基于定向天线辐射方向图重构的阵列天线综合方法及装置

本发明属于无线通信领域，具体涉及基于定向天线辐射方向图重构的阵列天线综合方法及装置。

背景技术：

1、在现代化社会信息高速发展的时期，无线通信技术已经逐步渗透到了人们生活和生产工作的每一个领域中，并且服务更多的受众群体，人们对无线通信的需求也逐渐提升。天线是通信系统中不可或缺的组成器件，它负责辐射和接收电磁波，并将完成导波与电磁波之间的转换。随着无线通信技术的发展，天线在移动通信、广播电视、雷达、导航、卫星气象和遥感等领域起着至关重要的作用，对天线性能要求也在不断提高。

2、阵列天线是由多个天线元件组成的天线系统。阵列天线通过控制每个天线单元的相位和振幅，可以实现对电磁波的波束控制和干扰抑制等功能，具有高增益、指向性强、抗干扰能力强和覆盖范围广的优点。阵列天线的激励决定其方向特性。已知阵列天线的激励求出其方向特性，称为阵列天线分析，反之则称为阵列天线综合，故阵列天线分析和阵列天线综合是两个不同研究方向。

3、相关技术中，阵列天线综合方法通常需要获取相对完备的方向图数据，并基于所获取的整个阵列天线的方向图数据反推激励。然而，获取完备的方向图数据需要进行大量的数据采样，工作量巨大，且基于采样数据反推激励时的运算量也比较大，因此其执行效率难以得到保证。特别是对于射电望远镜中使用的平方公里阵列天线来说，上述现有方法的弊端限制了其在平方公里阵列天线上的运用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种定向天线辐射方向图重构方法。

2、本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

3、一种基于定向天线辐射方向图重构的阵列天线综合方法，包括：

4、a、初始化种群，初始化种群迭代次数i＝1，设定种群迭代次数上限，并获取阵列天线的每个阵元在第一切面的单元方向图数据；所述第一切面是阵列天线方向图中需要优化方向性的目标切面；所述种群中的每一个体分别对应一组激励数据，该组激励数据由所述阵列天线的各个阵元的激励幅度和激励相位组成；

5、b、根据当前的一组激励数据，对每个阵元在所述第一切面的单元方向图数据进行叠加，得到阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据；根据阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据，得到阵列天线在所述第一切面的辐射性能指标；

6、c、根据阵列天线在所述第一切面的辐射性能指标，计算所述种群中的每一个体的适应度；所述适应度用于衡量阵列天线在所述第一切面的辐射性能指标与对应的预期指标的差距；

7、d、判断当前是否满足迭代截止条件；若满足迭代截止条件，进入步骤e；若不满足迭代截止条件，执行个体的变异、交叉和选择操作，令i＝i+1，然后返回步骤b；其中，所述迭代截止条件包括：i达到种群迭代次数上限或者有个体的适应度达到预期目标；

8、e、根据所有个体的适应度确定最优个体；根据所述最优个体对应的一组激励数据，得到每个阵元在第二切面的单元方向图数据；根据各个阵元在第二切面的单元方向图数据重构阵列天线方向图；其中，所述第二切面为阵列天线方向图的任意切面；

9、f、判断当前重构的阵列天线方向图是否满足要求；若满足要求，则将所述最优个体对应的一组激励数据作为阵列天线综合结果；若不满足要求，返回步骤a。

10、可选地，步骤b中，根据当前的一组激励数据，对每个阵元在所述第一切面的单元方向图数据进行叠加，得到阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据，包括：

11、根据当前的一组激励数据，利用阵列方向性函数表达式对各个阵元在所述第一切面的单元方向图数据进行叠加，得到阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据；

12、所述阵列方向性函数表达式表达式为：

13、

14、其中，阵列天线包括m行、n列的阵元，imn表示第m+1行、第n+1列的阵元的激励幅度，φmn表示第m+1行、第n+1列的阵元的激励相位；表示第m+1行、第n+1列的阵元在坐标处的方向图数值，该坐标所在的坐标系是由方向图所在的球坐标系所映射的直角坐标系；第m+1行、第n+1列的阵元在第一切面的单元方向图数据是通过对取θ＝[0°,180°]得到的，为所述第一切面；阵列天线的波束指向对应的空间直角坐标为dx表示阵列天线的行向阵元间距，dy表示阵列天线的列向阵元间距，λ为阵列天线的工作波长；表示叠加得到的阵列天线在坐标处的方向图数值。

15、可选地，计算所述适应度的适应度函数如下：

16、

17、其中，g表示阵列天线的最大增益，ge是对g的预期值；依次表示阵列天线在时的切面最大副瓣电平，依次是对的预期值，cost为适应度，r0、r1、r2以及rl均为预设的权值。

18、可选地，步骤e中，根据各个阵元在第二切面的单元方向图数据重构阵列天线方向图，包括：

19、根据每个阵元在第二切面的单元方向图数据对该阵元完整的单元方向图进行插值重构，得到该阵元完整的单元方向图数据；

20、利用所述阵列方向性函数表达式对各个阵元完整的方向图数据进行叠加，得到阵列天线方向图。

21、可选地，所述方法还包括：

22、在利用阵列方向性函数表达式对每个阵元在第一切面的单元方向图数据进行叠加时，以及在利用阵列方向性函数表达式对各个阵元完整的方向图数据进行叠加时，均利用对第m+1行、第n+1列的阵元的激励幅度进行修正；

