一種基于l型陣列天線(xiàn)的波束形成及波束圖優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天線(xiàn)的波束形成以及波束圖優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，使用線(xiàn)性陣列測(cè)量角度信息的技術(shù)得到了飛快的發(fā)展，然而線(xiàn)性陣列測(cè) 角存在著它的局限性，即只能得到一維的角度信息。對(duì)于信號(hào)的二維角度信息，必須使用面 陣進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)華英博等人在1991年的研宄表明，對(duì)于二維角的測(cè)量，L型陣列比其他 的簡(jiǎn)單二維陣（如環(huán)形陣，十字陣等）具有更高的潛在測(cè)角精確度。同時(shí)，由于L型陣列還 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于布陣等優(yōu)點(diǎn)而成為研宄熱點(diǎn)。然而L型陣列存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，相比 于均勻矩形二維陣來(lái)說(shuō)，L型陣列的直接波束形成方向圖性能較差，它的測(cè)角分辨率和測(cè)角 精度由于陣元數(shù)較少的緣故并不理想。針對(duì)L型陣列的這一個(gè)缺點(diǎn)，對(duì)L型陣列進(jìn)行波束 形成以及波束圖優(yōu)化的意義十分重要，通過(guò)對(duì)L型陣列進(jìn)行布陣優(yōu)化，可以進(jìn)一步的增強(qiáng)L 型陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，陣元數(shù)目少的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以改善L型陣列的劣勢(shì)，即使得其波束形成 方向圖的性能得到優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)的L型陣列由于陣元數(shù)較少形成的波束圖測(cè)角分 辨率和測(cè)角精度不高的問(wèn)題。
[0004] 一種基于L型陣列天線(xiàn)的波束形成及波束圖優(yōu)化方法，包括下述步驟：
[0005] 步驟1 :將矩形陣中央部分陣元除去，只保留相鄰邊界兩列陣元所得到的陣列基 本結(jié)構(gòu)即為L(zhǎng)型陣列；建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系xyz，設(shè)天線(xiàn)陣列存在于xy軸組成的平面 內(nèi)，L型陣列的兩列陣元分別與x軸，y軸重合，由空間坐標(biāo)為P(0 k，（K，r)入射的某一波 束與y、z軸的夾角分別為0k，<i>k; 9k命名為入射信號(hào)的俯仰角，巾k命名為入射信號(hào)的方 位角，r是目標(biāo)到原點(diǎn)的距離；
[0006] 步驟2 :利用二維空間波束形成方法建立天線(xiàn)的波束圖F，如公式⑴所示；
[0007] 其中，J和K分別是x軸、y軸上的陣元個(gè)數(shù)；i是復(fù)數(shù)；A是接收信號(hào)的波長(zhǎng)；X、 Y是波束圖的坐標(biāo)（波束圖為若干個(gè)點(diǎn)組成，X、Y是波束圖每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)）；dx、dy分別是x 軸、y軸上陣元間的單位距離間隔；*表示相乘；0 k、％分別為入射信號(hào)的俯仰角與方位角； w為各陣元對(duì)應(yīng)的加權(quán)值；
[0008] 步驟3 :通過(guò)L型陣列的陣元數(shù)算出陣列最大口徑Da，然后對(duì)L型陣列的陣列結(jié)構(gòu) 進(jìn)行編碼、調(diào)整，將結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并且保存為遺傳算法的初始種群，構(gòu)建適應(yīng) 度函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)初始種群進(jìn)行遺傳操作，以波束圖性能為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)L型陣列進(jìn) 行布陣優(yōu)化，遺傳數(shù)代后，得到一個(gè)優(yōu)化后非均勻L型陣列陣元排布；
[0009] 在遺傳過(guò)程中，初始的第一代種群由編碼得到，之后每進(jìn)行一代遺傳時(shí)，進(jìn)行一次 調(diào)整，并對(duì)這代遺傳基因構(gòu)建一次適應(yīng)度函數(shù)；
[0010] 步驟4 :在步驟3已經(jīng)得到陣列排布的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立適應(yīng)度函數(shù)，利用遺傳 算法，針對(duì)L型陣列每個(gè)陣元計(jì)算最優(yōu)的加權(quán)值w ;
[0011] 將步驟3得到的陣列排布帶入公式（1);將得到L型陣列每個(gè)陣元的加權(quán)值W帶 入公式（1)，計(jì)算出相同陣元條件下性能最優(yōu)的波束圖F，完成波束圖優(yōu)化。
[0012] 步驟4使用的適應(yīng)度函數(shù)與步驟3中陣元結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)使用的適應(yīng)度函數(shù)相同，因 為這兩步優(yōu)化的關(guān)系是遞進(jìn)的，步驟4優(yōu)化的目的是使得步驟3優(yōu)化的結(jié)果得到進(jìn)一步優(yōu) 化，若兩次優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)不同，這種遞進(jìn)式的優(yōu)化是無(wú)法達(dá)成且沒(méi)有意義的。
