面向低副瓣的稀疏排布阵列天线激励电流幅度的确定方法与流程

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面向低副瓣的稀疏排布阵列天线激励电流幅度的确定方法与制造工艺

本发明属于雷达天线领域,具体涉及稀疏排布阵列天线辐射场低副瓣的实现方法,可用于指导稀疏排布阵列天线激励电流幅度的快速确定。



背景技术:

天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用,起到了传播无线电波的作用,是有效地辐射和接受无线电波必所不可少的装置。而随着科技的发展,普通的天线已经不足以满足需求,特别是军事领域中的制导武器、电子对抗等,更是对雷达天线提出了严格的要求。阵列天线因其可靠性高、功能多、探测和跟踪能力高等优势,已经广泛应用于各种雷达系统中并成为当今雷达发展的主流,特别是在先进的战斗机综合电子信息系统中得到了很好地应用。

但是,天线首先是为了满足人们探测与通信的要求而出现的,随着科技的发展,天线被越来越多地用于战场侦察与通讯,而天线作为一种侦查设备,其本身与隐身是矛盾的。所以稀疏排布阵列天线的提出,有效的解决了这一矛盾,它能够使天线在满足侦查功能的前提下尽可能大的提高武器平台的隐身性能,即降低其雷达散射截面(RCS),具有很大的研究意义。

近年来,天线在雷达、电子侦察和声呐等方面应用日益广泛,但也正是由于应用的广泛性,使得这些应用对天线波束的副瓣提出了更高的要求。在阵列天线的系统性能中,天线的副瓣性能是很重要的一个方面。阵列天线的副瓣特性在很大程度上决定了雷达的抗干扰、抗反辐射导弹及杂波抑制等战术性能。通过降低波束的副瓣电平,可以降低副瓣带来的杂波干扰,有效地增加系统的抗干扰能力,也使得期望信号的接收和发射能力得到提升,所以研究稀疏排布阵列天线的低副瓣实现方法具有很大的意义。



技术实现要素:

为解决现有技术中存在的上述缺陷,本发明的目的是针对稀疏排布阵列天线低副瓣研究存在空缺,现有满阵低副瓣实现方法不适用于稀疏排布阵列天线而提出的。本发明提供了一种面向低副瓣的稀疏排布阵列天线激励电流幅度的确定方法,此方法基于遗传算法,可以实现稀疏排布阵列天线的低副瓣性能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种面向低副瓣的稀疏排布阵列天线激励电流幅度的确定方法,包括下述步骤:

(1)根据平面矩形栅格阵列天线的基本结构,确定天线的结构参数以及电磁参数,确定出稀疏排布阵列天线的稀疏排布矩阵,并给出该稀疏排布阵列天线的初始激励幅度加权方案;

(2)计算稀疏排布矩阵中相邻的两个辐射单元在目标处的辐射场空间相位差,进而得到稀疏排布阵列天线的辐射场口面相位误差;

(3)结合稀疏排布矩阵中天线单元的辐射单元方向图和初始激励幅度加权方案,分别计算在激励幅度加权方案下该稀疏排布阵列天线的辐射场方向图;

(4)根据稀疏排布阵列天线的辐射场方向图函数,分别计算在激励幅度加权方案下该稀疏排布阵列天线的增益方向图函数,并最终由增益方向图函数计算稀疏排布阵列天线的最大副瓣电平;

(5)根据天线设计要求,判断当前所有激励幅度加权方案下稀疏排布阵列天线的最大副瓣电平中是否有满足低副瓣要求的,如果有满足要求的,则最大副瓣电平最低的那个激励幅度加权方案即为实现阵列天线辐射场低副瓣的最优激励幅度加权方案;否则,根据所有方案中计算得到的最低的最大副瓣电平值,通过选择、交叉和变异的方法更新阵列天线单元的激励幅度加权方案,重复步骤(2)至步骤(4),直到满足要求为止。

