基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，属于阵列天线信号处理领域。该方法是利用改进遗传算法对分布式频控阵阵列角度维和距离维栅瓣或高旁瓣进行同时抑制；所述改进遗传算法是基于预选择机制的小生境遗传算法，在父代与子代之间引入竞争机制，仅当子代个体适应度数值高于父代个体情况下，子代个体才能对应替换其父代个体，否则父代个体仍保留在下一代群体中，在可行解空间中实现局部和全局最优解的寻优；并引入禁忌搜索以加快收敛速度，避免遗传算法发生早熟现象并停滞不前，从而跳出局部最优解。本发明专利技术提高了子阵级分布式频控阵的子阵位置和子阵频偏的优化结果，从距离维和角度维实现更佳的旁瓣抑制结果。瓣抑制结果。瓣抑制结果。

【技术实现步骤摘要】
基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法


[0001]本专利技术属于阵列天线信号处理领域，涉及一种基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法。

技术介绍

[0002]雷达技术的进步发展和更新动力来源于雷达应用场景的多样化和现实功能需求的复杂化。特别是针对复杂的战场环境和来自敌方目标的威胁，雷达系统必须具备远距离探测能力和精确目标定位能力，这就表明雷达天线需要满足自身高增益和大规模物理阵列孔径的条件。然而在实际工程中，由于载体平台的物理结构限制，难以获取足够的空间来进行大规模天线阵列的有效安装。因此，可以考虑采用多个分布式小孔径子阵对信号实现相参协同处理，即子阵单元可随主阵列同时扫描以扩大天线阵列孔径，由此等效成一部高性能大威力雷达，可满足远距离探测发现和高精度跟踪识别的高要求，这些优良性能使得分布式阵列的应用成为近年研究的热点之一。
[0003]分布式阵列结构中子阵列之间的基线长度通常会远大于半波长，这将会导致栅瓣或高旁瓣的出现，大幅降低角度测量的精度，使得雷达更容易受到其他干扰的影响，因此如何有效解决分布式阵列存在的栅瓣或高旁瓣抑制问题成为关键。
[0004]大量研究表明，通过优化分布式阵列布局结构可以打破阵元排列的周期性，进而达到抑制栅瓣或高旁瓣的目的，即对分布式阵列中子阵节点位置进行优化，使得子阵节点位置呈现出非周期性的特性。较为熟知的有中国电子科技集团公司第二十研究所的安政帅首先建立了分布式阵列天线的拓扑结构，并提出一种加入扰动策略的改进遗传算法进行子阵级分布式阵列的位置优化，有效地抑制了分布式阵列的栅瓣，证明了该算法在阵列天线信号处理领域的可行性及有效性。同单位的王露结合分布式阵列结构与方向图乘积定理，提出了一种分布式阵列双程方向图设计方法，通过综合阵列因子和子阵方向图函数，并采用Minimax准则进行发射方向图权值设计来有效抑制栅瓣和旁瓣，仿真验证了所提方法的正确性及实用性。同年该作者提出基于非周期阵列和随机阵列的分布式阵列方向图设计方法，更有效抑制栅瓣和旁瓣。而电子科技大学的陈客松提出一种修正的遗传算法，在综合阵元数、阵列孔径约束和阵元最小间距约束的前提下，利用该算法综合稀布天线阵列，有效抑制峰值旁瓣电平，极大的满足了工程设计的要求。
[0005]然而目前的研究大多仅针对分布式相控阵，分布式相控阵综合波束方向图仅与角度维有关。因此，在涉及到与距离相关性干扰或杂波抑制等相关的应用时，分布式相控阵仍然束手无策，这些应用场景对于距离参数的分析是不可或缺的，这就要求雷达的发射波束方向图能在距离维上有良好的空间分辨率，本质上需要从发射体制上改变雷达系统使得其获得距离分辨的能力，才能形成角度维
‑
距离维联合波束方向图，从而能够达到抑制距离维的杂波与干扰。因此，把具有距离依赖性的新型阵列雷达—频控阵雷达引入雷达探测领域具有重要意义。而频控阵与传统相控阵的主要差别在于由引入微小频偏而导致各阵元具备不同发射频率。当频偏为零时，频控阵简化为相控阵，因此频控阵可视作相控阵的一种扩
