稀疏共形阵列天线综合方法

ｔｈｅ ｅｖｅｎ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ａｒｒａｙｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ
ｍｏｄｅｌ，ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ
形波束。雷达系统接收到的空间信号通常会受到噪声或者干扰源的污染，如果干
扰信号和期望信号处在相同的频带，仅用时域滤波器是无法将信号和干扰区分开
的。不过期望信号和干扰信号通常是来自空间不同方向的，所以波束形成就是将
天线阵列的接收信号经过一定的加权，使阵列方向图在期望信号方向的增益恒定，
并且在干扰方向形成零点，使系统总的输出功率最小，从而完成空域滤波的目的。
上世纪四十年代至今，均匀间隔天线阵列（即周期阵列）的理论已获得了广泛
而深入的研究【ｌ】，例如给定阵元数和阵列响应（如笔形波束，扇形波束等），可以利
用传统的道尔夫．切比雪夫综合法、泰勒综合法、傅立叶逆变换法和数值优化等方
电子科技大学硕士学位论文
法实现阵列综合。 一般的阵列天线具有相同的阵元间距，一般不超过３，１２（名为波长），当要求天
自适应波束形成算法可以根据信号环境的变化，来自适应调整各阵元的加权因子，
达到增强信号同时抑制干扰的目的，从而使阵列的输出信号干扰噪声比（ＳｒＮＲ）最 大。波束形成的方法基本上有两类：一类为统计最优方法；另一类为非数据依赖 方法。其中，非数据依赖波束形成的设计与接收信号无关；统计最优方法的设计 依赖于接收信号的随机统计特性。
ａｒｒａｙｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＧＡ），ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＤＥ），
ａｒｒａｙｓ，ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ，ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｒｒａｙｓ
ｓｐａｒｓｅ
１１１
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢拘地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
ｐａｔｔｅｒｎ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｉｄｅｌｏｂｅ ｌｅｖｅｌ；Ｔｈｅｎ，ｈａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｓｐａｒｓｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ｅｖｅｎ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｍｏｄｅｌ，ＵＳｅＳ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｅｎｅｔｉｃ
关键词：遗传算法，差分进化算法，稀布阵列，圆形阵列，圆柱阵列
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｖａｒｉｏｕｓ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ，ｓｕｃｈ ａｓ ｍｉｓｓｉｌｅｓ，ａｉｒｃｒａｆｔ，ｃｒｕｉｓｅ
ｍｉｓｓｉｌｅｓ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｒｅａｔｅｒ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｗｅａｐｏｎｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｏｐｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｒａｄａｒ ｕｎｉｔｓ）ｔｈｅｙ ｃａｒｒｉｅｄ ｂｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｒｒａｙｓ ｃｏｉｎｃｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｒｃｒａｆｔ ｓｕｒｆａｃｅ，ｆｏｒｍｉｎｇ ａ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ａｒｒａｙｓ ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｉｎ
为了提高稀布阵列天线的实用性能，随机稀布阵列不仅需要有窄的波束宽度， 还需要有快速有效的波束形成算法，使得雷达稀布阵天线具有足够的增益和很低’ 的旁瓣，以提高其发现、识别目标的能力和抑制杂波的能力。稀布阵列天线的波 束所具有的主瓣宽度几乎与同口径的满阵的主瓣宽度相同，使得天线造价大致相 同的前提下，稀布阵列天线与阵元数相同的满阵天线相比具有更大的口径，因而 具有更窄的主瓣宽度，可对目标提供更好的分辨力。由于馈电网络的简化，使得 系统复杂性降低，信号处理任务减轻，有利于提高雷达系统的综合性能。目前， 、 随机稀布阵列已经应用于高频地面雷达天线、’ＳＩＡＲ（稀布阵综合脉冲与孔径雷达） 等军事领域１２－３１，开展随机稀布阵列波束形成优化算法的研究，具有重要意义和明 确的军事应用前景。
ａｒｒａｙ ｓｉｇｎａｌ’Ｓ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｈａｓ ｉｎｆｅｒｒｅｄ ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ
ａｒｒａｙｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｖｅｎ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ ｐ线的基础一圆形阵列和圆柱阵列天线，将共形阵 列天线和稀布阵列天线的相关技术相结合起来，进行稀布和稀疏布阵综合方法及 波束形成技术研究，主要包括以下几个方面：
