CN117272565A - 一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法及系统，属于阵列天线设计技术领域，包括初始化阵面布局、目标密度曲线获取、概率分配等步骤。本发明采用压缩密度统计的方法将方向图性能计算转化为单元数的统计操作，大幅度降低了计算量；通过旋转阵元模拟对不同切面的性能采集，有效避免了立体方向图计算带来的效率低、耗时长等不足，对阵元数统计过程可实现以低分辨率换取高分辨率方向图性能，在保证计算效率的前提下提高了计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及阵列天线设计技术领域，具体涉及一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法及系统。
背景技术
雷达和通信电子系统中,期望天线波束具有强方向性、低副瓣、易实现电扫和波束赋形等性能,阵列天线得到了广泛应用,因此阵列天线的优化设计也成为众多学者关注的焦点。天线阵列的优化布阵技术是在研究天线阵列性能与阵列几何结构关系的基础上,为满足电子系统对天线阵列的指标要求，学者开始对阵列的阵元排布进行优化设计,以获得优良的方向图辐射性能。
常规的阵列几何结果包括均匀间隔阵列和稀布天线，均匀间隔阵列由于便于数学处理和结构装配而得到了广泛研究和应用，但当天线的工作波长较小时,阵元间距相应要求很小,这时阵元间的互耦加强，并对天线阵列的辐射性能造成恶劣影响。当系统要求很高的角度分辨率时,需要阵列孔径尺寸很大,为避免出现栅瓣,此时采用均匀间隔布阵单元数很大,系统的造价很高。非均匀间隔的稀布天线阵列可避免上述缺点,阵元的稀疏布置使天线阵列的孔径增大,扫描波束变窄,方向性增强,空间分辨率提高,且阵元间的互耦效应减弱。对于大型地面相控阵雷达，天线孔径常为圆形，设计时可拉大密集排布时的单元间距，为避免出现栅瓣，抽选其中部分单元进行激励工作。由于这种雷达天线规模较大，若优化三维方向图，计算量很大，效率很低，如何快速优化大间距条件下的密度权稀布阵成了研究难点。上述问题亟待解决，为此，提出一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法及系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何快速优化大间距条件下的密度权稀布阵，提供了一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：初始化阵面布局
根据阵面参数确定阵面初始布局，阵面初始布局包括阵元数和阵元位置；
S2：目标密度权值曲线获取
根据优化期望的副瓣电平值获得目标幅度权值，结合物理中能量与电压的定义将目标幅度权值转化为目标密度权值曲线；
S3：概率分配
根据阵元到原点的距离，对比目标密度权值曲线的节点和权值，插值获得每个阵元的固有权值，以固有权值作为概率进行下一步优化；
S4：概率判断
基于优化过程中产生的随机数，判断每个阵元是否被激励；
S5：压缩密度统计
根据随机判断获得阵列最终排布确认，获得全方向的阵元密度，即全方向的压缩密度；
S6：目标函数迭代
根据统计的压缩密度和目标函数计算适应值，并进行迭代优化。
更进一步地，在所述步骤S1中，阵面参数包括阵面半径、天线排布间距、天线排布形式。
更进一步地，在所述步骤S1中，初始化阵面布局的具体过程如下：
S11：确定方形区域边长以保证该区域可覆盖目标圆形区域，目标圆形区域即全阵面区域；
S12：确定方形区域内阵元排布，按已确定的阵元排布间距以规则排布的形式，获得所有阵元的中心位置以及方形区域内的阵元数；
S13：将方形区域的中心移动至原点处，所有阵元位置移动至相应位置，使移动后各阵元位置到原点的距离与原阵元位置到区域中心的距离相同；判断所有阵元距离原点的距离，若该距离小于或等于目标圆形区域的半径则表示该阵元位于圆形区域内，否则位于圆形区域外；重复该操作，筛选出所有位于圆形区域内的阵元和圆形区域外的阵元。
更进一步地，在所述步骤S2中，根据物理中能量与电压的定义目标幅度权值指观察节点处电压的相对值，对该幅度权值进行归一化处理；能量与电压之间存在平方关系，为将目标幅度权值与密度权值对应，需对目标幅度权值进行平方处理获得目标密度权值。
更进一步地，在所述步骤S3中，概率分配的具体过程如下：
S31：分别计算所有阵元到原点的距离；
