一种用于不规则子阵排列的四维天线阵联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种不规则子阵排列的四维天线阵联合优化算法，将信息熵的定义引入到四维阵中，把原本复杂的优化问题划分为两个子问题，然后分成两步进行优化，第一步采用基于信息熵的遗传算法，根据子阵排布算法优化出信息熵值最大的阵列拓扑结构，第二步，根据低边带和低副瓣的要求，利用差分进化算法优化子阵的每个子阵的静态激励相位，开关闭合持续时间，开关闭合起始时刻等信息，从而使得整个优化问题能够更高效的求解。本发明专利技术的最大创新性在于挖掘了原优化问题的本质特性，联合基于信息熵的遗传算法和差分进化算法进行优化，降低了原优化问题的复杂度，在节省了一半T/R组件的同时，保证了大角度扫描下的低副瓣低边带特性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于不规则子阵排列的四维天线阵联合优化方法
本专利技术属于天线
，涉及到基于不规则子阵的四维天线阵综合，具体来说是利用一种联合优化方法高效地综合四维天线阵。此联合算法主要采用了信息熵的原理，将四维天线阵综合分为两个步骤，先利用遗传算法优化出不规则阵列的拓扑结构，再按需综合出目标方向图。
技术介绍
相控阵天线因能够实现通过改变相位以达到波束扫描的目的，在雷达和通信领域中得到了广泛的应用，但同时由于每个单元都需要连接一个移相器和T/R组件，大大增加了天线制造成本，同时常规相控阵的幅度相位加权手段很难满足天线阵低副瓣的需求，限制了天线的应用范围。提出于二十世纪六十年代兴起于二十一世纪初的四维天线阵的概念，通过引入时间作为新的一维自由度来设计天线，利用时间加权等效的实现幅度和相位的加权，既能控制和改善天线阵的辐射特性，又能在均匀的静态激励幅度之下设计窄波束、低副瓣和各种赋形波束，这必将大大的简化对馈电网络的要求，因此把四维天线的思想引入传统天线阵中将十分有利于对天线阵馈电网络的设计，同时对天线结构加工精度，馈电网络的馈电精度和容差的需求大大减小，具有极大的设计灵活性。上世纪六七十年代，国外开始研究稀疏阵列天线，通过优化算法，可以使用较少的阵元数目通过不同的排列方式，实现较窄的波束及方向图扫描。但采用优化算法计算的阵列，一般阵元位置很不规则，阵元的加工和排列是非常棘手的问题。虽然周期性的大单元间距的阵列可以解决上述排列和加工的问题，但是由于单元的间距增大，引起阵列的副瓣电平升高，甚至出现栅瓣，限制阵列只能扫描很小的角度。从天线阵的基本原理来考虑，阵列排布的周期性是导致产生方向图栅瓣的主要原因，因此如何打破阵列的周期性就成为抑制栅瓣的主要思路，R.J.Mailloux，AndreaMassa等人提出了采用不规则子阵的方法来打破阵列的周期性,但由于优化问题过于复杂，他们的方案只能实现一维扫描，在工程上适用性较差。专利号为CN107230843A的专利中采用了类似的方案，实现了二维扫描，但是扫描性能不强，两个单元组成的子阵在20×20的阵面下以0.7个波长间距布阵，只能实现±20°的二维扫描，该方案还没有完全发挥不规则子阵的扫描优势，在工程上适用性较差。
技术实现思路
鉴于上述技术背景，本专利技术提出了一种不规则子阵排列的四维天线阵联合优化算法，目的在于相比于已经存在的优化技术，本专利技术的提出的方法能够更加快速、更加有效的综合大型不规则四维阵。本专利技术所提出的联合方法主要针对脉冲相移时序的不规则四维阵，根据此时序下不规则四维阵的特点，整个联合优化过程可分为两步。第一步，根据信息熵的原理，利用遗传算法优化出不规则阵列的拓扑结构；第二步，在第一步的基础上，根据已知的拓扑结构，利用差分进化算法优化每个子阵的静态激励幅度，静态激励相位，开关闭合持续时间，开关闭合起始时刻来抑制副瓣电平和边带电平。本专利技术具有以下内容：为了定义不规则子阵排布的混乱程度，我们引入信息熵的概念。假设X为一个随机变量，n表示共有n个可能的输出，P(X)表示输出概率函数。因此X的信息熵为：H(X)＝E[-logb(P(X))](1)如果将b设为2，可以将(1)式改写成考虑由一个M×N的不规则阵列，仅考虑不规则子阵由两个阵列单元组成日字形的子阵，多个单元的情况类似，子阵的相位中心为其重心，天线阵由多个子阵排列组成，为了描述简单假设阵列单元为一个正方形网格，阵元的间距均为d，那么阵列的信息熵为其中，ri表示第i列共有ri个子阵的相位重心，cj表示第j列共有cj个子阵的相位重心，T表示是阵列的子阵数,对于两个阵列单元组成的子阵来说就是MN/2个子阵。不规则四维阵中每个子阵接一个高速的射频开关，开关函数为Uij(t)。