步骤(1)中,天线的结构参数包括阵面辐射单元的行数M、列数N和阵元间距;电磁参数包括天线的工作频率f及其工作波长λ。

步骤(1)中,确定出稀疏排布阵列天线的稀疏排布矩阵,包括:

稀疏排布阵列天线的稀疏性用一个按天线单元位置编号存储“0”或“1”的矩阵T来表示,“0”代表该位置上无天线单元,“1”代表该位置上有天线单元;

根据该稀疏排布阵列天线的稀疏矩阵T,随机确定出100种初始的激励电流幅度分布方案,每种方案都是一个与天线阵同样维度的二维矩阵I,即这样的激励电流幅度分布矩阵I共有100个,分别记为I1,I2,...,I99,I100

步骤(2)按如下过程进行:

(2a)假设一个稀疏排布阵列天线,在其为满阵时共有M×N个天线单元按照等间距矩形栅格排列,天线单元在x向和y向的间距分别是dx和dy,目标相对于坐标系O-xyz所在的方向以方向余弦表示为(cosαx,cosαy,cosαz),则目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为:

(2b)对于在满阵情况下的阵列天线,其第(m,n)个天线单元的设计坐标为(m·dx,n·dy,0),所以天线相邻两辐射单元间在目标处沿x轴、y轴和z轴的辐射场空间相位差分别为:

其中,辐射场空间波常数k=2π/λ,λ为工作波长,k为辐射场空间波常数,n、m分别为当前计算的天线单元所在列和行的数值,x00、y00分别为位于坐标原点的天线单元的x方向和y方向坐标;

而第(0,0)个天线单元的实际坐标为(0,0,0),因此第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的辐射场相位差为:

(2c)将阵面内每个天线单元相对与参考天线单元(0,0)的相位差按其位置编号存储在一个矩阵相应的位置上,该矩阵即表示此稀疏排布天线口面的辐射场相位差。

步骤(3)按如下过程进行:

(3a)应用步骤(1)得到的表示天线稀疏性的矩阵T,以及步骤(2b)得到的天线辐射场口面相位差ΔΦmn,根据方向图乘积原理和阵列天线远场叠加原理,可以得到稀疏排布阵列天线辐射场方向图函数为:

其中,为天线单元在自由空间的方向图,I(m,n)为激励电流幅度分布矩阵I的第m行第n列元素即第(m,n)个天线单元激励电流幅度,T(m,n)为矩阵T的第m行第n列元素,j为一个虚数,

(3b)利用步骤(3a)得到的稀疏排布阵列天线远场方向图函数,计算出天线远场区域某点的电场值;改变的数值,重复计算过程,得出远场区域某个具体范围内的所有点的电场值,将场值取对数,计算出稀疏排布阵列天线远场某区域范围的方向图。

步骤(4)按如下过程进行:

(4a)根据稀疏排布阵列天线辐射场方向图函数利用下列公式,可以计算得到稀疏排布阵列天线辐射场的增益方向图函数

(4b)根据增益方向图函数计算出当前激励电流幅度分布下稀疏排布阵列天线的最大副瓣电平值PSLL;

阵列天线副瓣电平即增益方向图中的各个拐点对应的增益值;对于平面,为得到增益方向图函数的拐点,令方向图函数的一阶导数为零,二阶导数小于零,即

其中,θp=[θ12...θP]为辐射方向图中除主瓣外的各个拐点对应的方位角,P为辐射方向图中的拐点总数;

由此可以得到辐射方向图中的各个副瓣为:

从而得到辐射方向图中的最大副瓣电平为:

其中为第当前激励电流幅度分布下稀疏排布阵列天线的平面辐射场最大副瓣电平对应的方位角。

步骤(5)按如下过程进行:

(5a)判断在当前激励电流幅度分布下稀疏排布阵列天线的最大副瓣电平PSLL是否能满足所要实现的稀疏排布阵列天线的最大副瓣电平值PSLLD

PSLL<PSLLD

若满足,那么当前激励电流幅度分布即为可实现稀疏排布阵列天线辐射场低副瓣的激励电流幅度分布方案;若有多种激励电流幅度分布方案满足低副瓣要求,那么在这些方案中,最大副瓣电平值最低的激励电流幅度分布方案即使最优的激励电流幅度分布;