首先，介绍了遗传算法和差分进化算法的基本概念、工作原理、算法流程及 其应用范围；再次，介绍了阵列信号的基本理论和相关技术，推导了任意阵列的 方向图函数，进行了均匀圆形阵列的方向图综合：采用有向阵元来优化旁瓣电平； 运用基本的遗传算法，进行唯相位、唯幅值、相位一幅值综合方法，进行旁瓣电 平的优化；然后，建立了稀布均匀圆形阵列的优化模型，运用改进的遗传算法、 改进的差分进化算法和两者的结合对全向阵元和有向阵元的圆形阵列天线单元进 行稀布；最后，推导了均匀圆柱阵列的方向图函数，建立了优化模型，运用标准 的遗传算法进行全向阵元和有向阵元的均匀圆柱阵列的稀疏。本文的研究成果可 以为稀布共形阵列的进一步研究提供参考。
ｓｐａｒｓｅ ａｒｒａｙｓ ａｎｔｅｎｎａｓ’ｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃａｒｒｙｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｒｓｅ ａｎｄ ｔｈｉｎ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ
ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ
形成技术主要应用在相控阵雷达、双（多）基雷达、高频超视距雷达、三坐标雷达
和一些电子对抗系统等。
…。．
一天线阵列既可以用来形成发射波束也可以形成接收波束，波束形成可以分为
数据独立波束形成、最佳波束形成和自适应波束形成。数据独立波束形成器是根
据系统要求设计的，不需要阵列输入信号的知识。数据独立波束包括多波束和赋
ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｂｉｇ ａｒｒａｙｓ
ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｔｅｎｎａｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｕｓｉｎｇ ｓｐａｒｓｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ａｒｒａｙｓ ａｎｔｅｎｎａ ｉｓ ａｎ
纳、通信、地震勘探、射电天文以及医疗诊断等多种领域。波束形成的主要目的
是使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，而使其零陷对准干扰方向，尽可能 地提高阵列输出所需信号的强度，同时减小干扰信号的强度，从而提高阵列输出
的信干噪比。其实质是一个多通道的阵列信号处理系统，它既不同于通常信号的 时域处理，也不同于频域处理，是一个空域滤波的概念。近二十年来，数字波束
ｔｈｅ ｄｉｒｅＣｔｉｏｎａｌ ａｒｒａｙｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｉｄｅｌｏｂｅ ｌｅｖｅｌ；ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ
ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ·ｏｎｌｙ，ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｏｎｌｙ，ｔｈｅ ｐｈａｓｅ·ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
ＲＣＳ．
Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ａｉｍｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ａｒｒａｙｓ ａｎｔｅｎｎａｓ’Ｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ…－ｃｉｒｃｕｌａｒ
ａｒｒａｙｓ ａｎｄ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ａｒｒａｙｓ ａｎｔｅｎｎａｓ，ｕｎｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ａｒｒａｙｓ ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ ｔｈｅ
签名： ＝！己 圣 至璺
日期：加唱年＼乙月２－３日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。
线阵列具有很高的角度分辨率时，由于阵列的方向图主瓣宽度近似与其物理尺寸 成正比，就必须加大阵列孔径，同时为了避免出现栅瓣，传统的采用等间隔布阵 的天线阵列就需要增加相当多的天线单元，这会使得天线系统的造价很高。而采 用非均匀间隔布阵的稀布阵列天线能避免上述缺点，由于阵元的稀疏布置，使得 天线阵列的孔径增大，扫描波束变窄，方向性增强，空间分辨率提高。但是稀布 阵列会存在增益比相同孔径的满阵低等缺点。
ｌｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｒｒａｙｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｉｎ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ａｒｒａｙｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ＋ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍａｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｐａｒｓｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ
ｍｏｄｉｆｉｅｄ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
ａｎｄ ｂｏｔｈ’Ｓ ｕｎｉｏｎ，ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｒｒａｙｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｐａｒｓｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｒａｙｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ；Ｆｉｎａｌｌｙ，ｈａｓ ｉｎｆｅｒｒｅｄ