展，而相控阵则是频控阵的一种特例。由此可知，频控阵雷达不但具有相控阵雷达的所有功能特性，还在距离相关的波束形成、目标探测、旁瓣抑制、电子对抗等领域具有广泛的应用潜力。
[0006]针对新型阵列雷达技术，频控阵雷达的各发射阵元间存在远小于中心载波的频率偏移，使得不同距离对应的各载波相位叠加关系不同，导致距离维出现波峰与波谷的变化，进而出现了距离维的主瓣与栅瓣，亦或是距离维高旁瓣，从而产生了具备距离依赖性的发射波束方向图，这克服了传统相控阵雷达不能有效控制发射波束的距离指向问题，但同时也带来了距离维栅瓣或高旁瓣抑制的问题。因此对于频控阵而言，需要考虑同时抑制角度维和距离维的旁瓣抑制，才能有效增强频控阵波束方向图的综合性能。
[0007]现有大量研究表明，针对频控阵波束方向图的距离
‑
角度耦合性质，有以下两大类解决方法：一是对阵列结构的布局优化设计；二是对阵列频率偏移进行非线性选择，常见非线性频偏包括对数频偏、正弦频偏等。而迄今为止，未见关于子阵级分布式频控阵的研究，为此，本专利技术首次提出利用结合预选择机制和禁忌搜索的改进遗传算法来实现子阵级分布式频控阵旁瓣抑制，同时达到对其距离维和角度维旁瓣的有效抑制目的。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，引入基于预选择机制的小生境遗传方法，在父代与子代之间引入竞争机制，对父代与子代的适应度数值进行比较后进行替换操作，该种方式趋向于替换与其本身相似的个体，能够有效地维持种群多样性，使优化效果得到大幅提升。并引入禁忌搜索以加快收敛速度，提高了子阵级分布式频控阵的子阵位置和子阵频偏的优化结果，从距离维和角度维实现更佳的旁瓣抑制结果，本专利技术对子阵级分布式频控阵的工程实现提供了较好的参考价值。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，利用改进遗传算法对分布式频控阵阵列角度维和距离维栅瓣或高旁瓣进行同时抑制；所述改进遗传算法是基于预选择机制的小生境遗传算法，在父代与子代之间引入竞争机制，仅当子代个体适应度数值高于父代个体情况下，子代个体才能对应替换其父代个体，否则父代个体仍保留在下一代群体中，在可行解空间中实现局部和全局最优解的寻优；并引入禁忌搜索以加快收敛速度，避免遗传算法发生早熟现象并停滞不前，从而跳出局部最优解；
[0011]该方法具体包括以下步骤：
[0012]S1：设置参数并初始化种群；
[0013]S2：计算适应度数值；
[0014]S3：执行选择操作；
[0015]S4：执行交叉操作；
[0016]S5：执行变异操作；
[0017]S6：利用基于预选择机制的小生境遗传算法生成子代，生成近似最佳优化解；
[0018]S7：若满足停滞条件，则以近似最佳优化解作为初始解执行禁忌搜索算法，否则进入下一次遗传算法的迭代；具体包括：以经过预选择机制的小生境遗传算法生成近似最佳
优化解作为禁忌搜索的初始解，若满足禁忌搜索算法终止准则，则输出禁忌搜索算法最优解；否则进行邻域择优以及禁忌检查，然后进行更新历史最优值，进而更新禁忌表，直到满足禁忌搜索算法终止准则，输出禁忌搜索算法最优解。
[0019]S8：将禁忌搜索算法获取的最优解与近似最佳优化解进行比较，保留最大值进入下一次遗传算法的迭代；具体包括：若禁忌搜索算法最优解结果大于近似最佳优化解，则将两者对应个体的子阵节点位置参数和子阵频偏参数进行替换；若小于等于近似最佳优化解，则保留近似最佳优化解，进行下一次遗传算法迭代，直到满足遗传算法终止准则。
[0020]S9：结束算法的优化过程。
