要求后步骤S3输出其阵列相位矩阵及其对应的电场强度分布数据和焦斑直径时结束循环迭代过程；第二个是当迭代次数超过预先设定限值时结束循环迭代过程。
此外，本发明阵列天线单元相位优化步骤的实质是遗传算法的一个具体实现。现有技术还存在诸多基于遗传算法的优化算法。本领域技术人员理解，这些基于遗传算法的优化算法也可以用于本发明阵列天线单元相位优化步骤中。比如在另一实施方式下，将退火算法融入步骤S4的变异过程，使得算法整体具有更好的收敛效果。
此外，需要指出的是，本实施例从天线阵列的天线单元数量和相位考虑近电场的优化。本领域技术人员理解，在另一实施方式下，若天线阵列被固定，相应的天线单元数量也被固定不可更改，此时仅需要考虑天线阵列各天线单元相位的优化即可。在此种情形下，前述步骤S3中，除了需要找出满足优化要求的阵列相位矩阵之外，通常需要在阵列相位矩阵集之中的各个阵列相位矩阵中找出最优的阵列相位矩阵。在本实施例前述满足优化要求的限定下，找出最优的阵列相位矩阵也就是找出焦斑直径最大的以及电场强度分布数据峰值最高的座位最优的阵列相位矩阵。此时，在“焦斑直径最大的”和“电场强度分布数据峰值最高的”的两个选项中，通常以“焦斑直径最大的”作为优选项。
实施例二
图4示例了本实施例的一种系统，该系统包括天线阵列300和控制器400。天线阵列300和控制器400相连。控制器400被配置用于接收实施例1中天线阵列近电场优化的方法计算得到的天线阵列300优化后的各天线单元的相位，并依据所接收的各天线单元的相位为天线阵列300的每个天线单元配置对应的相位，使得天线阵列300发送信号时各个天线单元能够按照配置的相位发送信号。
进一步地，该系统还可以包括计算设备500。计算设备500也就是实施例1中的设备，用于根据天线阵列300的天线单元配置通过实施例1的天线阵列近电场优化的方法计算出天线阵列300优化后的各天线单元的相位输出。
计算设备500可以与控制器400直接相连，也可以不直接相连。在两者直接相连的情况下，计算设备500计算得到天线阵列300优化后的各天线单元的相位，可以直接通过传输的方式发送给控制器400；在两者不直接相连的情况下，计算设备500计算得到的天线阵列300优化后的各天线单元的相位通常以数据文件方式输出。控制器400通过加载该数据文件接收天线阵列300优化后的各天线单元的相位。
此外，需要指出的是，本实施例的情形下，天线阵列被固定，相应的天线单元数量也被固定不可更改。故此通过实施例1记载的阵列天线单元相位优化步骤进行计算时，步骤S3中，找到满足优化要求的阵列相位矩阵时，也需要在阵列相位矩阵集之中的各个阵列相位矩阵中找出最优的阵列相位矩阵。
此外，还需要指出的是，本发明所指前述模块是与方法中的步骤相对应的虚装置，无需赘述。
Claims (16)
1.基于近电场优化的天线阵列优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1：以随机方式生成若干个阵列相位矩阵组成初始的阵列相位矩阵集；所述阵列相位矩阵集是阵列相位矩阵的集合；所述阵列相位矩阵包括天线阵列各个天线单元的相位信息；
步骤S2：依据阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵的天线阵列各个天线单元的相位信息，计算阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵所对应的天线阵列近场距离为R的电场强度分布数据，然后根据电场强度分布数据计算阵列相位矩阵所对应的焦斑直径；
步骤S3：通过阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值与预先设定的阈值的比较判断阵列相位矩阵是否满足优化要求；若存在阵列相位矩阵满足优化要求，则输出该阵列相位矩阵；
步骤S4：将阵列相位矩阵集中的阵列相位矩阵依据概率随机分成三个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组、第二阵列相位矩阵组、第三阵列相位矩阵组，然后对三个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第三阵列相位矩阵组，依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序，将最接近满足优化要求的若干个阵列相位矩阵加入至新的阵列相位矩阵集中；
步骤S5：以新的阵列相位矩阵集作为迭代输入重复执行步骤S2至S4，直到迭代次数超过预先设定的限值。
2.根据权利要求1所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，电场强度通过如下公式计算得到：
；
其中，表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下，天线阵列在坐标为处的电场强度；/>表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下的坐标点/>转换成以第n个天线单元为中心的球面坐标系下的坐标；/>为天线单元在角度为/>时的电场分布，通过在天线单元的电场场强分布数据中匹配角度匹配得到；/>为第n个天线单元的相位；k为波数；K为天线电场增益；所述天线单元的电场场强分布数据为预先配置。
3.根据权利要求1或2所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法，其特征在于，步骤S4替换为：
依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序, 将最不满足优化要求的若干个阵列相位矩阵删除后，对剩余的阵列相位矩阵随机分成两个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组和第二阵列相位矩阵组，然后对两个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中。
4.根据权利要求1或2所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
