本發(fā)明涉及天線，尤其是涉及雷達(dá)、通信及電子對(duì)抗領(lǐng)域中的無(wú)柵瓣寬角掃描混合陣列超稀疏布局方法。
背景技術(shù)：
：相對(duì)于傳統(tǒng)射頻波束合成陣列，數(shù)字波束形成(DBF)陣列具有波束靈活、抗干擾能力強(qiáng)、同時(shí)多波束等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，然而其所需的數(shù)字通道價(jià)格較為昂貴，在一定程度上限制了DBF陣列的應(yīng)用。特別是，對(duì)于高增益窄波束的電大尺寸DBF陣列，按照傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)間隔布局方法，其所需的數(shù)字通道數(shù)量巨大。例如，一個(gè)工作在3GHz的10m長(zhǎng)的DBF陣列，其數(shù)字通道數(shù)目可達(dá)200個(gè)。因此，如何降低所需的數(shù)字通道數(shù)量，成為大型DBF陣列的關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)1和2對(duì)方向圖綜合技術(shù)進(jìn)行了研究，目前針對(duì)稀疏陣列方向圖的綜合主要是陣元稀疏的稀疏陣列(參見(jiàn)文獻(xiàn)2～7)，利用遺傳算法，粒子群算來(lái)解決陣元稀疏的稀疏陣列方向圖綜合問(wèn)題，取得了較好的結(jié)果。在文獻(xiàn)3中對(duì)陣列大小為200個(gè)的陣元，稀布率為0.77～0.83的稀疏陣列模型進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)4在此基礎(chǔ)上利用遺傳算法先對(duì)天線單元位置進(jìn)行稀疏化，來(lái)壓低副瓣電平，然后進(jìn)一步用遺傳算法對(duì)單元的激勵(lì)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低副瓣電平；文獻(xiàn)5考慮了稀疏陣列綜合中波束寬度對(duì)副瓣電平的影響，得到了保證最小主瓣波束寬度和副瓣電平的優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)6在遺傳算法的優(yōu)化過(guò)程中移除對(duì)陣列性能貢獻(xiàn)最小的陣元，使得陣列能夠在使用更少陣元的情況下綜合波束方向圖，降低陣列的制造復(fù)雜度和成本。文獻(xiàn)7為了解決分布式星載陣列方向圖高柵瓣電平的問(wèn)題，提出了基于相同子陣的稀疏陣列方向圖綜合算法，并進(jìn)行了仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)稀疏陣列方向圖柵瓣的抑制。上述的方法雖然都將所需陣元數(shù)目減少，但是對(duì)于大型陣列而言仍然需要較多的數(shù)字通道,導(dǎo)致陣列的制造復(fù)雜度高、成本昂貴。參考文獻(xiàn)：1.YangK,ZhaoZQ,NieZP.Optimizationofunequallyspacedantennaarraysusingfuzzydiscreteparticleswarmalgorithm[J].JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,2012,41(1):43-47.2.劉源,鄧維波,許榮慶.應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行陣列天線綜合[J].電子與信息學(xué)報(bào),2004,26(3):400-404.3.ChenKS,CuiBW,HeZS.NewModelforSynthesisofSymmetricalThinnedLinearArrays[J].中國(guó)電子科技,2009,7(3).4.王玲玲,方大綱.運(yùn)用遺傳算法綜合稀疏陣列[J].電子學(xué)報(bào),2003,31(12):2135-2138.5.張浩斌,杜建春,聶在平.稀疏陣列天線綜合的遺傳算法優(yōu)化[J].微波學(xué)報(bào),2006,22(6).6.CenL,SerW,YuZL,RahardjaS,CenW.LinearSparseArraySynthesiswithMinimumNumberofSensors[J].IEEETransactionsonAntennaandPropagation,2010,58(3).7.叢雯珊,陳輝,范偉時(shí).基于相同子陣的稀疏陣列方向圖綜合算法[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào),2014(6).技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)
背景技術(shù)：