S32：提取步骤S31中阵元到原点的最大距离，并计算所有阵元距离和最大距离的比值；将这些比值映射至目标密度权值中，若不存在该节点，则通过线性插值方式获得该节点位置处的密度权值；
S33：将各密度权值作为筛选的概率赋予对应的阵元。
更进一步地，在所述步骤S4中，针对每个阵元均产生一个0到1之间的随机数，判断该随机数是否小于所述步骤S33中确定的概率，若随机数小于概率则该阵元被激励，否则该阵元不被激励。
更进一步地，在所述步骤S5中，压缩密度统计的具体过程如下：
S51：基于由随机数与概率关系确定的阵元激励情况，确定阵面阵元布局，即保留激励阵元，去除不被激励的阵元；
S52：选择当前状态为零位方向，确定该方向坐标轴，将阵面向该方向上投影，统计坐标轴上各节点的数量，即得到在当前方向上的阵元密度；
S53：确定考察的方位面角度间隔，按此间隔将阵面旋转一次，旋转后重复步骤S52；
S54：按上述角度间隔依次将阵面旋转，并重复所述步骤S52，直到覆盖全方位面360度范围，进而获得全方向的阵元密度。
更进一步地，在所述步骤S6中，获得一个旋转状态下的阵元密度数值，对该组阵元密度数值进行归一化处理；根据该方向坐标轴对阵元密度数值进行线性插值运算，获得目标密度权值节点处的阵元密度值，将该阵元密度值按节点依次与目标密度权值作差，在取绝对值后求和获得单组差值，取所有旋转状态下差值的最大值作为目标函数，以此代入进化算法中进行优化迭代。
本发明还提供了一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计系统，采用上述的设计方法对相控阵天线的阵元位置进行优化，包括：
阵面布局模块，用于根据阵面参数确定阵面初始布局，阵面初始布局包括阵元数和阵元位置；
曲线获取模块，用于根据优化期望的副瓣电平值获得目标幅度权值，结合物理中能量与电压的定义将目标幅度权值转化为目标密度权值曲线；
概率分配模块，用于根据阵元到原点的距离，对比目标密度权值曲线的节点和权值，插值获得每个阵元的固有权值，以固有权值作为概率进行下一步优化；
概率判断模块，用于基于优化过程中产生的随机数，判断每个阵元是否被激励；
压缩密度统计模块，用于根据随机数判断获得阵列最终排布获得全方向的阵元密度，即全方向的压缩密度；
迭代优化模块，用于根据统计的压缩密度和目标函数计算适应值，并进行迭代优化。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、采用目标密度曲线拟合方法，将最终阵面排布向已有排布逼近，可有效降低方向图副瓣电平，一定程度上提高了优化效率；
2、将径向距离与概率挂钩，并将概率分配至每个阵元，简化了优化变量，相较于对阵元激励幅度或阵元位置优化方法，本方法效率更高，提高逼近最优解的可能性；
3、采用压缩密度统计的方法将方向图性能计算转化为单元数的统计操作，大幅度降低了计算量；通过旋转阵元模拟对不同切面的性能采集，有效避免了立体方向图计算带来的效率低、耗时长等不足，对阵元数统计过程可实现以低分辨率换取高分辨率方向图性能，在保证计算效率的前提下提高了计算精度；由本方法获得的相控阵阵列天线可具有低成本、低副瓣特性，当该方法应用于雷达系统时，可有效提高系统的工作性能，同时降低系统的成本。
附图说明
图1是本发明实施例一中基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法流程图；
图2是本发明实施例二中满阵和部分激励时的阵元位置排布图；
图3是本发明实施例二中阵列天线经过优化后18GHz处的法向切面方向图；
图4是本发明实施例二中阵列天线经过优化后18GHz处的扫描45°切面方向图；
图5是本发明实施例三中满阵和部分激励时的阵元位置排布图；
图6是本发明实施例三中阵列天线经过优化后6GHz处的法向切面方向图；
图7是本发明实施例三中阵列天线经过优化后6GHz处的扫描45°切面方向图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提供了一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，设计过程起始于确定阵面参数，包括阵面半径、天线排布间距、天线排布形式，这些参数决定阵面初始排布后的阵元数和所有阵元的位置；天线排布形式可选择矩形栅格和三角栅格，当阵面尺寸很大时选择三角栅格可一定程度上降低单元数。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：初始化阵面布局
