一种模块化平面阵列稀疏优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模块化平面阵列稀疏优化方法及系统，属于阵列天线设计领域，包括以下步骤：S1：模块化操作；S2：初始优化参数；S3：优化计算。本发明专利技术在应用于大型平面阵列天线稀疏优化时具有高效性，在稀疏度低于2％的情况下，副瓣电平可以达到‑20dB以下，阵元两两之间最小距离小于期望值，可提高阵列辐射性能；采用模块化操作将目标平面划分成多个模块，各模块形状与尺寸统一有利于降低后期加工成本；适用于大型雷达系统和射电天文系统，可大幅度降低系统的重量与成本，提高工程可实现性，值得被推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化平面阵列稀疏优化方法及系统
本专利技术涉及阵列天线设计
，具体涉及一种模块化平面阵列稀疏优化方法及系统。
技术介绍
现代雷达为了提高雷达的观测距离和分辨率，对天线阵列的规模要求越来越大，很多大型雷达的单元数量都达到万以上的量级。射电天文领域为了获得更大的视野和更灵活的工作模式，也开始从传统的大型发射面天线向超大规模平面阵列转型。但是每个单元都是一个天线单元和有源通道组件，超大规模阵列会导致整个雷达系统的成本高昂，阵列的稀疏设计则是有效降低大规模雷达的阵元数量和成本的有效方法。现有的稀疏阵列优化方案，所有阵元可随机排布于目标区域内任意位置，优化算法根据交叉和变异获得新个体后需判断阵元间最小间距是否满足距离限制条件，当限制距离较大时该判断过程耗费时间多，优化效率低。尽管该方案的阵元位置排布自由度大，但操作难度也很大；当阵元间距较大时，优化结果易陷入局部最优解，不易获得全局最优解。此外，为了满足系统对副瓣的要求，目前稀疏阵列的结果单元位置是随机性毫无规律的，对于超大规模阵列不具备工程实现的可能。上述问题亟待解决，为此，提出一种模块化平面阵列稀疏优化方法及系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：如何提高存在间距限制条件下的稀疏阵列优化效率，同时增加大规模稀疏阵列的工程实现性，提供了一种模块化平面阵列稀疏优化方法。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：S1：模块化操作将目标区域划分成统一形状、尺寸的模块，输出所有模块的位置信息；S2：初始优化参数确定表征所有阵元位置信息的具体参数，生成初始值；S3：优化计算构建适用于多目标优化问题的适应度函数，将初始值和适应度函数代入优化方法中进行计算。更进一步地，在所述步骤S1中，模块化操作的具体过程如下：S11：在目标区域所在平面上建立坐标系，设置x轴和y轴；S12：设置模块的形状和尺寸；S13：将目标平面划分成步骤S2中形状和尺寸的模块，获得各模块的中心位置信息；S14：确定模块总数N，输出每个模块的位置信息。更进一步地，在所述步骤S12中，模块形状具有可拼接性，拼接后相邻模块间无缝隙且不重合。更进一步地，在所述步骤S2中，初始优化参数的具体过程如下：S21：确定模块编号将所有模块编号，待优化阵元数量为Na，每个阵元放置在一个模块中，对应优化参数为Na个模块的编号；S22：确定模块位置信息根据模块内阵元排布规律确定影响阵元相对模块中心的位置参数；S23：生成初始值随机生成一组阵元的模块编号和模块位置信息。更进一步地，在所述步骤S21中，每个模块与一个阵元对应，阵元的Na个编号均不相同，每个编号均为小于N的正整数。更进一步地，在所述步骤S22中，模块形状为矩形，阵元排布规律为当阵元排布在模块内的圆环上，圆环圆心位于模块中心且半径为定值，阵元的位置通过阵元、圆心之间的连线与x轴的夹角确定，夹角为待优化参数。更进一步地，在所述步骤S23中，所述初始值需满足所有阵元两两之间最小距离大于最小间距；如不满足，则重新生成直到满足条件为止。更进一步地，在所述步骤S3中，优化方法为遗传算法，优化计算的具体过程如下：S31：对于新产生的个体，根据待优化参数和模块内阵元排布规律获得种群中个体的阵元排布位置；S32：根据阵元位置和待优化扫描状态，计算扫描状态下单个或多个切面的方向图副瓣；S33：设定目标副瓣与优化系数，构建适应度函数；S34：将初始值和适应度函数代入遗传算法中，进行优化设置，当达到优化次数过程结束，当所有扫描状态的副瓣均小于目标副瓣，保存参数。更进一步地，在所述步骤S33中，目标副瓣为g，优化系数为α1,α2,…,αn,α，适应度函数fitness表达式如下：fitness＝α1f1+α2f2+...+αnfn+αfa其中f1,f2,…,fn为各扫描状态的独立适应值，计算公式为：其中，pslli为各扫描状态下方向图的副瓣；fa为联动适应值，计算公式为：其中，psllmax为各扫描状态下方向图副瓣的最大值。本专利技术还提供了一种模块化平面阵列稀疏优化系统，包括：模块化操作模块，用于将目标区域划分成统一形状、尺寸的模块，输出所有模块的位置信息；初始优化参数模块，用于确定表征所有阵元位置信息的具体参数，生成初始值；优化计算模块，用于构建适用于多目标优化问题的适应度函数，将初始值和适应度函数代入优化方法中进行计算；控制处理模块，用于向各模块发出指令，完成相关动作；所述模块化操作模块、所述初始优化参数模块、所述优化计算模块均与所述控制处理模块电连接。本专利技术相比现有技术具有以下优点：1.本专利技术应用于雷达系统时，对天线阵列进行稀疏化设计，大幅度减少了阵元数，降低了雷达成本；同时本专利技术对目标区域进行了模块化操作，将阵面划分为形状和尺寸统一的模块，有利于后期天线阵面加工制造和架设，降低了加工成本；2.本专利技术将阵元放置于模块中且每个模块内部仅放置一个阵元，一定程度上提高稀疏阵列中阵元的均匀度，避免小范围内同时放置多个阵元；通过改变模块尺寸实现灵活调整阵元间距，进而调节阵元间的互耦，有助于改善阵列天线的辐射性能；阵元按一定规律放置于模块中不同位置可有效避免阵列方向图出现栅瓣，在提高优化自由度的同时简化了优化参数；3.本专利技术构建了适用于多扫描状态的适应度函数，以目标副瓣为参考设置了独立适应值和联动适应值，提高了阵列天线方向图副瓣的优化效率；4.本专利技术实现了一种模块化平面阵列稀疏优化方法，该方法优化效率高，在降低天线阵列成本的同时实现多扫描状态辐射性能优化，为复杂形状平面阵列天线稀疏优化提供新途径；由该方法获得的阵列方向图主瓣增益高、雷达作用距离远，副瓣水平低、分辨率高、抗干扰能力强；本专利技术可应用于大型雷达系统和射电天文系统，有助于实现系统的低成本与轻量化，提高了工程可实现性。附图说明图1是本专利技术实施例一中模块化平面阵列稀疏优化方法的流程示意图；图2a是本专利技术实施例二中圆口径阵列天线的阵元位置示意图(图中黑点为阵元)；图2b是图2a中H处的放大图(图中黑点为阵元)；图3是本专利技术实施例二中经过优化获得的法向切面方向图；图4是本专利技术实施例二中经过优化获得的法向切面方向图；图5a是本专利技术实施例三中椭圆口径阵列天线的阵元位置示意图(图中黑点为阵元)；图5b是图5a中K处的放大图(图中黑点为阵元)；图6是本专利技术实施例三中经过优化获得的法向切面方向图；图7是本专利技术实施例三中经过优化获得的切面扫描30°方向图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：模块化操作/n将目标区域划分成相同形状、尺寸的模块，输出所有模块的位置信息；/nS2：初始优化参数/n确定表征所有阵元位置信息的具体参数，生成初始值；/nS3：优化计算/n构建适用于多目标优化问题的适应度函数，将初始值和适应度函数代入优化方法中进行计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：模块化操作
将目标区域划分成相同形状、尺寸的模块，输出所有模块的位置信息；
S2：初始优化参数
确定表征所有阵元位置信息的具体参数，生成初始值；
S3：优化计算
构建适用于多目标优化问题的适应度函数，将初始值和适应度函数代入优化方法中进行计算。


