基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法技术

本发明专利技术公开一种基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法，主要解决现有时间调制共形相控阵列方向图综合速度慢，运算量大，稳定性不高，无法用于实时计算平台的问题。其实现步骤是：1.根据系统指标设置目标参数；2.将共形阵列投影至直线上并初始化直线阵列激励；3.使用交替投影算法根据目标参数分步优化直线阵列中心频率和第一边带频率方向图得到阵列最终激励；4.根据阵列最终激励及扫描角度分离时间调制共形相控阵列的静态激励及脉冲工作时序，实现方向图综合。本发明专利技术减少运算量，缩短优化时间，提高稳定性，能实现时间调制共形相控阵列的快速方向图综合，可用于阵列天线的方向图设计。

【技术实现步骤摘要】
基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法
本专利技术属于天线
，涉及阵列天线方向图综合，可用于阵列天线的方向图设计。
技术介绍
对于传统相控阵天线而言，为了实现超低副瓣方向图或复杂形状方向图的波束赋形，往往需要较大的激励幅度动态范围。这种较大的激励幅度动态范围致使工程中对阵列单元馈电精度和各项容差的要求很高，不但会增加馈电网络设计难度，而且会极大地降低阵列辐射效率。为了解决该问题，在阵列设计中引入了时间调制技术。这种时间调制阵列最早提出于20世纪60年代，该技术通过控制连接每个阵列单元的射频开关的导通时间，实现等效的幅度加权。由于时间调制阵列引入了新的设计自由度，将传统相控阵的激励幅度加权转换为时间幅度加权，能够将部分激励幅度域的动态范围转移给时间域，因此可以减小阵列激励幅度的动态范围，进而达到减轻馈电网络设计难度的目的。近年来，由于高速射频开关得到了广泛发展，因此时间调制技术也日益受到人们的重视。目前，时间调制阵列已经在超低副瓣方向图综合、波达方向估计、多波束方向图综合、阵列辐射效率提高等方面得到了广泛地应用。相比于传统相控阵列，时间调制阵列在各次谐波分量处产生边带能量辐射，因此需要考虑边带频率方向图对阵列辐射性能的影响。此外，由于时间调制阵列增加了设计自由度，导致优化变量以及优化目标的增加，这势必会给阵列方向图综合算法带来较大的难度。目前，使用最多的阵列方向图综合算法是进化算法，包括差分进化算法，粒子群算法以及人工蜂群算法等。此类算法虽然具有良好的通用性，能够解决各类阵列方向图综合问题，但其固有缺点是，进化算法是一种随机优化算法，优化得到的解具有很大的随机性，并不能保证每次优化都能收敛到目标解空间。此外，进化算法通常依赖于巨大的种群规模以及较多的循环迭代次数，计算量大，运行速度慢。这些缺点都限制了进化算法在阵列方向图实时综合中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法，以缩短时间调制共形相控阵列方向图综合的时间，提高时间调制共形相控阵列方向图综合结果的稳定性。本专利技术的设计思想是：通过引入交替投影算法，提高阵列方向图的优化速度以及优化结果的稳定性，通过分别综合中心频率方向图以及第一边带频率方向图，实现时间调制阵列快速方向图综合，通过将直线阵列反投影到共形曲面上，实现简单快速综合共形阵列方向图。根据上述设计思想，实现本专利技术目的的技术方案包括如下步骤：(1)根据系统指标要求设置时间调制共形相控阵列TC的目标参数：中心频率f0处的目标辐射场方向图Ed、中心频率f0处的目标辐射场方向图的主瓣波纹系数的动态范围wε、静态激励幅度的动态范围Aε及脉冲持续时间的动态范围τε；(2)将上述时间调制共形相控阵列TC投影到直线上，得到时间调制直线相控阵列TL，对该时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的激励进行赋值，并将赋值后的激励作为时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的初始激励值(3)将时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的激励作为优化变量，将该中心频率f0处的辐射场方向图Ez的最大副瓣电平值Sz及主瓣波纹系数w作为优化目标；使用交替投影算法对所述的辐射场方向图Ez进行优化，得到时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处优化后的激励，并将该激励作为时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的最终激励值(4)对时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的激励进行赋值，并将赋值后的激励作为时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的初始激励值(5)将时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的激励作为优化变量，将该第一边带频率f1处的辐射场方向图Eb的最大副瓣电平值Sb作为优化目标；使用交替投影算法对该第一边带频率f1处的辐射场方向图Eb进行优化，得到时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处优化后的激励，并将该激励作为时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的最终激励值(6)根据时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的最终激励值以及在第一边带频率f1处的最终激励值分离出时间调制直线相控阵列TL的静态激励幅度Al，静态激励相位αl，脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τl；(7)根据时间调制共形相控阵列TC在中心频率f0处的扫描角度θd，对时间调制直线阵列TL的静态激励相位αl进行修正，并将修正后的静态激励相位作为时间调制共形相控阵列TC的静态激励相位αc；(8)根据时间调制直线相控阵列TL的静态激励幅度Al、脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τl，得到时间调制共形相控阵列TC的静态激励幅度Ac、脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τc，完成时间调制共形相控阵列TC的方向图综合。