(5b)若不满足要求,通过选择、交叉和变异的方法更新阵列天线单元的激励幅度加权方案。

所述通过选择、交叉和变异的方法更新阵列天线单元的激励幅度加权方案,通过下述方法实现:

取适应度函数为fitness=|PSLL|,得到所有激励电流幅度分布方案下的适应度函数值;根据适应度函数值进行选择操作,保留适应度函数值高的激励电流幅度分布方案,选择保留的激励电流幅度分布方案占所有激励电流幅度分布方案的30%,剩余的激励电流幅度分布方案用作交叉和变异操作;

定义交叉率为

按照交叉率C对经过选择的激励电流幅度分布矩阵I进行交叉操作;将已经过选择的激励电流幅度分布方案两两配对,根据交叉率C对每组激励电流幅度分布方案产生四个交叉点x1、x2、y1、y2,分别取两两配对的激励电流幅度分布矩阵I的x1列与x2列、y1行与y2行包围的元素进行交换;

定义变异率为

其中,ω1、ω2为加权系数;

按照交叉率V对经过选择的激励电流幅度分布矩阵I进行变异操作;对已经过选择的每个激励电流幅度分布矩阵I的元素进行二进制编码,根据变异率V分别对已经过选择的每个激励电流幅度分布矩阵I产生三点x3、y3和z,将当前的激励电流幅度分布矩阵I的x1列、y1行处的元素的第z位取反;最后再将所有二进制元素转换为十进制数。

本发明与现有技术相比,具有以下特点:

1.针对应用范围日益广泛的稀疏排布阵列天线,提出了一种基于遗传算法的阵列天线激励电流幅度加权方案的确定方法,克服了现有研究在稀疏排布阵列天线低副瓣性能实现方面的空缺。

2.本发明采用了一种有别于传统遗传算法的优化方法,将稀疏排布阵列天线的结构参数考虑到优化算法中去,自创了一种编码方法及交叉率、变异率的定义方法,能够快速、有效地得到满足低副瓣要求的激励电流幅度加权方案。

附图说明

图1是本发明稀疏阵列排布天线结构公差确定流程图。

图2是满阵情况下的平面矩形阵列天线的阵元排列示意图。

图3是稀疏阵列排布阵列天线的阵元排列示意图。

图4是目标的空间几何关系图。

图5是最优阵列天线单元稀疏方案下阵列天线辐射场平面方向图。

图6是迭代过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明,但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照图1,本发明为一种面向低副瓣的稀疏排布阵列天线激励电流幅度的确定方法,具体步骤如下:

步骤1,确定稀疏排布阵列天线的结构参数、电磁参数以及稀疏排布矩阵,给出30种该稀疏排布阵列天线的初始激励电流幅度加权方案。

1.1.确定稀疏排布阵列天线的结构参数,即获取其在满阵情况下的行数M,列数N,x向阵元间距dx和y向单元间距dy,阵面内辐射单元的编号为(m,n),其中m、n为辐射单元分别在x、y方向上的编号,阵面左下角处为起始编号,即阵面左下角处的辐射单元编号为(0,0),同时这也是位于阵面内的坐标系Oxy的坐标原点,阵面法向就是坐标系O-xyz的z轴如图2所示。

1.2.确定稀疏排布阵列天线的电磁参数,即获取其工作频率f和其工作波长λ。

1.3.获取代表稀疏排布阵列天线稀疏性的矩阵T,稀疏排布阵列天线的结构如图3所示。

1.4.根据天线稀疏排布矩阵T,给出100种该稀疏排布阵列天线的初始激励电流幅度加权方案。

稀疏排布阵列天线的稀疏性用一个按天线单元位置编号存储“0”或“1”的矩阵T来表示,“0”代表该位置上无天线单元,“1”代表该位置上有天线单元;

