一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法技术

本发明专利技术提供了一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，属于阵列信号处理领域。本发明专利技术针对稀疏线性阵列布阵问题，建立稀疏线性阵列发射信号模型，以天线方向图的峰值旁瓣电平作为优化标准建立目标函数，考虑布阵中的实际情况，加入天线最小间距约束与地理约束，保证了观测空域内所有的扫描角度峰值旁瓣电平都优化到最低；相对于原有的求解稀疏线性阵列优化问题的算法，本发明专利技术所采用的基于P系统的膜算法(MAPS)具有收敛速度更快，收敛效果好的优点。

A Geographically Constrained Sparse Linear Array Optimal Array Layout Method

【技术实现步骤摘要】
一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法
本专利技术属于阵列信号处理领域，特别涉及一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法。
技术介绍
稀疏线性阵列(SparseLinearArray,SLA)优化布阵中，阵元位置按照某种分布随机放置，相对于均匀线阵，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，阵元间的互耦效应减弱，且能够避免方向图出现栅瓣，故稀疏阵列的优化布阵得到了广泛的研究。稀疏阵列阵元非规则摆放，空间采样为非均匀采样，阵列在远场栅瓣上不能实现同相叠加，将栅瓣能量有效压入旁瓣中，因此能够消除栅瓣，但随之会带来方向图旁瓣电平升高。为了克服稀疏阵列方向图旁瓣高的缺点，有一种稀疏线阵优化布阵方法，考虑观测空域范围内所有扫描角度下的方向图峰值旁瓣电平(PSL)之和，将其作为优化的目标函数，然后对固定孔径的阵列阵元加入阵元尺寸约束和地理约束，采用粒子群(PSO)算法最小化目标函数值求解对应的阵元位置。然而，该方法将所有扫描角度峰值旁瓣电平之和作为优化目标函数，不能保证每个扫描方向的峰值旁瓣电平都达到最低；同时PSO算法收敛速度较慢，容易陷入局部最优解。
技术实现思路
本专利技术针对稀疏布阵波束旁瓣高的问题，提出了一种地理约束下的SLA的优化布阵方法。首先建立稀疏阵列信号模型，以观测空域内各个扫描角天线方向图的峰值旁瓣电平作为目标函数，考虑最小间距约束和地理约束，然后采用基于P系统的膜算法(MembraneAlgorithmBasedonPSystems，MAPS)最小化目标函数，求解最优阵元的位置。一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，包括以下步骤：S1、稀疏布阵的相控阵雷达包含N个天线阵元信号，建立接收信号模型；S2、建立目标函数；S3、加入阵元最小间距约束和地理约束，满足所述最小间距约束和地理约束的同时，最小化所述目标函数，建立优化问题；S4、求解所述优化问题，得到阵元的最优位置。进一步地，所述步骤S1包括：有N个阵元的稀疏布阵相控阵雷达，阵元位置分别为d0,d1,…,dN-1，xn(t)为第n个阵元接收到的信号，xn(t)相对于基准信号s(t)有相位偏移表示为其中，n＝1,2,…,N，θ0表示远场的扫描角；令g(θ,t)为基于向量a(θ)表示的联合x1(t),x2(t),…,xN(t)的信号，表示为g(θ,t)＝aH(θ)a(θ0)s(t)其中，(·)H表示共轭转置，a(θ)表示在θ方向上的相位偏移向量，表示为其中，(·)T表示转置；θ方向上的归一化能量分布函数F(θ)为其中，扫描角θ0∈[-π/4,π/4]，方位角θ∈[-π/4,π/4]，|·|表示取模操作；令μ＝sinθ-sinθ0，则进一步地，所述步骤S2包括：以峰值旁瓣电平作为阵列设计准则，峰值旁瓣电平PSL功能上取决于阵元位置d0,d1,...dN-1，表示为PSL(d0,d1,…,dN-1)＝maxF(μSL)其中，μSL表示去掉主瓣对应的角度后剩下的角度值；将等间距地分为μ1,μ2,...,μM，Lm1和Lm2分别表示主瓣对应的最小与最大的角度索引值，去除主瓣元素，即将Lm1和Lm2之间的索引值对应的幅值置零，得到矩阵c其中，表示c的第m个非零元素；优化目标为使内所有角度对应的方向图峰值旁瓣电平最低，建立目标函数f(d0,d1,...,dN-1)＝max(c)。