天线阵列优化研究

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的非周期的方法加以控制，从而出现了许多非周期阵列的设计方法。关于这方面有 很多研究， SKOLNIK 采用密度锥削的方法[12]， 使单元密度与一个常规满阵的口径照射 幅度成正比，这种方法简单很容易应用于大型阵列的设计中，但是不能保证副瓣峰 值电平被抑制到低于给定的电平； 动态编程法[13]是一种控制副瓣峰值电平的好方法， 可以应用于大型阵列， 但是极易陷入局部最小值； 许多传统的优化方法 （例如 Powell 方法、共轭梯度法等）不适合优化大量参数或离散参数。 遗传算法（Genetic algorithm ，简称 GA）是一种全局性的优化方法，不仅能 避免计算搜索过程陷入局部最优，而且在所定义的适应度函数非连续、不规则和伴 有噪声的情况下也能以极大的概率找到全局最优解，非常适用于大规模阵列天线的 处理[14-16] 。HAUPT[17-18]采用 GA 优化稀疏阵，阵列单元是辐射特性一直，稀疏是从规 则的栅格中抽去天线单元或接匹配负载，从而得到比较低的副瓣电平。这种方法说 明通过统计稀疏结合离散幅度量化加权可以降低副瓣电平[19]。 在综合孔径技术中，对阵列进行排列优化是以得到最小冗余度的排列方式作为 最终稀疏目标。目前，综合孔径的排列算法主要有：Leech 算法，它给出了 n 小于 12 n ≺ 12 时的最佳阵列结构，还给出了对于天线单元数目 n 较大时的冗余度范围 （1.217，1.674）；Ishiguro 算法，给出了一种适合于大数目天线单元的排列的递 归法，这种方法简单而快速；Blanton 算法，该算法利用穷举+约束条件的思想，按 树—节点—叶子的搜索遍历算法。模拟退火算法，它给出了 n 小于 30 n ≺ 30 时的最 佳排列方式[20-21]。 模拟退火算法具有很强的全局优化搜索能力，不受搜索空间的限制假设约束， 不要求具备连续性、可导性或单峰等假设，算法不但可往好的方向走，也可往差的 方向走，即能以一定的概率接受目标函数值不太好的状态，这使得算法即便落入局 部最优的陷阱中，理论上经过足够长的时间后也可跳出来，从而收敛到全局最优解。 这意味着，算法形成足够高的初始温度，缓慢的退火速度，大量的迭代次数及同一 温度下足够的扰动次数[22-23]。 在阵列的天线单元数、阵列的排列方式和各个天线单元的方向图都给定的情况 下，阵列的权值唯一地决定阵列的方向图，也就是说，阵列的方向图是权值的函数。 如何寻找一组权值，是阵列权值优化要做的工作。要得到所需要的阵列方向图或阵 列权值（阵列方向图和权值是对应的），就要设计一种有效的算法，通过这种算法 可以快速、稳定地找到所需的权值。如何设计这种算法，是阵列权值优化所要解决 的主要问题[24-28]。 1946 年，Dolph 首先提出在均匀线阵的基础上实现切比雪夫方向图的方法，这
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自适应天线阵是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的。自适应阵 以天线阵列为基础，在取得电磁信息之后, 使用人工智能的方法进行处理，对电磁环 境做出分析、判断，并自动调整本身的工作状态使之达到最佳。自适应阵列既对目 标进行测向，又对各种干扰源进行测向, 在形成波束时，不仅使接收功率最大，而且 使噪声降到最低，从而使接收信号的信噪比最高[4-5]。 天线阵还被应用于综合孔径辐射计。传统实孔径天线的机械扫描成像方式不仅 数据率低，实时成像困难，而且受到工作波长及天线尺寸等因数的制约，空间分辨 率较低。而当天线尺寸大到一定程度时，制造和机械扫描都会遇到困难。因此，为 了解决或改善实孔径天线辐射计应用中遇到的难题，需要采用阵列成像技术提高辐 射计系统的性能，现有的阵列成像技术主要有干涉式综合孔径技术[6-8]。
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华中科技大学 硕士学位论文 天线阵列优化研究 姓名：朱丹丹 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：李青侠 20060428
摘
要
作为无源遥感器，综合孔径微波辐射计除在遥感领域的应用外，还在目标探测 方面有潜在的应用前景。综合孔径微波辐射计利用孔径综合原理在空间频率域中采 样，通过傅氏变换获得包含目标的场景的微波亮温图像，在微波亮度温度图像中搜 索目标实现对目标的探测。自适应天线可应用于目标跟踪，自适应天线阵通过多波 束形成算法，在视场空间产生多个波束，对动态目标进行跟踪。因此，如果能在一 个系统中同时采用综合孔径和自适应阵列两种处理方式，则两者可以互补，更好地 实现对动态目标的探测与跟踪。 本文重点研究如何在综合孔径阵列的排列方式上，进行自适应阵列的排列优化 和权值优化，使阵列主瓣宽度一定的情况下尽量降低最大旁瓣值。本文首先研究了 自适应阵排列优化算法：在综合孔径排列方式的基础上，添加若干个天线单元，并 运用遗传基因算法确定添加的天线单元的位置。 本文还研究了Olen & Compton权值优化算法在各种直线阵中的应用。最后，本 文将自适应阵的排列优化算法和权值优化算法相结合，提出阵列的综合优化算法。 仿真结果表明，使用本文提出的综合优化算法对综合孔径排列的阵列进行综合优化 后，最大旁瓣值能够降低6dB以上，比只采用排列优化算法或者权值优化算法时降低 了1倍以上。 关键词：权值优化; Olen & Compton; 稀疏阵列; 遗传算法; 模拟退火; 综合孔径
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Abstract