根据阵面参数确定阵面初始布局，包括阵元数和阵元位置。先在方形区域内进行阵元布局，再用圆形区域截取方形区域中的阵元，保留圆形区域内的阵元，去除区域外的阵元。
S2：目标密度权值曲线获取
根据优化期望的副瓣电平值获得目标幅度权值，结合物理中能量与电压的定义将目标幅度权值转化为目标密度权值曲线。
S3：概率分配
根据阵元到原点的距离，对比目标密度权值曲线的节点和权值，同上插值获得每个阵元的固有权值，以固有权值作为概率进行下一步优化。
S4：概率判断
基于优化过程中产生的随机数，判断每个阵元是否被激励。
S5：压缩密度统计
根据随机数判断获得阵列最终排布，获得全方向的阵元密度，即全方向的压缩密度。具体操作是将阵元朝一特定方向上压缩，统计获得该方向的密度，变更方向并重复该操作；实际操作中固定压缩方向，将阵列进行旋转，旋转角度为待压缩方向，每次旋转后均进行压缩，统计并保存每个方向的压缩密度。
S6：目标函数迭代
根据统计的压缩密度和目标函数计算适应值，并进行迭代优化。依次对比各个方向密度与目标密度曲线之间的拟合度，获得全方向密度与目标曲线的绝对差值，以此构建目标函数。计算适应值后进行迭代和计算。
更进一步地，在所述步骤S1中，初始化阵面布局的具体过程如下：
S11：确定方形区域边长以保证该区域可覆盖目标圆形区域(全阵面区域)；
S12：确定方形区域内阵元排布，按已确定的阵元排布间距以规则排布的形式，获得所有阵元的中心位置以及方形区域内的阵元数；
S13：将方形区域的中心移动至原点处，所有阵元位置移动至相应位置，确保移动后各阵元位置到原点的距离与原阵元位置到区域中心的距离相同；判断所有阵元距离原点的距离，若该距离小于或等于目标圆形区域的半径则表示该阵元位于圆形区域内，否则位于圆形区域外。重复该操作，筛选出所有位于圆形区域内的阵元和圆形区域外的阵元。
更进一步地，在所述步骤S2中，根据物理中能量与电压的定义目标幅度权值指观察节点处电压的相对值，对该幅度权值进行归一化处理；由于每个阵元间距范围内能量为标量可进行叠加，将阵面能量分布视为均匀分布时阵面能量与阵面面积线性相关，抽象可得阵元数与阵面能量直接相关。能量与电压之间存在平方关系，为将目标幅度权值与密度权值对应，需对目标幅度权值进行平方处理获得目标密度权值。
更进一步地，在所述步骤S3中，概率分配的具体过程如下：
S31：分别计算所有阵元到原点的距离；
S32：提取步骤S31中阵元到原点的最大距离，并计算所有阵元距离和最大距离的比值；将这些比值映射至目标密度权值中，若不存在该节点，则通过线性插值方式获得该节点位置处的密度权值；
S33：将各密度权值作为筛选的概率赋予对应的阵元。
更进一步地，在所述步骤S4中，针对每个阵元均产生一个0到1之间的随机数，判断该随机数是否小于所述步骤S33中确定的概率，若随机数小于概率则该阵元被激励，否则该阵元不被激励。
更进一步地，在所述步骤S5中，压缩密度统计的具体过程如下：
S51：基于由随机数与概率关系确定的阵元激励情况，确定阵面阵元布局，即保留激励阵元，去除不被激励的阵元；
S52：选择当前状态为零位方向，确定该方向坐标轴，将阵面向该方向上投影，统计坐标轴上各节点的数量，即得到在当前方向上的阵元密度；
S53：确定考察的方位面角度间隔，按此间隔将阵面旋转一次，旋转后重复步骤S52；
S54：按上述角度间隔依次将阵面旋转，并重复所述步骤S52，直到覆盖全方位面360度范围，进而获得全方向的阵元密度。
更进一步地，在所述步骤S6中，获得一特定旋转状态下的阵元密度数值，对该组阵元密度数值进行归一化处理；根据该方向坐标轴对阵元密度数值进行线性插值运算，获得目标密度权值节点处的阵元密度值，将该阵元密度值按节点依次与目标密度权值作差，在取绝对值后求和获得单组差值，取所有旋转状态下差值的最大值作为目标函数，以此代入进化算法中进行优化迭代。
实施例二
本实施例优化了圆形口径天线法向和扫描方向图，设置x轴和y轴如图2所示。待优化阵列天线工作于18GHz频点，圆形区域半径为250mm，排布时阵元间距设置为11mm，所有阵元均以独立单元形式在区域内布局。待优化方向图为天线阵列的法向和扫描45°切面方向图，目标副瓣为-20dB以下。待优化参数由所有阵元的激励概率组成，随机生成一组随机数作为初始值代入优化过程中，依次进行初始化阵面布局、目标密度曲线、概率分配、阈值判断和压缩密度统计操作，获得激励阵元坐标。优化时以逼近目标密度曲线的程度构建适应度函数，将概率初始值和适应度函数代入遗传算法中计算。种群个数设置为400个，优化次数设置为100次，经过多次优化获得较优解。