进一步地，所述步骤S3包括：S31、计算阵元最小间距约束；由于天线阵元的实际大小限制及阵元间互耦效应的影响，两个天线阵元间的距离不是无穷小，因此在约束条件中相邻阵元的最小间距Δd为di-di-1≥Δd,i＝1,2,…,NDa表示最小间距约束距离之和Da＝(N-1)Δd；S32、计算地理约束；在布阵范围D中的山丘、河流和巨石障碍物的地理约束为dj∈[0,D1]∪[D2,D3]…∪[DQ,D]，j＝,j＝0,1,…,N-1其中，∪表示或运算，在布阵范围D内若超过Q/2个障碍物，则阵元不能在(D1,D2),(D3,D4),…,(DQ-1,DQ)的范围内布阵；Dg表示地理约束距离之和S33、建立优化问题；稀疏线性阵列优化问题为满足所述最小间距约束和地理约束的同时，最小化所述目标函数，求解阵元的最优位置，优化问题P为进一步地，所述步骤S4包括：构建膜结构和膜运算规则，所述膜结构包括两个并行的子系统；相邻膜之间的空隙为区域，每个区域内包含对象集，各个区域中的对象按照各自的进化规则进化；所述膜运算规则包括进化规则和交流规则，所述进化规则包含选择、交叉和变异规则；基于所述膜结构和膜运算规则求解所述优化问题：S41、初始化膜的数目、对象集的大小、每个对象的规膜及最大迭代次数；对2L个膜内的对象随机赋值；各个膜的对象集为其中，random(·)用于产生范围(0,D-Da-Dg]内的随机数，在初始化阶段，产生K个随机对象，构成对象集，分别输入到膜m1,m2,...,m2L中；S42、2L个膜内对象根据所述进化规则并行地进化，每个膜中的对象根据其对应的目标函数值大小进行排序，将较小的α％对象替换外层膜中目标函数值较大的α％对象，直到表层膜中的对象完成替换，将表层膜中的对象通过所述交叉规则进化后，并利用所述选择规则选择表层膜中50％的对象分别输入到基本膜mL和m2L中，以进行下一次进化；膜内区域对象的进化规则包含选择、交叉、变异规则，相邻区域之间采用交流规则进行交流，系统的规则集为{Rl＝{rlSelect＞rlCommunication＞rlCrossover＞rlMutation}其中，rlSelect、rlCommunication、rlCrossover、rlMutation分别表示选择、交流、交叉和变异规则；选择规则表示为其中，Sl表示膜内第l个对象，fl表示Sl对应的目标函数值；若新的目标函数值flnew比fl小，则替换原对象Sl，否则保持原对象不变；交叉规则为其中，q＝1,2,...N表示断点位置，c＝1,2,...,K，对Sk和Sc，生成断点值q，将Sk和Sc在q处割开，再分别将两个对象在q点之后的数据交换，形成两个新的对象S'k和S'c；变异规则为其中，pe表示预设的改写概率，η表示随机变量，pk∈(0,1)表示对应每一个对象的随机数，当pk≤pe时，随机变量η替换sk,q，否则保持sk,q不变；遍历对象的所有元素，得到新的对象S'k；交流规则为将内层膜中目标函数值较小的α％对象与外层膜中目标函数值较大的α％对象进行替换交流，表示为riCommunication:[amin1,amin2,…,aminX]l→[]lamin1,amin2,…,aminX其中，X表示交流的规膜，为膜内对象总数的α％；S43、判断是否满足预设终止条件，若不满足，回到所述步骤S42；若满足，进入步骤S44；S44、在表层膜中根据所述选择规则选出最优解，输出到外部环境，得到阵元的最优位置。