基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于雷達天線技術領域，涉及基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法。
【背景技術】
[0002]相控陣雷達系統一般含有成千至上萬個輻射單元，如果在單元級上應用波束形成技術，將會極大地增加系統開銷，使得陣列的自適應算法和有關計算的復雜度大大增加，難以滿足實時性的要求，同時需要等數量的高頻通道、A/D變換和加權處理等，系統非常復雜，硬件成本很高。通過對大型陣列進行子陣劃分，在子陣內部單元間采用模擬波束形成，子陣級間采用數字波束形成，這樣不僅可以減少發射接收所需的通道數，降低硬件成本，同時還能減小工程實現難度。
[0003]當采用子陣級綜合后，在降低相控陣天線設計復雜度、成本的同時也會降低相控陣的性能。采用子陣級加權時，由于子陣間的加權系數相同，子陣間將會形成周期性累積在陣列方向圖中形成旁瓣。文獻《子陣幅度加權的低副瓣技術研究》(閆秋飛，范國平，徐朝陽，艦船電子對抗，2009,32?):62-65.)通過子陣系數與陣元系數的乘積來逼近全陣單元加權時的期望幅度加權系數從而降低天線副瓣。該方法各天線子陣模塊均不相同，在大規模陣列時由于模塊種類增加成本急劇上升，且天線性能的靈活性受到影響。文獻《相控陣的兩級子陣級加權方法研究》(胡航，王澤勛，劉偉會，朱淮城.電波科學學報，2009，24 (6):1038-1043)采用了兩級子陣級加權方法來降低天線旁瓣，其中第I級子陣級加權用于抑制差波束旁瓣，第2級子陣級加權用于對和、差波束進行自適應干擾抑制。該方法簡單易行但在針對陣列天線復雜波束綜合問題時將不再適用，通用性不好。
[0004]本發明通過改進迭代傅里葉變換法，并將其與差分進化算法以及模擬退火算法結合，提高了子陣平面陣列天線方向圖的綜合效率。
【發明內容】
[0005]針對現有技術缺點，本發明的目的在于提供一種通用性好、實用性強的基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法，通過將改進的IFT方法與智能型優化算法相結合的混合優化方法，有效地提高了子陣陣列天線方向圖的綜合效率。本發明采用的方法步驟如下:
[0006]第一步:獲得綜合陣列中陣中單元方向圖數據P。，獲得綜合陣列的工作頻率f。，天線陣列規模:M行、N列，行間距dy、列間距dx，子陣單元規模:M。行，N。列，目標方向圖F g。取陣列方向圖計算點數K，且K = 2n>max (Μ, N)，η為正整數；
[0007]第二步:利用改進的IFT方法產生m組，m為正整數，且m>l，子陣單元的幅相激勵分布Esi,其中i = I, 2......m，隨機產生子陣中各單元幅相激勵分布Eci,其中i = I, 2......m，以及此情況下對應的陣列天線方向圖F1，其中i = 1,2……m;
[0008]第三步:將m組子陣幅相激勵分布Es1，其中i = 1,2……m，以及子陣中各單元幅相激勵分布Eci,其中i = I, 2......m，結合構造出子陣優化變量Ei，其中i = I, 2......m，并作為差分進化算法的初始值進行優化，獲得其中最優的一組幅相激勵Ep以及對應陣列天線方向圖Fp;
[0009]第四步:將該最優的幅相激勵分布Ep利用模擬退火優化算法進一步迭代優化，獲得最終的最優幅相激勵分布Epl與對應的陣列天線方向圖F pl。
[0010]上述方法中陣列天線方向圖的計算采用了快速傅里葉變換算法，且采用陣因子與單元方向圖P。乘積的方法計算陣列天線方向圖。
[0011]本發明與現有技術方法相比，其有益效果是:
[0012]①本發明的計算效率高，本方法采用了改進的IFT算法與人工智能型算法相結合的方法對子陣平面陣列天線方向圖進行綜合。優化初期縮小了搜解區域，后期則避免了搜解陷入局部最優，其計算效率大大提高。
[0013]②本發明的計算精確度高，由于在綜合過程中，本方法考慮了陣中單元方向圖的影響，即考慮了單元間互耦因素，該措施可以更精確地模擬平面陣列輻射特性，進一步提高了計算精度。
[0014]③本發明通用性好，本方法不依賴平面陣列天線的陣元類型，基于任何類型陣元的平面陣列天線均可采用本方法進行綜合，且目標陣列波束不限定為特定形狀。本方法不僅適用于輻射單元矩形柵格排列，還適用于單元三角形排列等周期柵格狀類型規則子陣的平面陣列天線方向圖的綜合設計。
[0015]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0016]圖1為平面陣列陣中單元方向圖數據。
[0017]圖2為改進的IFT算法流程圖。
[0018]圖3為子陣優化變量數據結構示意圖。
[0019]圖4為基于子陣平面陣列天線方向圖綜合方法流程圖。
[0020]圖5為扇形寬波束三維方向圖。
[0021]圖6為扇形寬波束方位面切面圖。
[0022]圖7為扇形寬波束俯仰面切面圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。以50X64陣列，其子陣為1X4模塊的平面陣列天線扇形寬波束綜合問題為例，說明基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法的具體實施步驟:
[0024]第一步:獲得綜合陣列中陣中單元方向圖數據P。，如圖1所示，獲得綜合陣列的陣列規模:50行、64列，行間距火=0.52λ。，列間距dx=0.54λ。，λ。為天線工作波長。子陣規模I行，4列，目標方向圖為扇形寬波束，其方位面3dB波寬1.6°，俯仰面3dB波寬10°。本例中取陣列方向圖計算點數K = 256 = 28>64，K的取值越大對方向圖的描述就越精確，但代價是方向圖的計算時間會加長；
[0025]第二步:利用改進的IFT方法產生m = 40組全陣幅相激勵分布Eso1 (i = I, 2……
m)，本例中EsoiQ = I, 2......m)維數是50行，64列。本發明為了優化子陣的幅相激勵，在
IFT優化過程中將Eso1 (i = 1,2……m)中的幅度相位按照子陣維數I行，4列求平均值獲得子陣的幅相激勵Es1 (i = I, 2……m)，因此本例中Es1規模為50行，16列，改進后的IFT算法的詳細流程如圖2所示。隨機產生子陣中各單元幅相激勵分布Ec1 (i = 1,2……m)，本例中Ec1規模為I行4列，通過子陣激勵以及子陣中單元激勵分布可以計算出陣列中具體的單元激勵分布為:
[0026]E0i (k，j) = Esi (k, ceil (j/4)) XEci (I, mod(j, 4)) (i = I, 2......m)
[0027]激勵所對應的陣列天線方向圖為F1Q = 1,2……m)，式中ceil (X)函數表示距x最近的大于等于X的整數，mod(x, y)函數表示x除以y的余數；
[0028]第三步:將m = 40組子陣幅相激勵分布Es1 (i = I, 2……m)以及子陣中各單元幅相激勵分布EciQ = I, 2......m)結合構造出子陣優化變量EiQ = I, 2......m)，構造變量數據結構如圖3所示，將該激勵變量作為差分進化算法的初始值，優化后獲得其中最優的一組幅相激勵Ep以及對應陣列天線方向圖F p;
[0029]第四步:將該最優的幅相激勵分布Ep代入模擬退火優化算法進一步迭代優化，獲得最終的最優幅相激勵分布Epl與對應的陣列天線方向圖F pl。
[0030]整個優化過程的適應度函數為Fitness = WX (weightI X紋波系數+weight2X副瓣)，W為縮放因子，weightl與weight2分別為紋波系數與副瓣的權重，本例中W = 100，weight I = 0.8，weight2 = 0.20
[0031]上述方法中陣列天線方向圖的計算采用了快速傅里葉變換算法，且采用陣因子與單元方向圖P。乘積的方法計算陣列天線方向圖。
【主權項】
1.基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法，其特征在于:包含以下步驟: 第一步:獲得綜合陣列中陣中單元方向圖數據Pc，獲得綜合陣列的工作頻率fc，陣列規模:M行、N列，行間距dy、列間距dx，子陣規模M。行，N。列，目標方向圖F ^取陣列方向圖計算點數K，且K = 2n>max (Μ, N)，η為正整數； 第二步:利用改進的IFT算法產生m組，m為正整數，且m>l，子陣單元的幅相激勵分布Esi,其中i = 1，2......m隨機產生子陣中各單元幅相激勵分布Eci,其中i = 1，2......m以及對應的陣列天線方向圖F1，其中i = 1,2……m; 第三步:將m組子陣幅相激勵分布Es1，其中i = 1,2……m，以及子陣中各單元幅相激勵分布Ec1，其中i = 1,2……m，結合構造出子陣優化變量E1，其中i = 1,2……m并作為差分進化算法的初始值進行優化，獲得其中最優的一組幅相激勵Ep以及對應陣列天線方向圖 第四步:將該最優的幅相激勵分布Ep利用模擬退火優化算法進一步迭代優化，獲得最終的最優幅相激勵分布Epl與對應的陣列天線方向圖F pl。2.根據權利要求1所述的基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法，其特征在于:所述方法中的陣列天線方向圖的計算采用了快速傅里葉變換算法，具體是陣因子采用了快速傅里葉變換算法計算，陣列天線方向圖是陣因子與單元方向圖Pc乘積的方法計算得到。
【專利摘要】本發明公布了基于子陣的平面陣列天線方向圖綜合方法，采用了改進的迭代傅里葉變換法(IFT)與多種智能優化算法相結合的混合優化算法對子陣平面陣列天線進行方向圖綜合設計，設計過程中采用了構造子陣優化變量的方法，使綜合設計更簡潔。該綜合方法還考慮了天線單元間互耦因素的影響使優化結果更為精確。本發明針對子陣形式的平面陣列天線的綜合設計問題具有計算效率高且通用性好的優點。
【IPC分類】H01Q3/30
【公開號】CN105024166
【申請號】CN201510363856
【發明人】叢友記
【申請人】中國船舶重工集團公司第七二四研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年6月26日