本专利技术与现有的技术相比，具有以下优点：1)与基于时间调制共形相控阵列的传统方向图综合方法相比，本专利技术采用交替投影算法对中心频率方向图和第一边带频率方向图进行相对独立地优化，降低了优化目标难度，并且由于快速傅里叶变换对的高效性，缩短了时间调制共形相控阵列方向图综合的时间。2)与基于时间调制共形相控阵列的传统方向图综合方法相比，本专利技术采用交替投影算法对中心频率方向图和第一边带频率方向图进行相对独立地优化，且该优化过程中并未引入任何随机变量，只要阵列初始激励、目标方向图的上下界以及最大循环次数一定，得到的优化结果是唯一确定的，提高了时间调制共形相控阵列方向图综合结果的稳定性。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术的第一实施例静态激励幅度分布结果图；图3是本专利技术的第一实施例静态激励相位分布结果图；图4是本专利技术的第一实施例脉冲工作时序结果图；图5是本专利技术的第一实施例中心频率功率方向图；图6是本专利技术的第一实施例第一边带频率功率方向图；图7是本专利技术的第二实施例静态激励幅度分布结果图；图8是本专利技术的第二实施例静态激励相位分布结果图；图9是本专利技术的第二实施例脉冲工作时序结果图；图10是本专利技术的第二实施例中心频率功率方向图；图11是本专利技术的第二实施例第一边带频率功率方向图。具体实施方式为使本专利技术的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术的实现流程图和具体实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。天线，作为现代无线系通过的重要组成部分，被喻为系统的“眼睛”和“耳朵”，是实现信息传输的关键器件。随着通信与雷达技术的发展，各种电子系统对天线系统提出了越来越苛刻的要求，如：高增益、宽频带、低/超低副瓣、波束赋形等。为了实现这些要求，除选用特定的天线结构外，通常将单个天线通过一定方式排列，组成天线阵以满足苛刻的指标要求。阵列天线的理论体系发展到今天已经相当完整，相应的设计方法也相当成熟。但采用传统理论来设计新一代的电子通信系统时，常常会遇到诸多工程实现上的难点，如：为实现低/超低副瓣方向图，阵列激励幅度的动态范围往往很大，造成馈电网络设计的不便甚至不可实现；为了实现波束扫描或波束赋形，往往需要借助大量的移相器，如何在有限的空间中排列众多的电子元件并对该电子元件进行有效地校准是非常困难的问题；为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据系统指标要求设置时间调制共形相控阵列TC的目标参数：中心频率f0处的目标辐射场方向图Ed、中心频率f0处的目标辐射场方向图的主瓣波纹系数的动态范围wε、静态激励幅度的动态范围Aε及脉冲持续时间的动态范围τε；(2)将上述时间调制共形相控阵列TC投影到直线上，得到时间调制直线相控阵列TL，对该时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的激励进行赋值，并将赋值后的激励作为时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的初始激励值(3)将时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的激励作为优化变量，将该中心频率f0处的辐射场方向图Ez的最大副瓣电平值Sz及主瓣波纹系数w作为优化目标；使用交替投影算法对所述的辐射场方向图Ez进行优化，得到时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处优化后的激励，并将该激励作为时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的最终激励值(4)对时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的激励进行赋值，并将赋值后的激励作为时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的初始激励值(5)将时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的激励作为优化变量，将该第一边带频率f1处的辐射场方向图Eb的最大副瓣电平值Sb作为优化目标；使用交替投影算法对该第一边带频率f1处的辐射场方向图Eb进行优化，得到时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处优化后的激励，并将该激励作为时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的最终激励值(6)根据时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的最终激励值以及在第一边带频率f1处的最终激励值分离出时间调制直线相控阵列TL的静态激励幅度Al，静态激励相位αl，脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τl；(7)根据时间调制共形相控阵列TC在中心频率f0处的扫描角度θd，对时间调制直线阵列TL的静态激励相位αl进行修正，并将修正后的静态激励相位作为时间调制共形相控阵列TC的静态激励相位αc；(8)根据时间调制直线相控阵列TL的静态激励幅度Al、脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τl，得到时间调制共形相控阵列TC的静态激励幅度Ac、脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τc，完成时间调制共形相控阵列TC的方向图综合。...