如图2～图4所示，图2是本实施例中满阵和部分激励时的阵元位置排布图，图中星号表示满阵时的阵元位置排布，圆圈表示部分激励时的阵元位置排布，图3为阵列天线经过优化后18GHz处的法向切面方向图，图4为阵列天线经过优化后18GHz处的扫描45°切面方向图。
由上述可得，本实施例优化所得阵列的法向和扫描状态副瓣电平实现-20dB以下，±90°范围内未出现栅瓣。
实施例三
本实施例优化了圆形口径天线法向和扫描方向图，设置x轴和y轴如图2所示。待优化阵列天线工作于6GHz频点，圆形区域半径为400mm，排布时阵元间距设置为30mm，所有阵元均以独立单元形式在区域内布局。待优化方向图为天线阵列的法向和扫描45°切面方向图，目标副瓣为-20dB以下。待优化参数由所有阵元的激励概率组成，随机生成一组随机数作为初始值代入优化过程中，依次进行初始化阵面布局、目标密度曲线、概率分配、阈值判断和压缩密度统计操作，获得激励阵元坐标。优化时以逼近目标密度曲线的程度构建适应度函数，将概率初始值和适应度函数代入遗传算法中计算。种群个数设置为400个，优化次数设置为100次，经过多次优化获得较优解。
如图5～图7所示，图5是本实施例中满阵和部分激励时的阵元位置排布图，图中星号表示满阵时的阵元位置排布，圆圈表示部分激励时的阵元位置排布图，图6为阵列天线经过优化后6GHz处的法向切面方向图，图7为阵列天线经过优化后6GHz处的扫描45°切面方向图。
由上述可得，本实施例优化所得阵列的法向和扫描状态副瓣电平实现-20dB以下，±90°范围内未出现栅瓣。
综上所述，上述实施例中的基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，采用压缩密度统计的方法将方向图性能计算转化为单元数的统计操作，大幅度降低了计算量；通过旋转阵元模拟对不同切面的性能采集，有效避免了立体方向图计算带来的效率低、耗时长等不足，对阵元数统计过程可实现以低分辨率换取高分辨率方向图性能，在保证计算效率的前提下提高了计算精度；由本方法获得的相控阵阵列天线可具有低成本、低副瓣特性，当该方法应用于雷达系统时，可有效提高系统的工作性能，同时降低系统的成本。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：初始化阵面布局
根据阵面参数确定阵面初始布局，阵面初始布局包括阵元数和阵元位置；
S2：目标密度权值曲线获取
根据优化期望的副瓣电平值获得目标幅度权值，结合物理中能量与电压的定义将目标幅度权值转化为目标密度权值曲线；
S3：概率分配
根据阵元到原点的距离，对比目标密度权值曲线的节点和权值，插值获得每个阵元的固有权值，以固有权值作为概率进行下一步优化；
S4：概率判断
基于优化过程中产生的随机数，判断每个阵元是否被激励；
S5：压缩密度统计
根据随机判断获得阵列最终排布确认，获得全方向的阵元密度，即全方向的压缩密度；
S6：目标函数迭代
根据统计的压缩密度和目标函数计算适应值，并进行迭代优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，阵面参数包括阵面半径、天线排布间距、天线排布形式。
3.根据权利要求2所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，初始化阵面布局的具体过程如下：
S11：确定方形区域边长以保证该区域可覆盖目标圆形区域，目标圆形区域即全阵面区域；
S12：确定方形区域内阵元排布，按已确定的阵元排布间距以规则排布的形式，获得所有阵元的中心位置以及方形区域内的阵元数；
S13：将方形区域的中心移动至原点处，所有阵元位置移动至相应位置，使移动后各阵元位置到原点的距离与原阵元位置到区域中心的距离相同；判断所有阵元距离原点的距离，若该距离小于或等于目标圆形区域的半径则表示该阵元位于圆形区域内，否则位于圆形区域外；重复该操作，筛选出所有位于圆形区域内的阵元和圆形区域外的阵元。
4.根据权利要求3所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据物理中能量与电压的定义目标幅度权值指观察节点处电压的相对值，对该幅度权值进行归一化处理；能量与电压之间存在平方关系，为将目标幅度权值与密度权值对应，需对目标幅度权值进行平方处理获得目标密度权值。