部分指出的現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供可大大減少通道數(shù)目，降低技術(shù)成本，具有廣泛應(yīng)用前景的無(wú)柵瓣寬角掃描混合陣列超稀疏布局方法。本發(fā)明包括以下步驟：1)確定子陣內(nèi)單元天線的類型及相關(guān)參數(shù)，同時(shí)確定一個(gè)子陣內(nèi)所含的單元數(shù)目；2)利用遺傳算法得到位置信息，對(duì)子陣內(nèi)的陣元進(jìn)行布置，形成一個(gè)子陣，同時(shí)采用12套實(shí)時(shí)延遲線方案，四單元子陣配置見(jiàn)表1；表13)確定所需的子陣數(shù)目，進(jìn)行組陣，目標(biāo)是壓縮總陣列的副瓣；4)依據(jù)遺傳算法得到子陣布局信息，進(jìn)行子陣的布局；5)陣列位置布局確定后，該陣列采用數(shù)模混合方案實(shí)現(xiàn)寬角度波束掃描。在步驟1)中，所述子陣內(nèi)單元天線的類型可為E面喇叭天線，所述相關(guān)參數(shù)包括寬度，所述寬度可為56mm；所述單元數(shù)目可為4。在步驟3)中，所述所需的子陣數(shù)目可采用32個(gè)子陣。在步驟4)中，所述依據(jù)遺傳算法得到子陣布局信息，進(jìn)行子陣的布局，可采用基于二級(jí)非均勻子陣布局，且在初級(jí)子陣上使用模擬多波束的方法；所述子陣布局可為32×4，該陣列長(zhǎng)達(dá)10m，僅需要采用32個(gè)數(shù)字通道和32個(gè)帶模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣，采用8套模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣參見(jiàn)表2，應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化得到子陣位置分布；采用12套模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣見(jiàn)表3，應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化得到的子陣位置分布，當(dāng)采用如表3所示采用12套模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣，陣列在角度范圍內(nèi)掃描時(shí)，其最大副瓣/柵瓣優(yōu)于表2的情況。表2表3本發(fā)明采用二級(jí)非均勻間隔子陣的混合陣列超稀疏布局方法，即在子陣內(nèi)采用模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)，對(duì)陣元配置不同的相移量，使得子陣波束實(shí)現(xiàn)度的寬角多波束覆蓋。對(duì)若干個(gè)子陣進(jìn)行非均勻間隔的布局構(gòu)成總陣，每個(gè)子陣輸出后再進(jìn)行模/數(shù)(A/D)采樣，單個(gè)子陣僅需要一個(gè)數(shù)字通道，從而大大地減少通道數(shù)目。由于子陣內(nèi)以及子陣之間的間距均采用遺傳算法優(yōu)化得到，且最小間距間距可控，可以抑制在寬角掃描情況的副瓣和柵瓣電平。另外，本發(fā)明的混合稀疏陣列的子陣采用相同的結(jié)構(gòu)，因而具有易加工、易裝配、易批量生產(chǎn)、低成本的特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明以64×4陣列為例的兩級(jí)非均勻位置分布示意圖；圖2是本發(fā)明的32子陣四單元12波束陣列方向圖；圖3是本發(fā)明的混合陣列實(shí)現(xiàn)的總體方案。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施案例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明采用二級(jí)非均勻子陣的布局方法，并在滿足波束覆蓋范圍、交叉電平、波束分辨率、副瓣電平、最小間距等指標(biāo)要求的情況下，給出DBF陣列所需的最少的數(shù)字通道數(shù)目、子陣內(nèi)單元數(shù)目及單元布局、子陣間布局的方案。提出的基于二級(jí)非均勻子陣的稀疏陣列綜合布局技術(shù)，該陣列的結(jié)構(gòu)是由多個(gè)相同的子陣組成，每個(gè)子陣由多個(gè)不等間隔的單元天線構(gòu)成，而子陣之間的間距也是不等間隔的。在這種二級(jí)非均勻子陣的框架下，通過(guò)優(yōu)化子陣內(nèi)和子陣間的非均勻間隔，可以大大減低總陣列的柵瓣和副瓣電平。以64×4陣列為例，兩級(jí)非均勻位置分布的模型如圖1所示。其每個(gè)子陣的方向圖為：其中,λ為陣列的工作波長(zhǎng)，N為子陣中陣元的數(shù)目，xn為每個(gè)陣元的位置，f(θ)為單元天線方向圖。Θk為根據(jù)總陣波束掃描角選擇的第k個(gè)子陣波束的指向角，若θ0為總陣列波束掃描角，則總陣列由M個(gè)這樣的子陣組成，子陣輸出采用數(shù)字移相的方法進(jìn)行波束掃描，其總陣列的方向圖為：其中，ρm為大陣中第m子陣的位置。在子陣單元數(shù)目、子陣個(gè)數(shù)、單元最小間距約束給定的情況下，研究天線單元間距以及子陣間距的優(yōu)化布局參數(shù)，即優(yōu)化參數(shù)xn(n＝1,2,…,N)以及參數(shù)ρm(m＝1,2,…,M)，用以壓制陣列波束的柵瓣和副瓣電平，使得整個(gè)陣列波束的副瓣電平低于-13dB。具體包括：1)確定單元方向圖。初級(jí)，確定單元天線的類型，這里子陣內(nèi)采用E面喇叭天線，寬度為56mm。單元數(shù)目4/6/8；單元方向圖可以根據(jù)測(cè)量或者HFSS仿真得到。2)子陣波束選擇方案。對(duì)不同的單元數(shù)采用不同的波束選擇方案，如單元數(shù)為4時(shí)，采用12套模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)，分別獲得12個(gè)固定波束；3)減少最外側(cè)波束的增益損失。