则此时序形式的远场分布为：i∈{0.5,1,1.5...M-0.5},j∈{0.5,1,1.5...N-0.5}其中表示四维阵的单元方向图；表示二元子阵的阵因子方向图；Iij表示阵列的静态激励幅度；αij表示阵列的静态激励相位；β表示波数，(xi,yj)表示平面直角坐标系下子阵中心的坐标；G表示所有子阵中心坐标的集合。此不规则四维天线阵工作在中心频率f0，开关的时间调制周期Tp，时间调制频率fp＝1/Tp。具有脉冲相移时间调制方式的开关函数Uij(t)表示为：tij表示控制单元的开关闭合起始时刻，τij表示控制单元的开关闭合持续时间。根据信号与系统理论，开关的周期性函数的时域表达式可以通过傅里叶级数在频域展开：带入(4)(5)式得远场的第k次谐波的表达式为：因此，整个联合优化过程可分为两步。第一步，利用信息熵的原理和遗传算法对不规则子阵排布方式进行优化，其中优化变量仅有整数，以找出满足下列优化问题的解。第二步，把第一步求解得的阵列排布方式当作已知，利用差分进化算法优化非整数变量，即开关闭合起始时刻，开关闭合时间，开关闭合持续时间和静态激励相位，来抑制边带和副瓣电平。即找出满足下列问题的解W。其中Θsidelobe表示中心频率下归一化场分布的副瓣区域，tij表示开关闭合起始时刻，τij表示开关闭合时间，αij表示静态激励相位。本专利技术的创新性在于开发了一种联合优化算法对不规则子阵形式的四维天线阵低副瓣、低边带方向图进行了快速高效的综合。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.通过对中心频率处和边带处场的约束条件合理分析，采取分步处理的方法，把一个原本十分复杂的综合问题分解成两个相对简单的综合问题，在不失问题一般性的前提下减小了综合的难度。2.采用不规则子阵的形式在减少了一半T/R组件的条件下，仍能够保证天线阵列具有低副瓣，低旁瓣，高增益的特性，节约了成本，降低了馈电复杂度。3.天线单元仍然周期性的排布在阵面上，没有破坏天线阵列的一致性，使得天线阵列更易于批量化生产和加工。4.本方案能够最大程度的发挥不规则子阵的扫描优势，在大阵列环境下可以实现±65°的二维扫描°。附图说明图1为不规则子阵的四维阵列结构图。图2为示例一中不规则子阵阵列排布图(M×N＝16×16)。图3为示例一中在相控阵体制下侧射时归一化三维方向图。图4为示例一中在相控阵体制下侧射时静态幅度激励分布图。图5为示例一中在相控阵体制下扫描俯仰面30时度归一化三维方向图。图6为示例一中在相控阵体制下扫描俯仰面30度静态幅度激励分布图。图7为示例一中在相控阵体制下扫描俯仰面30度静态相位激励分布图图8为示例一中在相控阵体制下扫描方位面30度时归一化三维方向图。图9为示例一中在相控阵体制下扫描方位面30度时静态幅度激励分布图。图10为示例一中在相控阵体制下扫描方位面30度时静态相位激励分布图图11为示例一中在四维阵体制下侧射时中心频率归一化三维方向图。图12为示例一中在四维阵体制下侧射时第一边带频率归一化三维方向图。图13为示例一中在四维阵体制下侧射时部分开关时序图。图14为示例一中在四维阵体制下扫描D面45度中心频率三维方向图。图15为示例一中在四维阵体制下扫描D面45度第一边带三维方向图。图16为示例一中在四维阵体制下扫描D面45度时静态幅度激励分布图。图17为示例一中在四维阵体制下扫描D面45度时部分开关时序图。图18为示例二中不规则子阵阵列排布图(M×N＝36×36)。图19为示例二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于不规则子阵排列的四维天线阵联合优化算法，其特征在于，将信息熵的定义引入到四维阵中，把原本复杂的优化问题划分为两个子问题，然后分成两步进行优化，第一步采用基于信息熵的遗传算法，优化出信息熵值最大的阵列拓扑结构，第二步，把第一步求解得的阵列排布方式当作已知，利用差分进化算法优化非整数变量，即开关闭合起始时刻，开关闭合时间，开关闭合持续时间和静态激励相位，来抑制边带和副瓣电平。

【技术特征摘要】
1.一种用于不规则子阵排列的四维天线阵联合优化算法，其特征在于，将信息熵的定义引入到四维阵中，把原本复杂的优化问题划分为两个子问题，然后分成两步进行优化，第一步采用基于信息熵的遗传算法，优化出信息熵值最大的阵列拓扑结构，第二步，把第一步求解得的阵列排布方式当作已知，利用差分进化算法优化非整数变量，即开关闭合起始时刻，开关闭合时间，开关闭合持续时间和静态激励相位，来抑制边带和副瓣电平。2.根据权利要求1所述的四维天线阵联合优...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，马彦锴，杨锋，陈益凯，屈世伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51