一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法技术

本发明专利技术公开了一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法，涉及阵列天线技术领域。所述简化方法包括：构建相控阵天线；构建目标函数，将有效全向隔离EII最大作为目标函数；采用遗传算法，计算每个个体的EII值，即个体的适应度值，根据目标函数寻找满足预设条件的最优个体，并根据所述最优个体生成关于发射阵列和接收阵列的稀疏优化结果，根据所述稀疏优化结果调整相控阵天线发射阵元和接收阵元数量，生成稀疏阵列。相较于现有技术，本发明专利技术基于遗传算法实现阵列稀疏，减去一部分发射通道，同时可以减去观察通道，达到降低系统成本和保持良好隔离性能的目的，降低系统的时间资源、频谱资源的开销，支持通信、雷达各种模式和应用场景。雷达各种模式和应用场景。雷达各种模式和应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法


[0001]本专利技术涉及阵列天线
，更具体地，涉及一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法。

技术介绍

[0002]多功能相控阵的需求在雷达、通信和电子战领域迅速发展。同时发射和接收(simultaneous transmit and receive
‑
STAR)是数字相控阵的一项重要应用，它可以在相同的环境和相同的系统上发射和接收相同频率和时间的信号。STAR技术可以显着提高吞吐量和频带效率，同时支持多种操作模式和多个脉冲重复间隔，实现对干扰的连续响应，同时支持联合多用户系统。为了充分利用STAR数字相控阵，必须加强发射器和接收器之间的隔离。
[0003]现有技术中，MIT团队采用数字波束成形和自干扰消除技术的孔径级同时发射和接收(aperture
‑
level simultaneous transmit and receive,ALSTAR)足以在5
×
10元素数字相位的100MHz瞬时带宽上实现163.9dB的有效各向同性隔离(EII)，进一步，他们改进了ALSTAR阵列的理论研究，在25个发射单元和25个接收单元之间的2500W发射功率条件下，隔离度可以达到187.1dB，而本底噪声仅增加2.2dB，这种方法可以提高发射器和接收器之间的隔离度。然而，在ALSTAR阵列的模型中，自干扰对消(self
‑
interference cancellation,SIC)是通过在功率放大器的输出和接收波束成形的输出之间建立观察通道来实现的，并且要求在每个发射通道中，观察通道具有与接收通道相同的性能。由于接收通道的成本通常高于发送通道的成本。随着阵列尺寸的增加，需要更多的观察通道，这大大增加了系统的成本和复杂性。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服上述现有技术所述的采用STAR的大规模相控阵成本高的缺陷，提供一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0006]第一方面，一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法，包括：
[0007]构建相控阵天线；所述相控阵天线为ALSTAR结构；
[0008]构建目标函数，将有效全向隔离EII最大作为目标函数；
[0009]采用遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)，计算每个个体的EII值，即个体的适应度值，根据目标函数寻找满足预设条件的最优个体，并根据所述最优个体生成关于发射阵列和接收阵列的稀疏优化结果，根据所述稀疏优化结果调整相控阵天线发射阵元和接收阵元数量，生成稀疏阵列；所述最优个体为适应度值最大的个体。
[0010]本技术方案中，在SIC技术的基础上引入了波束成形(beamforming
‑
BF)技术，通过构建目标函数确保发射孔径和接收孔径间的最大隔离，同时采用遗传算法，稀疏对发射和接收阵列间的隔离略有贡献的元素来省略相应的观察通道，从而达到减少天线阵元和参考
链路数量，减低系统成本的目的，并保证了发射孔径和接收孔径间最优的隔离度。
[0011]第二方面，本专利技术还提供了一种相控阵天线装置，包括若干个孔径级收发同时阵列，所述孔径级收发同时阵列结构为应用第一方面所述的一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法生成的稀疏阵列。
[0012]第三方面，本专利技术还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，执行第一方面所述的一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法。
[0013]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0014]本专利技术提出基于遗传算法进行阵列稀疏，减去一部分发射通道，同时可以减去观察通道，达到降低系统成本和保持良好隔离性能的目的，使得孔径级数字相控阵能够实现发射和接收同时进行，降低系统的时间资源、频谱资源的开销，同时遗传算法的调配可使得整个系统支持通信、雷达各种模式和应用场景。
附图说明
[0015]图1为孔径级收发同时阵列结构的简化方法的流程图；
[0016]图2为相控阵天线模型示意图；
[0017]图3为发射阵列与接收阵列稀疏前后示意图；
[0018]图4为实施例1中孔径级收发同时阵列结构的简化方法的流程图；
[0019]图5为实施例2中发射阵列到接收阵列的端口反射系数图；
[0020]图6为实施例2中1号发射阵元与每个接收阵元的耦合系数图；
[0021]图7为实施例2中1号发射阵元和17号接收阵元的方向图；
[0022]图8为实施例2中SIC、SIC
‑
BF和SIC