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，针对SLA布阵问题，本专利技术建立SLA发射信号模型，以天线方向图的峰值旁瓣电平作为优化标准建立目标函数，考虑布阵中的实际情况，加入天线最小间距约束与地理约束，保证了观测空域内所有的扫描角度峰值旁瓣电平都优化到最低；相对于原有的求解稀疏线性阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、稀疏布阵的相控阵雷达包含N个天线阵元信号，建立接收信号模型；S2、建立目标函数；S3、加入阵元最小间距约束和地理约束，满足所述最小间距约束和地理约束的同时，最小化所述目标函数，建立优化问题；S4、求解所述优化问题，得到阵元的最优位置。

【技术特征摘要】
1.一种地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、稀疏布阵的相控阵雷达包含N个天线阵元信号，建立接收信号模型；S2、建立目标函数；S3、加入阵元最小间距约束和地理约束，满足所述最小间距约束和地理约束的同时，最小化所述目标函数，建立优化问题；S4、求解所述优化问题，得到阵元的最优位置。2.如权利要求1所述的地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，其特征在于，所述步骤S1包括：有N个阵元的稀疏布阵相控阵雷达，阵元位置分别为d0,d1,…,dN-1，xn(t)为第n个阵元接收到的信号，xn(t)相对于基准信号s(t)有相位偏移表示为其中，n＝1,2,…,N，θ0表示远场的扫描角；令g(θ,t)为基于向量a(θ)表示的联合x1(t),x2(t),…,xN(t)的信号，表示为g(θ,t)＝aH(θ)a(θ0)s(t)其中，(·)H表示共轭转置，a(θ)表示在θ方向上的相位偏移向量，表示为其中，(·)T表示转置；θ方向上的归一化能量分布函数F(θ)为其中，扫描角θ0∈[-π/4,π/4]，方位角θ∈[-π/4,π/4]，|·|表示取模操作；令μ＝sinθ-sinθ0，则3.如权利要求2所述的地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，其特征在于，所述步骤S2包括：以峰值旁瓣电平作为阵列设计准则，峰值旁瓣电平PSL功能上取决于阵元位置d0,d1,...dN-1，表示为PSL(d0,d1,…,dN-1)＝maxF(μSL)其中，μSL表示去掉主瓣对应的角度后剩下的角度值；将等间距地分为μ1,μ2,…,μM，Lm1和Lm2分别表示主瓣对应的最小与最大的角度索引值，去除主瓣元素，即将Lm1和Lm2之间的索引值对应的幅值置零，得到矩阵c其中，表示c的第m个非零元素；优化目标为使内所有角度对应的方向图峰值旁瓣电平最低，建立目标函数f(d0,d1,...,dN-1)＝max(c)。4.如权利要求3所述的地理约束下的稀疏线性阵列优化布阵方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31、计算阵元最小间距约束；由于天线阵元的实际大小限制及阵元间互耦效应的影响，两个天线阵元间的距离不是无穷小，因此在约束条件中相邻阵元的最小间距Δd为di-di-1≥Δd,i＝1,2,…,NDa表示最小间距约束距离之和Da＝(N-1)Δd；S32、计算地理约束；在布阵范围D中的山丘、河流和巨石障碍物的地理约束为dj∈[0,D1]∪[D2,D3]…∪[DQ,D],j＝0,1,…,N-1其中，∪表示或运算，在布阵范围D内若超过Q/2个障碍物，则阵元不能在(D1,D2),(D3,D4),…,(DQ-1,DQ)的范围内布阵；Dg表示地理约束距离之和S33、建立优化问题；稀疏线性阵列优化问题为满足所述最小间距约束和地理约...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓波，干娜，杨婧，赖淦，崔国龙，郭世盛，孔令讲，张天贤，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51