23、其中，activesii表示第m+1行、第n+1列的阵元的有源电压反射系数。

24、可选地，所述阵列天线，包括：平方公里阵列天线。

25、本发明还提供了一种基于定向天线辐射方向图重构的阵列天线综合装置，包括：存储模块和处理模块；

26、所述存储模块，用于存放计算机程序；

27、所述处理器，用于执行所述计算机程序以实现下述方法步骤：

28、a、初始化种群，初始化种群迭代次数i＝1，设定种群迭代次数上限，并获取阵列天线的每个阵元在第一切面的单元方向图数据；所述第一切面是阵列天线方向图中需要优化方向性的目标切面；所述种群中的每一个体分别对应一组激励数据，该组激励数据由所述阵列天线的各个阵元的激励幅度和激励相位组成；

29、b、根据当前的一组激励数据，对每个阵元在所述第一切面的单元方向图数据进行叠加，得到阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据；根据阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据，得到阵列天线在所述第一切面的辐射性能指标；

30、c、根据阵列天线在所述第一切面的辐射性能指标，计算所述种群中的每一个体的适应度；所述适应度用于衡量阵列天线在所述第一切面的辐射性能指标与对应的预期指标的差距；

31、d、判断当前是否满足迭代截止条件；若满足迭代截止条件，进入步骤e；若不满足迭代截止条件，执行个体的变异、交叉和选择操作，令i＝i+1，然后返回步骤b；其中，所述迭代截止条件包括：i达到种群迭代次数上限或者有个体的适应度达到预期目标；

32、e、根据所有个体的适应度确定最优个体；根据所述最优个体对应的一组激励数据，得到每个阵元在第二切面的单元方向图数据；根据各个阵元在第二切面的单元方向图数据重构阵列天线方向图；其中，所述第二切面为阵列天线方向图的任意切面；

33、f、判断当前重构的阵列天线方向图是否满足要求；若满足要求，则将所述最优个体对应的一组激励数据作为阵列天线综合结果；若不满足要求，返回步骤a。

34、可选地，步骤b中，根据当前的一组激励数据，对每个阵元在所述第一切面的单元方向图数据进行叠加，得到阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据，包括：

35、根据当前的一组激励数据，利用阵列方向性函数表达式对各个阵元在所述第一切面的单元方向图数据进行叠加，得到阵列天线在所述第一切面的阵列方向图数据；

36、所述阵列方向性函数表达式为：

37、

38、其中，阵列天线包括m行、n列的阵元，imn表示第m+1行、第n+1列的阵元的激励幅度，φmn表示第m+1行、第n+1列的阵元的激励相位；表示第m+1行、第n+1列的阵元在坐标处的方向图数值，该坐标所在的坐标系是由方向图所在的球坐标系所映射的空间直角坐标系；第m+1行、第n+1列的阵元在第一切面的单元方向图数据是通过对取θ＝[0°,180°]得到的，为所述第一切面；阵列天线的波束指向对应的空间直角坐标为dx表示阵列天线的行向阵元间距，dy表示阵列天线的列向阵元间距，λ为阵列天线的工作波长；表示叠加得到的阵列天线在坐标处的方向图数值。

39、可选地，所述适应度的计算公式如下：

40、

41、其中，g表示阵列天线的最大增益，ge是对g的预期值；依次表示阵列天线在时的切面最大副瓣电平，依次是对的预期值。

42、可选地，步骤e中，根据各个阵元在第二切面的单元方向图数据重构阵列天线方向图，包括：

43、根据每个阵元在第二切面的单元方向图数据对该阵元完整的方向图进行插值重构，得到该阵元完整的单元方向图数据；

44、利用所述阵列方向性函数表达式对各个阵元完整的方向图数据进行叠加，得到阵列天线方向图。

45、本发明提供的定向天线辐射方向图重构方法，首先将阵列天线的每个阵元在第一切面的单元方向图数据作为已知数据导入智能优化算法，然后利用智能优化算法求得阵列天线在第一切面的辐射性能指标较好的一组最优的激励数据；然后，基于该组激励数据得到每个阵元在第二切面的单元方向图数据，并根据各个阵元在第二切面的单元方向图数据重构阵列天线方向图；如果此时阵列天线方向图满足要求，则将最优个体对应的一组激励数据作为阵列天线综合结果，如果不满足要求，则可以根据当前的阵列天线方向图重新确定要优化的目标切面，进入一轮新的迭代优化。其中，在利用智能优化算法进行迭代的过程中，每一次的迭代中本发明只是对每个阵元在第一切面的单元方向图数据进行叠加，且只是根据各个阵元在第二切面的单元方向图数据重构阵列天线方向图，无需利用整个阵列天线在第一切面和第二切面的方向图数据，因此本发明实现天线综合时所需的数据量小，相应的算法迭代速度也比较快，能够适用于对平方公里阵列天线的综合。

46、以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。