[0013] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] 本發(fā)明基于遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行了多次優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)的L型陣列由于陣 元數(shù)較少形成的波束圖測(cè)角分辨率和測(cè)角精度不高的問(wèn)題；波束圖中主瓣寬度越窄，測(cè)角 分辨率越高，最高旁瓣水平越低測(cè)角精度越高，本發(fā)明的測(cè)角分辨率和測(cè)角精度可以得到 很大優(yōu)化，優(yōu)化后的主瓣寬度可以達(dá)到到原來(lái)的3%，最高旁瓣水平可以比優(yōu)化前降低約 2db。而且在實(shí)際的工程中利用L型陣列進(jìn)行測(cè)角時(shí)，利用本發(fā)明公布的方法可以得到相同 陣元條件下最佳的陣列布陣方式以及加權(quán)方法，由于優(yōu)化過(guò)程中沒(méi)有增加陣元，所以對(duì)于 實(shí)際雷達(dá)陣的規(guī)模與成本沒(méi)有影響。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為L(zhǎng)型陣列示意圖；
[0016] 圖2為空間坐標(biāo)一點(diǎn)入射的某一波束與x、y、z軸的夾角示意圖；
[0017] 圖3為13*13均勻矩形陣得到的波束圖；
[0018] 圖4為13-13L型陣列得到的波束圖；
[0019] 圖5為本發(fā)明得到的波束圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0020] 一，一種基于L型陣列天線(xiàn)的波束形成及波束圖優(yōu)化方法，包括下 述步驟：
[0021] 步驟1 :將矩形陣中央部分陣元除去，只保留相鄰邊界兩列陣元所得到的陣列基 本結(jié)構(gòu)即為L(zhǎng)型陣列，如圖1所示；建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系 xyz，設(shè)天線(xiàn)陣列存在于xy軸 組成的平面內(nèi)，L型陣列的兩列陣元分別與x軸，y軸重合，由空間坐標(biāo)為P(0 k，（K，r)入 射的某一波束與y、z軸的夾角分別為0k，<i>k; 9 k命名為入射信號(hào)的俯仰角，巾k命名為入 射信號(hào)的方位角，r是目標(biāo)到原點(diǎn)的距離，如圖2所示；
[0022] 步驟2 :利用二維空間波束形成方法建立天線(xiàn)的波束圖F，如公式⑴所示；
[0023]
[0024] 其中，J和K分別是x軸、y軸上的陣元個(gè)數(shù)；i是復(fù)數(shù)；A是接收信號(hào)的波長(zhǎng)；X、 Y是波束圖的坐標(biāo)（波束圖為若干個(gè)點(diǎn)組成，X、Y是波束圖每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)）；dx、dy分別是x 軸、y軸上陣元間的單位距離間隔；*表示相乘；0 k、％分別為入射信號(hào)的俯仰角與方位角； w為各陣元對(duì)應(yīng)的加權(quán)值；
[0025] 步驟3 :通過(guò)L型陣列的陣元數(shù)算出陣列最大口徑Da，然后對(duì)L型陣列的陣列結(jié)構(gòu) 進(jìn)行編碼、調(diào)整，將結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并且保存為遺傳算法的初始種群，構(gòu)建適應(yīng) 度函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)初始種群進(jìn)行遺傳操作，以波束圖性能為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)L型陣列進(jìn) 行布陣優(yōu)化，遺傳數(shù)代后，得到一個(gè)優(yōu)化后非均勻L型陣列陣元排布；
[0026] 在遺傳過(guò)程中，初始的第一代種群由編碼得到，之后每進(jìn)行一代遺傳時(shí)，進(jìn)行一次 調(diào)整，并對(duì)這代遺傳基因構(gòu)建一次適應(yīng)度函數(shù)；
[0027] 步驟4 :在步驟3已經(jīng)得到陣列排布的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立適應(yīng)度函數(shù)，利用遺傳 算法，針對(duì)L型陣列每個(gè)陣元計(jì)算最優(yōu)的加權(quán)值w ;
[0028] 將步驟3得到的陣列排布帶入公式⑴；將得到L型陣列每個(gè)陣元的加權(quán)值w帶 入公式（1)，計(jì)算出相同陣元條件下性能最優(yōu)的波束圖F，完成波束圖優(yōu)化。
[0029] 步驟4使用的適應(yīng)度函數(shù)與步驟3中陣元結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)使用的適應(yīng)度函數(shù)相同，因 為這兩步優(yōu)化的關(guān)系是遞進(jìn)的，步驟4優(yōu)化的目的是使得步驟3優(yōu)化的結(jié)果得到進(jìn)一步優(yōu) 化，若兩次優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)不同，這種遞進(jìn)式的優(yōu)化是無(wú)法達(dá)成且沒(méi)有意義的。
[0030] 由于優(yōu)化過(guò)程中沒(méi)有增加陣元，所以對(duì)于實(shí)際雷達(dá)陣的規(guī)模與成本沒(méi)有影響。
[0031] 【具體實(shí)施方式】二，本實(shí)施方式所述步驟3中陣列最大口徑Da的計(jì)算步驟如下：
[0032] 針對(duì)JJ(陣列的L型陣列，利用公式⑵來(lái)分別計(jì)算陣列x軸和y軸的陣列最大 口徑：
[0033]
[0034] 式中：N = J或者K，表示x軸或y軸的陣元個(gè)數(shù)；NK表示冗余的數(shù)目。
[0035] 乂通過(guò)查表1得出
[0036] 表1 N和乂對(duì)照表
[0037]
[0038] 其它步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0039] 三：本實(shí)施方式所述步驟3中對(duì)L型陣列的陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼、調(diào)整 的具體實(shí)施步驟如下：
[0040] 步驟3. 1 :針對(duì)J_K陣列的L型陣列進(jìn)行編碼：
[0041] 將L型陣列看做一個(gè)染色體，針