[发明专利]一种基于L型阵列天线的波束形成及波束图优化方法

摘要

一种基于L型阵列天线的波束形成及波束图优化方法，涉及天线的波束形成以及波束图优化领域。为了解决传统的L型阵列由于阵元数较少形成的波束图测角分辨率和测角精度不高的问题，本发明首先针对L型阵利用二维空间波束形成方法建立天线的波束图F，对L型阵列的阵列结构进行编码，然后对编码进行调整并构建适应度函数，以波束图性能为优化目标，利用遗传算法对L型阵列进行布阵进行优化，得到一个优化后非均匀L型阵列阵元排布；在此基础上，进一步建立适应度函数，利用遗传算法，针对L型阵列每个阵元计算最优的加权值w；将优化后非均匀L型阵列阵元排布和加权值w带入波束图F，完成波束图优化。本发明适用于L型阵列天线的波束形成及波束图的优化。

主权项

一种基于L型阵列天线的波束形成及波束图优化方法，其特征在于它包括下述步骤：步骤1：将矩形阵中央部分阵元除去，只保留相邻边界两列阵元所得到的阵列基本结构即为L型阵列；建立一个空间直角坐标系xyz，设天线阵列存在于xy轴组成的平面内，L型阵列的两列阵元分别与x轴，y轴重合，由空间坐标为P(θk,φk,r)入射的某一波束与y、z轴的夹角分别为θk，φk；θk命名为入射信号的俯仰角，φk命名为入射信号的方位角，r是目标到原点的距离；步骤2：利用二维空间波束形成方法建立天线的波束图F，如公式(1)所示；F(X,Y)=Σm=1Jw*ei*2πλ*(m*(dx*sin(X)*cos(Y)-dx*sin(θk))*cos(φk)+dy*sin(X)*sin(Y)-dy*sin(θk)*sin(φk))+Σn=1Kw*ei*2πλ*(dx*sin(X)*cos(Y)-dx*sin(θk))*cos(φk)+n*(dy*sin(X)*sin(Y)-dy*sin(θk)*sin(φk))---(1)]]>其中，J和K分别是x轴、y轴上的阵元个数；i是复数；λ是接收信号的波长；X、Y是波束图的坐标；dx、dy分别是x轴、y轴上阵元间的单位距离间隔；*表示相乘；θk、分别为入射信号的俯仰角与方位角；w为各阵元对应的加权值；步骤3：通过L型阵列的阵元数算出阵列最大口径Da，然后对L型阵列的阵列结构进行编码、调整，将结构信息转化为数字信息，并且保存为遗传算法的初始种群，构建适应度函数，利用遗传算法对初始种群进行遗传操作，以波束图性能为优化目标对L型阵列进行布阵优化，遗传数代后，得到一个优化后非均匀L型阵列阵元排布；对L型阵列的阵列结构进行编码、调整的具体实施步骤如下：步骤3.1：针对J_K阵列的L型阵列进行编码：将L型阵列看做一个染色体，针对J_K阵列，在形成个体的基因时，用J+K组随机生成的二进制字符串来表示该J_K阵列，二进制数字串的位数为Na，把每一个二进制字符串称为染色体上的一个基因；每个二进制字符串所代表的意义是当前阵元和前一个阵元的阵元间距，生成J+K个基因，作为遗传算法的初始种群保存，用遗传算法对于初始种群进行遗传操作；步骤3.2：当进行遗传操作时，对每代J+K个阵元间距D进行调整：当进行遗传操作时，将每代J+K个二进制字符串转化为十进制数字，十进制数字的值代表当前阵元和前一阵元的阵元间距；二进制字符串转化十进制数字可以利用公式(3)来进行计算，即将二进制字符串还原后得到阵元间距D；D=|N72Na-1|*Da---(3)]]>其中，N7代表的是随机生成的二进制字符串，|·|代表取整，Da是阵列最大口径；Na为二进制字符串位数；计算前J个阵元的位置时，生成每个阵元间距D后并对其进行计数，累计计算出整体口径的值，若阵元间距D的累计值即将超出阵列最大口径Da，则强制性的将后面阵元的阵元间距都调整为1；对后K个阵元的调整方法与前J个阵元相同；步骤3.3：当进行遗传操作时，初始的第一代种群由编码得到，同时进行一次调整，并对这代遗传基因构建一次适应度函数；之后每进行一代遗传时，进行一次调整，并对这代遗传基因构建一次适应度函数；遗传数代后得到最优的种群基因；适应度函数构建方法如下：步骤3.4：计算主瓣宽度：在波束图F中，以波峰点为中心向四周辐射，搜索波峰附近点的值，当某一个搜索点g′的下一个搜索点的值大于该搜索点g′的值，将该搜索点g′所处的位置作为波谷位置，将主瓣四周的波谷点的坐标记录下来得到主瓣的宽度信息；步骤3.5：计算旁瓣水平值：在主瓣范围以外其它峰点做和求平均值，作为平均旁瓣水平值；步骤3.6：适应度函数是两部分构成的，按照公式(4)构建适应度函数；objv＝a*mw‑b*ssl   (4)mw代表主瓣宽度，ssl代表最高旁瓣水平值的负值，a、b分别为主瓣宽度与旁瓣高度在适应度函数中所占权重；步骤4：在步骤3已经得到阵列排布的基础上，进一步建立适应度函数，适应度函数表示为objv′＝a′*mw‑b′*ssl′，式中ssl′为平均旁瓣水平，mw为主瓣宽度，a′、b′分别为主瓣宽度与旁瓣高度在适应度函数中所占权重；利用遗传算法，针对L型阵列每个阵元计算最优的加权值w；将步骤3得到的阵列排布带入公式(1)；将得到L型阵列每个阵元的加权值w带入公式(1)，计算出相同阵元条件下性能最优的波束图F，完成波束图优化。