【技术特征摘要】
1.一种基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据系统指标要求设置时间调制共形相控阵列TC的目标参数：中心频率f0处的目标辐射场方向图Ed、中心频率f0处的目标辐射场方向图的主瓣波纹系数的动态范围wε、静态激励幅度的动态范围Aε及脉冲持续时间的动态范围τε；(2)将上述时间调制共形相控阵列TC投影到直线上，即将时间调制共形相控阵列TC的所有阵元平移到一条直线上，得到时间调制直线相控阵列TL，对该时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的激励进行赋值，并将赋值后的激励作为时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的初始激励值(3)将时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的激励作为优化变量，将该中心频率f0处的辐射场方向图Ez的最大副瓣电平值Sz及主瓣波纹系数w作为优化目标；使用交替投影算法对所述的辐射场方向图Ez进行优化，得到时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处优化后的激励，并将该激励作为时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的最终激励值(4)对时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的激励进行赋值，并将赋值后的激励作为时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的初始激励值(5)将时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的激励作为优化变量，将该第一边带频率f1处的辐射场方向图Eb的最大副瓣电平值Sb作为优化目标；使用交替投影算法对该第一边带频率f1处的辐射场方向图Eb进行优化，得到时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处优化后的激励，并将该激励作为时间调制直线相控阵列TL在第一边带频率f1处的最终激励值(6)根据时间调制直线相控阵列TL在中心频率f0处的最终激励值以及在第一边带频率f1处的最终激励值分离出时间调制直线相控阵列TL的静态激励幅度Al，静态激励相位αl，脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τl；(7)根据时间调制共形相控阵列TC在中心频率f0处的扫描角度θd，对时间调制直线阵列TL的静态激励相位αl进行修正，并将修正后的静态激励相位作为时间调制共形相控阵列TC的静态激励相位αc；(8)根据时间调制直线相控阵列TL的静态激励幅度Al、脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τl，得到时间调制共形相控阵列TC的静态激励幅度Ac、脉冲起始时刻以及脉冲持续时间τc，完成时间调制共形相控阵列TC的方向图综合。2.根据权利要求1所述的基于时间调制共形相控阵列的快速方向图综合方法，其中所述步骤(3)中用交替投影算法对优化变量进行优化，包括如下步骤：(3a)确定最大循环次数MG、傅里叶变换点数K、目标辐射场方向图的上界下界以及激励模值的最大值最小值(3b)对阵列初始激励值执行K点快速傅里叶逆变换操作，得到阵列辐射场方向图Ez；(3c)对辐射场方向图Ez中大于目标辐射场方向图上界的区域以及小于目标辐射场方向图下界的区域进行修正，得到修正后的辐射场方向图式中，表示正向投影算子；(3d)对修正后的阵列辐射场方向图执行K点快速傅里叶变换操作，并取其结果的前M个值作为阵列中间激励值其中an表示阵列第n个阵元的中间激励值，n＝1,2,...,M，M为阵列单元数且满足M＜＜K；(3e)对阵元中间激励值an进行修正，得到第n个阵元的最终激励值bn：(3f)根据阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文涛，杨京，黑永强，花丹，刘淑芳，史小卫，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61