根据该稀疏排布阵列天线的稀疏矩阵T,随机确定出100种初始的激励电流幅度分布方案,每种方案都是一个与天线阵同样维度的二维矩阵I,即这样的激励电流幅度分布矩阵I共有100个,分别记为I1,I2,...,I99,I100

步骤2,计算稀疏排布阵列天线辐射场的口面相位误差。

2.1.假设一个稀疏排布阵列阵列天线,在其为满阵时共有M×N个天线单元按照等间距矩形栅格排列,天线单元在x向和y向的间距分别是dx和dy,目标相对于坐标系O-xyz所在的方向以方向余弦表示为(cosαx,cosαy,cosαz),则目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为:

目标的空间几何关系见图4所示。

2.2.根据图2所示,对于在满阵情况下的稀疏排布阵列天线,其第(m,n)个辐射单元的设计坐标为(m·dx,n·dy,0),所以天线相邻两辐射单元间在目标处沿x轴、y轴和z轴的辐射场空间相位差分别为:

其中,辐射场空间波常数k=2π/λ;λ为工作波长,k为辐射场空间波常数,n为当前计算的天线单元所在列的数值,m为当前计算的天线单元所在行的数值,x00为位于坐标原点的天线单元的x方向坐标、y00为位于坐标原点的天线单元的y方向坐标;

而第(0,0)个辐射单元的实际坐标为(0,0,0),因此第(m,n)个辐射单元相对于第(0,0)个辐射单元的辐射场相位差为:

2.3.将阵面内每个辐射单元相对与参考辐射单元(0,0)的相位差按其位置编号存储在一个矩阵相应的位置上,该矩阵即表示此稀疏排布阵列天线的辐射场口面相位差。

步骤3,计算稀疏排布阵列天线远区辐射场方向图。

3.1.应用步骤(1)得到的表示稀疏性的矩阵T,以及步骤(4.2)得到的天线口面相位差ΔΦmn,根据方向图乘积原理和阵列天线远场叠加原理,可以得到稀疏排布阵列天线辐射场方向图函数为:

其中,为天线单元在自由空间的方向图,I(m,n)为激励电流幅度分布矩阵I的第m行第n列元素即第(m,n)个天线单元激励电流幅度,T(m,n)为矩阵T的第m行第n列元素,j为一个虚数,

3.2.利用步骤(3.1)得到的稀疏排布阵列天线远场方向图函数,可计算出天线远场区域某点的电场值;改变的数值,重复计算过程,可以得出远场区域某个具体范围内的所有点的电场值,将场值取对数,可得到稀疏排布阵列天线远场某区域范围的方向图。

步骤4,计算天线最大副瓣电平值。

4.1.根据稀疏排布阵列天线辐射场方向图函数利用下列公式,可以计算得到稀疏排布阵列天线辐射场的增益方向图函数

4.2.阵列天线副瓣电平即增益方向图中的各个拐点对应的增益值。对于平面,为得到增益方向图函数的拐点,令方向图函数的一阶导数为零,二阶导数小于零,即

其中,θp=[θ12...θP]为辐射方向图中除主瓣外的各个拐点对应的方位角,P为辐射方向图中的拐点总数。

由此可以得到辐射方向图中的各个副瓣为:

从而得到辐射方向图中的最大副瓣电平为:

其中为第当前激励电流幅度分布下稀疏排布阵列天线的平面辐射场最大副瓣电平对应的方位角。

步骤5,判断此激励电流幅度加权方案下的辐射场是否同时满足低副瓣要求

5.1若满足

PSLL<PSLLD

那么当前激励电流幅度分布即为可实现稀疏排布阵列天线辐射场低副瓣的激励电流幅度分布方案;若有多种激励电流幅度分布方案满足低副瓣要求,那么在这些方案中,最大副瓣电平值最低的激励电流幅度分布方案即使最优的激励电流幅度分布。其中,PSLLD是所要实现的稀疏排布阵列天线的最大副瓣电平值;

