一种稀布同心圆环阵的降维优化算法制造技术

本发明专利技术提供一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，本发明专利技术提供了一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，主要针对传统算法不能直接优化稀布同心圆环阵或计算量大等问题，提出了新的优化方法；包括：(1)初始化阵列参数，建立稀布同心圆环阵和同心圆环阵满阵的参考模型；(2)计算参考圆孔径连续的加权面密度，对优化问题进行降维处理，得到稀布同心圆环阵每环上的阵元数目与环半径的关系；(3)利用余量编码技术，对环半径进行优化；(4)计算代价函数；(5)判断是否达到最大循环次数，若是，则算法结束，若否，重复步骤二至步骤四。本发明专利技术的算法能够有效减少优化布阵问题的计算量，降低峰值旁瓣电平，具有很好的鲁棒性，对实际天线系统的实现有重要意义。

A dimensionality reduction optimization algorithm for concentric annular array of thin cloth

【技术实现步骤摘要】
一种稀布同心圆环阵的降维优化算法
本专利技术涉及一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，属于阵列综合领域。
技术介绍
在雷达、卫星通信和射电天文等领域中，由于等幅的同心圆环阵的方向图具有对称性，使其得到广泛的应用。与均匀阵列综合相比，非均匀的稀布天线阵能够大幅度的降低天线系统的重量和成本，并与同孔径的均匀间隔的满阵有几乎相等的主瓣宽度，因而得到广泛应用。然而由于阵元的位置和阵因子之间的复杂的非线性关系，使得阵元位置的优化设计一直是稀布天线阵列综合研究的难点问题。天线的峰值旁瓣电平(PSLL)是评价天线性能的一个重要参数，目前经典的用于降低等幅加权下非均匀阵列的PSLL的综合方法，有Keizer提出的IFT、Bucci提出的DA等确定性算法以及GA等随机搜索算法。但是这些算法都有各自的缺陷，例如IFT只能处理的栅格约束的阵列，不能直接优化同心圆环阵，而GA等随机搜索算法的计算量随着阵元数目的增多而呈指数增加。目前对等幅加权同心圆环阵研究的方法研究较少，能具有工程实用性的更珍贵。针对上面问题，本专利技术首先建立了连续加权面密度的概念，在幅度照射分布函数具有旋转对称性的条件下，可将二维优化问题降到一维进行处理，可直接计算出每环上的阵元数目，同时又能够保证综合的阵列满足总阵元数目的约束；其次与全局搜索算法不同，这里采用一种新的随机搜索技术用来寻找最优的环半径，既可以满足孔径尺寸的约束，又可以满足最小阵元间距。由于最小阵元间距设为半波长，阵元间的互耦可以被忽略。仿真结果表明本专利技术提出的混合稀布算法能够有效降低PSLL，大大简化优化过程，灵活处理不同孔径约束下的稀布同心圆环阵。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了针对传统稀布同心圆环阵优化布阵计算量大，模型复杂性高，优化结果是局部最优或次优等问题而提供一种稀布同心圆环阵的降维优化算法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤如下：步骤一：初始化阵列参数，建立稀布同心圆环阵和同心圆环阵满阵的参考模型；步骤二：根据得到参考模型计算参考圆孔径连续的加权面密度，对优化问题进行降维处理，得到稀布同心圆环阵每环上的阵元数目与环半径的关系；步骤三：利用余量编码技术，对稀布同心圆环阵的环半径进行优化；步骤四：计算代价函数；步骤五：判断是否达到最大循环次数，若是，则算法结束，若否，重复步骤二至步骤四。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.步骤一具体是：给定一个稀布同心圆环阵，从阵列中心到边缘共有个同心圆环，每环半径为相应环上的阵元个数为Nn，且每环的起始阵元都在x轴上，则该阵列的阵因子为：式中：k表示波数，k＝2π/λ，λ表示阵列工作波长；θ表示仰角；表示方位角；表示第n个同心圆环上第m个阵元与阵列中心的连线相对于x轴的夹角，对同心圆环阵满阵进行建模，设其总环数为Nr，最小阵元间距为d，则每环的环半径与阵元数为：式中：r'n表示第n环的半径；表示向下取整；N'n表示第n环的阵元数；则当同心圆环阵满阵的中心处有一个阵元时，同心圆环阵满阵时总的阵元数NTOT为：2.步骤二具体是：在极坐标下，半径为R的连续圆孔径的幅度照射分布为令孔径中心位于坐标原点，若该圆孔径的幅度照射分布具有旋转对称性，即时，孔径R内的连续型加权面密度为：式中：0＜r≤R且当r＝0时，ρ(0)＝1；同时，均匀加权平面稀布阵的非归一化离散加权密度为：式中：rn代表稀布阵的第n个圆环，SNn是从阵列中心到第n个圆环的累积阵元数；在加权面密度优化准则下，令稀布阵的离散加权面密度与对应阵元位置处的参考连续型加权面密度成比例，即：ρd(rn)≈χρ(rn)式中：χ＝αNTOT/(πR2)，这里α是调整系数，用来满足总阵元数目的约束；因此，SNn为：由此，可得到稀布同心圆环阵第n环的阵元数Nn为：Nn＝SNn-SNn-1式中：n＝1时，SN0＝1。3.步骤三具体为：优化后的稀布同心圆环阵的环半径满足：式中：是一组环半径矢量，是常量部分，是可变部分，且d为最小阵元间距；在余量编码的过程中，对可变部分ΔR进行整数编码：式中：IMX是编码中出现的最大正整数；定义有M组环半径矢量，即△Rm＝(Im/IMX)·R(1≤m≤M)，得到M组整数编码为：式中，为了获得每次迭代中的整数编码，定义W空间：式中：I1表示M组编码中，对应阵列方向图的PSLL最低的一个编码，即最优编码。4.步骤四的代价函数Ff为：式中：AFmax表示阵因子模的最大值；θmin表示阵因子的第一零陷。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的核心
技术实现思路
在于提出一种混合的稀布算法，利用参考圆孔径的连续加权面密度与余量编码技术，将传统的等幅加权同心圆环阵的二维优化问题降为一维优化问题，提高了算法的搜索效率，大大减少了优化布阵过程的计算量和复杂性，同时能够灵活的处理具有多种约束的阵列结构，实现了对等幅加权同心圆环阵列峰值旁瓣电平的性能提高。本专利技术提供的方法通过仿真验证了本专利技术提出的混合算法能够有效减少优化布阵问题的计算量，降低峰值旁瓣电平，具有很好的鲁棒性，对实际天线系统的实现有重要意义。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是同心圆环阵示意图；图3(a)、图3(b)分别是本专利技术仿真实验中对孔径为4.98λ的阵列优化后的阵列结构与平面的二维方向图；图4是本专利技术仿真实验中对孔径为4.98λ的阵列综合时算法的收敛图；图5(a)、图5(b)分别是本专利技术仿真实验中对孔径为4.70λ的阵列优化后的阵列结构与平面的二维方向图；图6(a)、图6(b)分别是本专利技术仿真实验中对参考孔径为4.50λ的满阵阵列优化后的阵列结构与平面的二维方向图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。参照图1，本专利技术实现步骤如下：步骤一：初始化阵列参数，建立稀布同心圆环阵和同心圆环满阵的参考模型；本专利技术考虑一个稀布的同心圆环阵，参照图2，假设从阵列中心到边缘共有个同心圆环，每环半径为相应环上的阵元个数为Nn，且每环的起始阵元都在x轴上，则该阵列的阵因子可记为式中：k表示波数，k＝2π/λ，λ表示阵列工作波长；θ表示仰角；表示方位角；表示第n个同心圆环上第m个阵元与阵列中心的连线相对于x轴的夹角，为了计算参考圆孔径连续加权面密度，对均匀加权满阵进行建模，设其总环数为Nr，最小阵元间距为d，则每环的环半径与阵元数可表示为式中：r'n表示第n环的半径；表示向下取整；N'n表示第n环的阵元数。由此可得，当阵列中心处有一个阵元时，满阵时总的阵元数NTOT为步骤二：计算参考圆孔径连续的加权面密度，对优化问题进行降维处理，得到稀布同心圆环阵每环上的阵元数目与环半径的关系；在极坐标下，半径为R的连续圆孔径的幅度照射分布为令孔径中心位于坐标原点，若该圆孔径的幅度照射分布具有旋转对称性，即时，孔径R内的连续型加权面密度为式中：0＜r≤R且当r＝0时，ρ(0)＝1。同时，均匀加权平面稀布阵的非归一化离散加权密度可以记为式中：rn代表稀布阵的第n个圆环，SNn是从阵列中心到第n个圆环的累积阵元数。在加权面密度优化准则下，令稀布阵的离散加权面密度与对应阵元位置处的参考连续型加权面密度成比例，即ρd(rn)≈χρ(rn)(6)式中：χ＝αNTOT/(πR2)，这里α是调整系数，用来满足总阵元数目的约束。因此，SNn可以表示为由此，可得到第n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，其特征在于：步骤如下：步骤一：初始化阵列参数，建立稀布同心圆环阵和同心圆环阵满阵的参考模型；步骤二：根据得到参考模型计算参考圆孔径连续的加权面密度，对优化问题进行降维处理，得到稀布同心圆环阵每环上的阵元数目与环半径的关系；步骤三：利用余量编码技术，对稀布同心圆环阵的环半径进行优化；步骤四：计算代价函数；步骤五：判断是否达到最大循环次数，若是，则算法结束，若否，重复步骤二至步骤四。