2.根据权利要求1所述的一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于：在所述步骤S1中，模块化操作的具体过程如下：
S11：在目标区域所在平面上建立坐标系，设置x轴和y轴；
S12：设置模块的形状和尺寸；
S13：将目标平面划分成步骤S2中形状和尺寸的模块，获得各模块的中心位置信息；
S14：确定模块总数N，输出每个模块的位置信息。


3.根据权利要求2所述的一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于：在所述步骤S12中，模块形状具有可拼接性，拼接后相邻模块间无缝隙且不重合。


4.根据权利要求3所述的一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于：在所述步骤S2中，初始优化参数的具体过程如下：
S21：确定模块编号
将所有模块编号，待优化阵元数量为Na，每个阵元放置在一个模块中，对应优化参数为Na个模块的编号；
S22：确定模块位置信息
根据模块内阵元排布规律确定影响阵元相对模块中心的位置参数；
S23：生成初始值
随机生成一组阵元的模块编号和模块位置信息。


5.根据权利要求4所述的一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于：在所述步骤S21中，每个模块与一个阵元对应，阵元的Na个编号均不相同，每个编号均为小于N的正整数。


6.根据权利要求5所述的一种模块化平面阵列稀疏优化方法，其特征在于：在所述步骤S22中，模块形状为矩形，阵元排布规律为当阵元排布在模块内的圆环上，圆环圆心位于模块中心且半径为定值，阵元的位置通过阵元、圆心之间的连线与x轴的夹角确定，夹角为待优化参数。

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【专利技术属性】
技术研发人员：靳学明，方佳，朱庆超，王璐，徐龙，陶蕾，金谋平，戴跃飞，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽;34