5.2若不满足,通过选择、交叉和变异的方法更新阵列天线单元的激励幅度加权方案。

取适应度函数为:

fitness=|PSLL| (10)

由此可以得到所有激励电流幅度分布方案下的适应度函数值。根据适应度函数值进行选择操作,保留适应度函数值高的激励电流幅度分布方案,选择保留的激励电流幅度分布方案占所有激励电流幅度分布方案的30%,剩余的激励电流幅度分布方案用作交叉和变异操作。

定义交叉率为:

按照交叉率C对经过选择的激励电流幅度分布矩阵I进行交叉操作;将已经过选择的激励电流幅度分布方案两两配对,根据交叉率C对每组激励电流幅度分布方案产生四个交叉点x1、x2、y1、y2,分别取两两配对的激励电流幅度分布矩阵I的x1列与x2列、y1行与y2行包围的元素进行交换;

定义变异率为:

按照交叉率V对经过选择的激励电流幅度分布矩阵I进行变异操作;对已经过选择的每个激励电流幅度分布矩阵I的元素进行二进制编码,根据变异率V分别对已经过选择的每个激励电流幅度分布矩阵I产生三点x3、y3和z,将当前的激励电流幅度分布矩阵I的x3列、y3行处的元素的第z位取反;最后再将所有二进制元素转换为十进制数。

其中,ω1、ω2为加权系数,本发明取为ω1=0.7,ω2=0.1;PSLLD为要求的最大副瓣电平值。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明:

1.确定稀疏阵列天线的结构参数、电磁参数以及稀疏排布矩阵

本实验以辐射单元为半波对称振子、阵面内,即x向和y向等间距λ/2排布的10×10矩形栅格排列的稀疏排布阵列天线为例,具体结构参数和电磁工作参数如表1所示。

表1稀疏阵列天线的基本结构和电磁工作参数

2.生成初始激励电流幅度加权矩阵

根据稀疏排布矩阵T的结构,生成100个初始的激励电流幅度加权矩阵I1,I2,...,I100。具体实施时,判断稀疏排布矩阵T在与激励电流幅度加权矩阵I1,I2,...,I100相同的位置上是否为“1”,若是,则在激励电流幅度加权矩阵I1,I2,...,I100的相同位置处随机生成一个0~1之间的数作为该位置处天线单元的激励电流幅度;否则,在激励电流幅度加权矩阵I1,I2,...,I100的相同位置处填“0”。

本实验的稀疏排布矩阵T为:

随机产生的初始激励电流幅度加权矩阵中由于数量太大,这里只以I1作为示例为:

3.计算辐射场方向图

利用公式(2)和(3),以及稀疏排布矩阵T以及激励电流幅度加权矩阵I1,可得到第一种激励电流幅度加权方案下稀疏排布阵列天线的辐射场方向图函数为:

由此循环计算100次,便可得出100种初始激励电流幅度加权方案下稀疏排布阵列天线的辐射场方向图函数。

4.计算稀疏排布阵列天线最大副瓣电平

根据式(5)~式(9)计算100种激励电流幅度加权方案下的稀疏排布阵列天线辐射场最大副瓣电平;

5.最优稀疏排布阵列天线激励电流幅度加权方案及电性能结果

根据式(10)~式(12),分别通过选择、交叉和变异更新阵列天线的激励电流幅度加权矩阵并重复计算,收敛过程如图5所示,经过40次更新,得到实现辐射场低副瓣性能的最优激励电流幅度加权矩阵IS为:

根据此最优激励电流幅度加权矩阵IS,计算得到稀疏排布矩阵天线平面的增益方向图如图5所示,优化迭代过程如图6所示,具体数据见表1所示。

表1最优激励电流幅度加权下的辐射场最大副瓣电平值

由表中数据可以看出,根据本发明方法可以通过稀疏排布矩阵天线的激励电流幅度加权方案,实现天线辐射场的低副瓣性能,同时本发明的方法也为研究稀疏排布阵列天线的辐射性能提供了新的思路和方法,为低副瓣性能稀疏排布阵列天线的研制提供了设计基础。

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