[发明专利]一种相控天线单元、阵列联合稀疏优化方法

说明书

本发明公开了一种相控天线单元、阵列联合稀疏优化方法，包括以下步骤：步骤1、设定单元天线类型和性能指标；步骤2、以均匀矩形栅格形式进行全局性稀疏排布，选出最优阵列；步骤3、对初始阵列集合的阵因子使用遗传算法进行优化，确定阵列单元位置；步骤4、通过调整天线各单元旋转角度及边界形状，引入单元因子，使得各单元方向图与相应阵因子相乘并累加进行复合优化；步骤5、对最终所得相控天线单元、阵列联合优化布阵方案进行测评，并生成单元、阵列联合优化及单一阵列优化所得效果的对比图。本发明通过旋转单元及改变单元边界形状的方式来改变单元因子，协同优化了单元因子分配使阵列方向图最终能呈现出更好的效果。

技术领域

本发明属于相控阵列天线优化技术领域，特别涉及针对于相控天线单元方向图及阵列方向图联合稀疏优化方法设计。

背景技术

天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一，面对当今探测指标需求的激增，在未来，相较于传统的机械扫描天线，电扫描方式的相控阵列天线以其高精度扫描能力、机动性强、可靠性高、反应能力迅速、多目标实时捕捉等优势，将会逐步成为阵列设计中的中坚方案。当今相控阵已经被广泛应用到军用领域，并大大地提高了远程预警系统、防空系统等的监测能力，同时，民用领域也开始尝试将相控阵列纳入设计范围内，但由于当今设备工作频率波段越来越高，阵列规模越来越大，造价昂贵与系统集成困难成为了限制大型相控阵发展的两个关键因素，由此展开了对相控阵稀疏方法的研究。稀疏优化操作通过减少阵元天线数量从而降低制造成本、工艺难度以及相邻通道间的电磁耦合影响，能基本实现同级性能情况下的成本、技术难度简化。

目前稀疏方法分为全局稀疏和区域扩展稀疏两种方法，对于全局稀疏而言，稀疏过程中所涉及到的优化变量较多，算法处理速度较慢，导致全局处理效率不高，且不具备扩展性，因此这样的非周期性布局使得实际测试效果与仿真效果存在较大偏差；区域可扩展稀疏方法克服了全局稀疏处理速度慢的局限性，其可扩展性大大地提高了不同工程应用背景中的兼容性，但是在一定程度上牺牲了部分性能，相较全局稀疏方法而言，在同等稀疏率要求下区域可扩展稀疏方法所呈现出的方向图的扫描范围及旁瓣水平抑制效果均差于全局稀疏。由阵列方向图的理论公式可知，其是由单元方向图与阵因子乘积累加构成，而以往的稀疏优化方法通常在对阵列方向图的理论公式进行分析时就将单元方向图简化统一成相同变量值，忽略了实际应用中单元方向图对阵列方向图的影响，仅仅对阵因子进行优化。

当今国内国际研究中较少涉及相控阵单元、阵列联合稀疏优化方法，但由于单元方向图对阵列方向图的影响程度与阵列单元数目有关，尤其是在小规模的天线稀疏阵列设计中单元方向图的影响更加不能忽略，必须要考虑单元方向图优化，因此无论采用以往的全局随机稀疏或是区域可扩展稀疏方法都会不可避免地产生因单元数目不同导致的偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过旋转单元及改变单元边界形状的方式来改变单元方向图，协同优化了单元方向图分配使阵列方向图最终能呈现出更好的效果的相控天线单元、阵列联合稀疏优化方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：相控天线单元、阵列联合稀疏优化方法，包括以下步骤：

步骤1、设定单元天线类型；对二维均匀栅格天线阵列所要求达到的性能指标进行设定，具体为：副瓣电平阈值PSLL、阵列稀疏率η、分辨率ρ、扫描范围θ₁～θ₂；确定相控阵列规模，记为L×M；

步骤2、对所求规模平面阵列以均匀矩形栅格形式进行全局性稀疏排布，对每一栅格以二进制随机赋值表示当前栅格是否分配阵元，继而得到一个初始阵列A₁，并重复此随机排布操作产生K个初始阵列记为A₁～A_K，将各初始阵列三维方向图得到的最大旁瓣电平记为MSLL₀～MSLL_K；计算各阵列方向图的归一化适应度值并比较，选出归一化适应度值最大的初始天线阵列作为历代最优阵列以便加入后续算法迭代，记为A_best；