[0021]若满足停滞条件，则进入禁忌搜索算法输出禁忌搜索算法最优解，将其与近似最佳优化解进行比较，保留较大值结果，然后判断是否满足遗传算法终止准则，若满足则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进遗传算法的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，其特征在于，该方法是利用改进遗传算法对分布式频控阵阵列角度维和距离维栅瓣或高旁瓣进行同时抑制；所述改进遗传算法是基于预选择机制的小生境遗传算法，在父代与子代之间引入竞争机制，仅当子代个体适应度数值高于父代个体情况下，子代个体才能对应替换其父代个体，否则父代个体仍保留在下一代群体中，在可行解空间中实现局部和全局最优解的寻优；并引入禁忌搜索以加快收敛速度；该方法具体包括以下步骤：S1：设置参数并初始化种群；S2：计算适应度数值；S3：执行选择操作；S4：执行交叉操作；S5：执行变异操作；S6：利用基于预选择机制的小生境遗传算法生成子代，生成近似最佳优化解；S7：若满足停滞条件，则以近似最佳优化解作为初始解执行禁忌搜索算法，否则进入下一次遗传算法的迭代；S8：将禁忌搜索算法获取的最优解与近似最佳优化解进行比较，保留最大值进入下一次遗传算法的迭代；S9：结束算法的优化过程。2.根据权利要求1所述的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤S1中，设置的参数包括：遗传算法最大迭代次数GA
MaxIter
，种群规模NP，交叉概率P
c
，变异概率P
m
，禁忌搜索算法最大迭代次数TS
MaxIter
；邻域映射函数为广义2
‑
Opt，即广义2
‑
Optimization形式，禁忌表TabuList、禁忌长度TabuSize、连续停滞代数G和停滞条件满足的差值ε；优化参数：基于子阵最小间距约束对子阵节点位置C
mn
和子阵频偏Δf
mn
进行实值映射编码，其中m和n分别表示分布式频控阵子阵节点的行编号和列编号，m＝0,
…
,M
‑
1，n＝0,
…
,N
‑
1，M和N分别表示分布式频控阵子阵的行节点数和列节点数，并对子阵节点位置C
mn
进行降序排列形成一条包含子阵节点位置信息的染色体个体，最后对种群进行随机初始化。3.根据权利要求2所述的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤S2中，计算适应度数值，具体包括：根据最大旁瓣电平的定义，以俯仰维发射波束方向图最大峰值旁瓣电平与距离维发射波束方向图最大峰值旁瓣电平之和作为适应度函数，根据适应度函数进行计算种群中各染色体个体的适应度数值。4.根据权利要求3所述的子阵级分布式频控阵旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤S2中，考虑静态波束，经过常规波束加权后的子阵级分布式频控阵的远场波束方向图表达式为：其中，表示为常规波束加权矢量，上标H表示对矩阵进行共轭转置；表示为子阵级分布式频控阵对应的导向矢量；p和q分别表示分布式频控阵子阵内阵元的行
编号和列编号，p＝0,
…
,P
‑
1，q＝0,
…
,Q
‑
1，P和Q分别表示分布式频控阵子阵内阵元的行节点数和列节点数，j为虚数单位；dx
m
表示x轴方向上的第m个行编号对应的子阵节点间距，dy
n
表示y轴方向上的第n个列编号对应的子阵节点间距，其中包含经过布局约束分析后的待优化位置参数：d
x
表示x轴方向上的子阵内阵元间距，d
y
表示y轴方向上的子阵内阵元间距；θ0表示分布式频控阵与观察目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：景小荣，廖凤香，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：