5.根据权利要求4所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，概率分配的具体过程如下：
S31：分别计算所有阵元到原点的距离；
S32：提取步骤S31中阵元到原点的最大距离，并计算所有阵元距离和最大距离的比值；将这些比值映射至目标密度权值中，若不存在该节点，则通过线性插值方式获得该节点位置处的密度权值；
S33：将各密度权值作为筛选的概率赋予对应的阵元。
6.根据权利要求1所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，针对每个阵元均产生一个0到1之间的随机数，判断该随机数是否小于所述步骤S33中确定的概率，若随机数小于概率则该阵元被激励，否则该阵元不被激励。
7.根据权利要求5所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，压缩密度统计的具体过程如下：
S51：基于由随机数与概率关系确定的阵元激励情况，确定阵面阵元布局，即保留激励阵元，去除不被激励的阵元；
S52：选择当前状态为零位方向，确定该方向坐标轴，将阵面向该方向上投影，统计坐标轴上各节点的数量，即得到在当前方向上的阵元密度；
S53：确定考察的方位面角度间隔，按此间隔将阵面旋转一次，旋转后重复步骤S52；
S54：按上述角度间隔依次将阵面旋转，并重复所述步骤S52，直到覆盖全方位面360度范围，进而获得全方向的阵元密度。
8.根据权利要求7所述的一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法，其特征在于，在所述步骤S6中，获得一个旋转状态下的阵元密度数值，对该组阵元密度数值进行归一化处理；根据该方向坐标轴对阵元密度数值进行线性插值运算，获得目标密度权值节点处的阵元密度值，将该阵元密度值按节点依次与目标密度权值作差，在取绝对值后求和获得单组差值，取所有旋转状态下差值的最大值作为目标函数，以此代入进化算法中进行优化迭代。
9.一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计系统，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的设计方法对相控阵天线的阵元位置进行优化，包括：
阵面布局模块，用于根据阵面参数确定阵面初始布局，阵面初始布局包括阵元数和阵元位置；
曲线获取模块，用于根据优化期望的副瓣电平值获得目标幅度权值，结合物理中能量与电压的定义将目标幅度权值转化为目标密度权值曲线；
概率分配模块，用于根据阵元到原点的距离，对比目标密度权值曲线的节点和权值，插值获得每个阵元的固有权值，以固有权值作为概率进行下一步优化；
概率判断模块，用于基于优化过程中产生的随机数，判断每个阵元是否被激励；
压缩密度统计模块，用于根据随机数判断获得阵列最终排布获得全方向的阵元密度，即全方向的压缩密度；
迭代优化模块，用于根据统计的压缩密度和目标函数计算适应值，并进行迭代优化。
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| CN202311318912.9A CN117272565A (zh) | 2023-10-11 | 2023-10-11 | 一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法及系统 |
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|---|---|---|---|
| CN202311318912.9A CN117272565A (zh) | 2023-10-11 | 2023-10-11 | 一种基于压缩密度收敛的相控阵天线设计方法及系统 |
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| CN117272565A true CN117272565A (zh) | 2023-12-22 |
Family
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-10-11 CN CN202311318912.9A patent/CN117272565A/zh active Pending
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