‑
BF
‑
Sparse在不同扫描角度上EII对比图；
[0023]图9为实施例2中SIC、SIC
‑
BF和稀疏率为0.75时SIC
‑
BF
‑
Sparse在噪声功率P
n
、发射增益G
t
和接收增益G
r
上的性能对比图；
[0024]图10为实施例2中SIC、SIC
‑
BF和SIC
‑
BF
‑
Sparse在波束扫描到0
°
时的发射增益G
t
和接收增益G
r
的性能对比图。
具体实施方式
[0025]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0026]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0027]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。
[0029]实施例1
[0030]本实施例提出了一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法，参阅图1，包括：
[0031]构建相控阵天线；所述相控阵天线为ALSTAR结构；
[0032]构建目标函数，用于计算有效全向隔离EII最大值；
[0033]采用遗传算法，以有效全向隔离EII作为适应度函数，根据目标函数寻找满足预设条件的最优个体，并根据所述最优个体生成关于发射阵列和接收阵列的稀疏优化结果，根
据所述稀疏优化结果调整相控阵天线发射阵元和接收阵元数量，生成稀疏阵列；所述最优个体为适应度值最大的个体。
[0034]在一具体实施过程中，所述相控阵天线采用具有高增益、低耦合特性的U型缝隙微带贴片天线作为连续波雷达场景中的天线阵元。天线的中心频率为4.3GHz，其工作带宽为100MHz，1号发射阵元与每个接收阵元的耦合小于
‑
40dB，天线最大增益达到5.5dBi。
[0035]作为非限制性示例，所述相控阵包括但不限于均匀平面阵列、非均匀平面阵列。
[0036]在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法，其特征在于，包括：构建相控阵天线；所述相控阵天线为ALSTAR结构；构建目标函数，将有效全向隔离EII最大作为目标函数；采用遗传算法，计算每个个体的EII值，即个体的适应度值，根据目标函数寻找满足预设条件的最优个体，并根据所述最优个体生成关于发射阵列和接收阵列的稀疏优化结果，根据所述稀疏优化结果调整相控阵天线发射阵元和接收阵元数量，生成稀疏阵列；所述最优个体为适应度值最大的个体。2.根据权利要求1所述的一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法，其特征在于，所述目标函数表达式为：目标函数表达式为：式中，式中，M
sparse
＝M.*ff
i
ff
iHH
其中，P
t
表示发射信号功率；q
t/r
(φ,θ)表示稀疏前的发射和接收阵列导向矢量；g
t/r
(φ,θ)表示稀疏前的发射和接收阵列阵元增益；M表示稀疏前的发射阵列到接收阵列间的耦合矩阵；M
sparse
表示稀疏后的耦合矩阵；表示稀疏后干扰和噪声的协方差矩阵；表示发射阵列总增益；表示接收阵列总增益；表示单个阵元增益；分别表示发射阵列和接收阵列的波束形成矢量；分别表示发射阵列和接收阵列的导向矢量，且φ、θ分别表示方位角和俯仰角，λ表示信号波长，x表示阵列平面中每个元素到x轴的距离，y表示阵列平面中每个元素到y轴的距离；ff
i
＝(ff
i1
,ff
i2
,
…
,ff
id
)表示第i个个体映射的发射阵列或接收阵列稀疏后的阵列状态，ff
id
表示对应阵列中阵元的工作状态，d是全阵列状态下发射阵列元素和接收阵列元素的数量，ff
id
＝1表示该位置的阵元是保留的，ff
id
＝0表示该位置阵元被移除。3.根据权利要求1所述的一种孔径级收发同时阵列结构的简化方法，其特征在于，所述采用遗传算法，计算每个个体的EII值，即个体的适应度值，根据目标函数寻找满足预设条件的最优个体，并根据所述最优个体生成关于发射阵列和接收阵列的稀疏优化结果，根据所述稀疏优化结果调整相控阵天线发射阵元和接收阵元数量，生成稀疏阵列，包括：
遗传算法编码：构建满足预设稀疏率的初始的种群，设置种群数量大小为N，种群中每个个体均为二进制参数向量，代表一种删减阵元位置的情况，每个个体的基因维数等同于发射阵元个数N
t
或接收阵元个数N
r
；定义g
i,k
表示遗传代数为k的第i个个体，其中，i＝1,2,
…
,N；以有效全向隔离EII作为适应度函数，即每个个体g
i,k
的适应度值为EII值；设置稀疏后发射阵元或接收阵元个数为N
L
，在[0,1]之间产生N
t
或N
r
个符合高斯分布的随机数，对随机数进行降序排序，将前N
L
个基因的值设置为1，剩下的基因值设置为0，每个个体初始编码后，即建立稀疏发射和接收阵元的搜索初始点；遗传算法选择：基于轮盘赌算法，根据第i个体适应度fit
i
占种群适应度总和的比例来决定其子代保留的可能性；其中，第i个个体被选中的概率p
i
表达式为：生成一个区间[0，1]内的均匀随机数，将该随机数作为轮盘赌的选择指针来确定当前轮次被选中个体，被选中的个体g
i,k
和g
i+1,k
用于交叉操作；遗传算法交叉：根据自适应交叉概率p
c
进行特定概率的交叉操作，交换种群中选中的两个个体g
i,k
和g
i+1,k
之间的部分基因；所述基因对应于阵元保留或移除；遗传算法变异：对交叉操作后种群中的每个个体，以自适应变异概率p
m
进行个体中基因的变异操作；维持稀疏率不变：判断新生成种群中每个个体的稀疏率是否不变，即计算子代种群中每个个体中阵元个数是否等于N
L
：若是，不进行操作；否则，根据子代种群中每个个体阵元个数与N
L
的差额...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡杜娟，魏玺章，谢明聪，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：