步骤S6：若迭代次数超过预先设定的限值，则选择焦斑直径和电场强度分布数据峰值最优的阵列相位矩阵作为输出。
5.根据权利要求1或2所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法，其特征在于，该方法在输出阵列相位矩阵后，若电场强度分布数据峰值和焦斑直径超过设计要求过多，则减少天线阵列中的天线单元后再执行步骤S1至S5。
6.根据权利要求1或2所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法，其特征在于，若迭代次数超过预先设定的限值，则增加天线阵列中的天线单元后再执行步骤S1至S5。
7.基于近电场优化的天线阵列优化装置，其特征在于，该装置包括如下模块：
模块M1，用于：以随机方式生成若干个阵列相位矩阵组成初始的阵列相位矩阵集；所述阵列相位矩阵集是阵列相位矩阵的集合；所述阵列相位矩阵包括天线阵列各个天线单元的相位信息；
模块M 2，用于：依据阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵的天线阵列各个天线单元的相位信息，计算阵列相位矩阵集中各个阵列相位矩阵所对应的天线阵列近场距离为R的电场强度分布数据，然后根据电场强度分布数据计算阵列相位矩阵所对应的焦斑直径；
模块M 3，用于：通过阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值与预先设定的阈值的比较判断阵列相位矩阵是否满足优化要求；若存在阵列相位矩阵满足优化要求，则输出该阵列相位矩阵；
模块M 4，用于：依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序, 将最不满足优化要求的若干个阵列相位矩阵删除后，对剩余的阵列相位矩阵随机分成两个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组和第二阵列相位矩阵组，然后对两个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；
模块M 5，用于：以新的阵列相位矩阵集作为迭代输入重复调用模块M2至M4，直到迭代次数超过预先设定的限值。
8.根据权利要求7所述的基于近电场优化的天线阵列优化装置，其特征在于，所述模块M2中，电场强度通过如下公式计算得到：
；
其中，表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下，天线阵列在坐标为处的电场强度；/>表示以天线阵列中心为中心的球面坐标系下的坐标点/>转换成以第n个天线单元为中心的球面坐标系下的坐标；/>为天线单元在角度为/>时的电场分布，通过在天线单元的电场场强分布数据中匹配角度匹配得到；/>为第n个天线单元的相位；k为波数；K为天线电场增益；所述天线单元的电场场强分布数据为预先配置。
9.根据权利要求7或8所述的基于近电场优化的天线阵列优化装置，其特征在于，模块M4替换为：
将阵列相位矩阵集中的阵列相位矩阵依据概率随机分成三个阵列相位矩阵组：第一阵列相位矩阵组、第二阵列相位矩阵组、第三阵列相位矩阵组，然后对三个阵列相位矩阵组分别执行以下操作：
对于第一阵列相位矩阵组，组中的阵列相位矩阵随机选择某个天线单元的相位信息进行随机赋值后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第二阵列相位矩阵组，随机选择其中两个阵列相位矩阵，并随机选择某个指定位置的天线单元的相位信息进行交换，交换后加入至新的阵列相位矩阵集中；
对于第三阵列相位矩阵组，依据阵列相位矩阵所对应的焦斑直径和电场强度分布数据峰值进行排序，将最接近满足优化要求的若干个阵列相位矩阵加入至新的阵列相位矩阵集中。
10.根据权利要求7或8所述的基于近电场优化的天线阵列优化装置，其特征在于，该装置还包括如下模块：
模块M6，用于：若迭代次数超过预先设定的限值，则选择焦斑直径和电场强度分布数据峰值最优的阵列相位矩阵作为输出。
11.根据权利要求7或8所述的基于近电场优化的天线阵列优化装置，其特征在于，该装置还包括如下模块，该模块用于在输出阵列相位矩阵后，若电场强度分布数据峰值和焦斑直径超过设计要求过多，则减少天线阵列中的天线单元后再调用模块M1至M5。
12.根据权利要求7或8所述的基于近电场优化的天线阵列优化装置，其特征在于，该装置还包括如下模块，该模块用于若迭代次数超过预先设定的限值，则增加天线阵列中的天线单元后再调用模块M1至M5。
13.一种介质，其特征在于，该介质内存储有可以被机器读取的程序指令集，当该介质所存储的程序指令集被机器读取后执行时，该机器能够实现根据权利要求1至6任一项所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法。
14.一种设备，其特征在于，该设备包括有相连的处理器和存储器；所述存储器内存储有程序指令集；当所述存储器内所存储的程序指令集被处理器读取后执行时，该设备能够实现根据权利要求1至6任一项所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法。
15.一种系统，其特征在于，该系统包括天线阵列和控制器；所述天线阵列连接控制器；所述控制器被配置用于接收根据权利要求1至4任一项所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法计算得到的所述天线阵列优化后的各天线单元的相位，并依据所接收的各天线单元的相位为所述天线阵列的每个天线单元配置对应的相位，使得所述天线阵列发送信号时各个天线单元能够按照配置的相位发送信号。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，该系统还包括计算设备；所述计算设备用于根据所述天线阵列的天线单元配置通过权利要求1至4任一项所述的基于近电场优化的天线阵列优化方法计算出所述天线阵列优化后的各天线单元的相位输出。
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