建議波束間隔12°，波束最大指向角設(shè)置如表4所示。表4最大指向角(°)±44±36±28±20±12±44)子陣內(nèi)單元的優(yōu)化布局和波束綜合A、設(shè)置約束條件。設(shè)置子陣單元最小間隔，如0.6個(gè)波長(zhǎng)，最大間隔，如1.2個(gè)波長(zhǎng)，單元數(shù)為4。要求得到子陣總長(zhǎng)度越小越好。B、對(duì)子陣使用遺傳算法找最優(yōu)位置分布。遺傳算法(GA)的步驟如下：1、設(shè)置參數(shù)，即進(jìn)化代數(shù)、種群規(guī)模、交叉概率、變異概率和優(yōu)化終止條件；2、隨機(jī)產(chǎn)生初始化種群，即子陣內(nèi)陣元的初始間距；3、適應(yīng)度評(píng)價(jià)，即根據(jù)優(yōu)化方法中的變量，計(jì)算該布局下組成的非均勻陣列的最大副瓣電平；4、根據(jù)目標(biāo)函數(shù)、子陣內(nèi)陣元數(shù)、間距約束條件進(jìn)行種群進(jìn)化：(a)選擇(母體)，從初始化子陣中選出母體，即最小副瓣子陣；(b)交叉，根據(jù)交叉概率對(duì)選出的母體執(zhí)行交叉形成中間個(gè)體；(c)變異，根據(jù)變異概率對(duì)中間個(gè)體執(zhí)行變異，形成候選個(gè)體；(d)選擇(子代)，從候選個(gè)體中依適應(yīng)度選出新個(gè)體組成下一代種群；5、當(dāng)達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)，優(yōu)化終止，選出適應(yīng)度最優(yōu)的個(gè)體作為優(yōu)化結(jié)果。5)子陣間的優(yōu)化布局和全陣列波束綜合技術(shù)：A、設(shè)置約束條件。設(shè)置子陣間最小間隔，如2.85個(gè)波長(zhǎng)，最大間隔，如3.65個(gè)波長(zhǎng)，子陣數(shù)目為16，要求得到子陣總長(zhǎng)度越小越好。設(shè)置掃描角為-45°～45°。注意在確保主波束掃描增益不降低的前提下，使得整個(gè)陣列波束的副瓣電平低于-13dB；B、將步驟4)所得出的子陣看作單個(gè)陣元，再一次進(jìn)行位置優(yōu)化，注意步驟4)B中第3步確定的目標(biāo)函數(shù)改設(shè)為最小化所有掃描角狀態(tài)下的最大副瓣以及柵瓣的函數(shù)，即對(duì)-45°～45°空間掃描時(shí)，選擇相應(yīng)的波束，最大副瓣電平為-45°～45°掃描時(shí)全空間的最大副瓣電平，照步驟4)中B的步驟優(yōu)化總陣的陣列布局；由于子陣采用模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)，外層A/D采樣來(lái)減少通道數(shù)目，這種情況下會(huì)造成柵瓣的產(chǎn)生。所以，為了降低柵瓣達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)，實(shí)際上是采用二級(jí)非均勻布陣的方案：子陣內(nèi)單元位置為非均勻間隔，子陣之間也為非均勻間隔，子陣內(nèi)和子陣間的位置分布經(jīng)優(yōu)化得到，降低柵瓣和副瓣。以下給出具體實(shí)施例。步驟1.確定子陣內(nèi)單元天線的類型，及其他相關(guān)參數(shù)，同時(shí)確定一個(gè)子陣內(nèi)所含的單元數(shù)目。這里選擇單元天線是E面喇叭天線，寬度為56mm。單元數(shù)目為4。步驟2.利用遺傳算法得到的位置信息，結(jié)果見(jiàn)表1所示。對(duì)子陣內(nèi)的陣元進(jìn)行布置，形成一個(gè)子陣。同時(shí)采用12套實(shí)時(shí)延遲線方案。步驟3.確定所需的子陣數(shù)目，這里選擇32個(gè)子陣進(jìn)行組陣，目標(biāo)是壓縮總陣列的副瓣。步驟4.依據(jù)遺傳算法得到子陣布局信息，進(jìn)行子陣的布局。如上采用的基于二級(jí)非均勻子陣布局，且在初級(jí)子陣上使用模擬多波束的方法，可以大大減少通道數(shù)目。以上述32×4的情況，該陣列長(zhǎng)達(dá)10m，若采用3GHz時(shí)的半波長(zhǎng)布陣，則需要200數(shù)字通道。而采用本項(xiàng)目的技術(shù)，僅需要采用32個(gè)數(shù)字通道和32個(gè)帶模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣。表2給出了采用8套模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣時(shí)，應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化得到的子陣位置分布。表3給出了采用12套模擬多波束形成網(wǎng)絡(luò)的4單元子陣時(shí)，應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化得到的子陣位置分布。其中，采用表3陣列布局位置時(shí)，陣列在角度范圍內(nèi)掃描時(shí)，其最大副瓣/柵瓣優(yōu)于采用表2陣列分布情況，其掃描的方向圖如圖2所示。步驟5.陣列位置布局確定后，該陣列采用數(shù)?；旌戏桨笇?shí)現(xiàn)寬角度波束掃描。以四單元子陣為例，混合陣列實(shí)現(xiàn)的總體方案見(jiàn)圖3所示。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3