【技术特征摘要】
1.一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，其特征在于：步骤如下：步骤一：初始化阵列参数，建立稀布同心圆环阵和同心圆环阵满阵的参考模型；步骤二：根据得到参考模型计算参考圆孔径连续的加权面密度，对优化问题进行降维处理，得到稀布同心圆环阵每环上的阵元数目与环半径的关系；步骤三：利用余量编码技术，对稀布同心圆环阵的环半径进行优化；步骤四：计算代价函数；步骤五：判断是否达到最大循环次数，若是，则算法结束，若否，重复步骤二至步骤四。2.根据权利要求1所述的一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，其特征在于：步骤一具体是：给定一个稀布同心圆环阵，从阵列中心到边缘共有个同心圆环，每环半径为相应环上的阵元个数为Nn，且每环的起始阵元都在x轴上，则该阵列的阵因子为：式中：k表示波数，k＝2π/λ，λ表示阵列工作波长；θ表示仰角；表示方位角；表示第n个同心圆环上第m个阵元与阵列中心的连线相对于x轴的夹角，对同心圆环阵满阵进行建模，设其总环数为Nr，最小阵元间距为d，则每环的环半径与阵元数为：式中：rn'表示第n环的半径；表示向下取整；N'n表示第n环的阵元数；则当同心圆环阵满阵的中心处有一个阵元时，同心圆环阵满阵时总的阵元数NTOT为：3.根据权利要求2所述的一种稀布同心圆环阵的降维优化算法，其特征在于：步骤二具体是：在极坐标下，半径为R的连续圆孔径的幅度照射分布为令孔径中心位于坐标原点，若该圆孔径的幅度照射分布具有旋转对称性，即时，孔径R内的连续型加权面密度为：

【专利技术属性】
技术研发人员：国强，陈春伶，蒋毅，滕龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23