Synthetic aperture microwave radiometer has a very good foreground in remote sensing and object detecting. Synthetic aperture radiometer applies the interferometric principle to sample in the spatial frequency domain and retrieves the image by Fourier or other numerical transformation. It’s easy to detect object, but complex to track object. Adaptive array can easily track object, if a system can use both synthetic aperture and adaptive array technique, the system will be better to detect and track object. This paper studies how to arrange an adaptive array and how to find the best weights of an adaptive array under a synthetic aperture array. First this paper studies the algorithm of how to arrange an adaptive array: adding some antenna in the synthetic aperture array, and using genetic algorithm to decide the add position. Study result indicates that after using genetic algorithm to arrange an adaptive array, the biggest side lobe of the array can fall three dB. This paper also studies the application of Olen & Compton algorithm in varied line arrays. Study result indicates that after using Olen & Compton algorithm in uniformity line array and little thinned array, the biggest side lobe of the array can fall ten dB; after using Olen & Compton algorithm in synthetic aperture array, the biggest side lobe of the array can fall one dB. Finally, this paper combined the genetic algorithm and the Olen & Compton algorithm together, forming a synthesis algorithm. Study result indicates that after using synthesis algorithm in synthetic aperture array, the biggest side lobe of the array can fall six dB, falling once than just using genetic algorithm or the Olen & Compton algorithm. Key Words： weight optimization; Olen&Compton; thinned array; genetic algorithm; simulated annealing; synthetic aperture
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
1.2 天线阵列优化的研究现状
天线阵列由两个或两个以上的离散天线组成，组成天线阵的单个天线叫做天线 单元，一般是弱方向性天线，如半波振子、缝隙天线等。由于各天线单元产生的电 磁场在观察点的相位差随方向而变化，合成场在一些方向增强，另一些方向减弱， 因而天线阵列可以得到不同于天线单元方向性的方向图。 天线阵列的方向图由阵列的天线单元数、阵列的排列方式、阵列的权值和各个 天线单元的方向图共同决定，修改其中的任一个参数都可以改变天线阵列的方向图。 天线阵列优化主要包括天线阵列排列优化和天线阵列权值优化[9-10]。 在阵列的天线单元数、阵列的权值和各个天线单元的方向图都给定的情况下， 阵列的排列方式唯一地决定阵列的方向图，也就是说，阵列的方向图是阵列的排列 方式的函数。如何寻找最佳的排列方式，是阵列排列优化研究的内容。 在自适应天线阵中，对阵列进行排列优化是以得到高方向性的方向图为目标的。 在许多应用中，天线阵列要求有窄的扫描波束，而不要求有相应的增益。阵列波束 宽度与口径的最大尺寸有关， 增益与照射口径面积有关， 因此可以采用稀疏阵列 （即 从规则的栅格中抽去天线单元）的方法构造出一个降低了增益的高方向性天线阵列， 以较少的单元数达到技术指标，从而大大降低生产成本[11]。 但是，阵列的周期性变稀会使方向图出现非常高的副瓣，这可以通过破坏阵列
1பைடு நூலகம்
干涉式综合孔径技术是提高辐射计空间分辨率的一种有效的手段，它普遍采用 了稀疏阵列配置，已经广泛的应用在射电天文观测和地球环境遥感等被动成像系统 中。它的基本思想是：采用空间频率域的测量代替传统辐射计对空间域的直接测量， 即利用具有不同基线长度和方向的二元干涉仪进行空间频率域的采样,然后再经过 傅立叶变换获得空间图像，最后能得到与大孔径天线相同的接收结果。 综合孔径辐射计利用孔径综合原理在空间频率域中采样，并通过变换获取动态 目标的反演亮温图像，从而实现对目标的探测。但是，通过此方式对动态目标进行 跟踪时处理过程烦琐，而自适应天线阵可以解决这个问题。自适应天线阵通过多波 束形成算法，在整个扫描空间产生多个波束，监控目标空间的亮温变化情况，完成 对动态目标的跟踪。因此，在一个系统中，本文希望对同一个天线阵列采用综合孔 径和自适应阵两种处理方式。 本文重点研究如何在综合孔径阵列的排列方式上，进行自适应阵列的排列优化 和权值优化，使阵列主瓣宽度一定的情况下尽量降低最大旁瓣值。
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1 绪论
1.1 天线阵列概述
无线电波在通信、广播、目标探测、导航等领域有广泛的应用，而无线电波的 发射与接收，则依靠天线来完成[1] 。 一个多世纪以来,特别是二次世界大战后,天线理论、设计和应用得到了迅猛的 发展，天线阵列是天线中重要的一类。两个或两个以上的离散天线组成的天线系统 称为天线阵。天线阵有多种，根据单元的排列形式有线阵和平面阵[2]。 直线阵是由多个互相分离，且其中心排列在一条直线上的单元构成的天线阵。 直线阵分为均匀直线阵和非均匀直线阵：均匀直线阵是指相邻天线单元之间距离相 等，相邻单元的激励相位差恒定，也就是说各个单元是按相等步进相位规律激励的 直线阵；非均匀直线阵是指相邻天线单元之间距离不相等，各个单元是按不同步进 相位规律激励的直线阵。 平面阵即组成阵列的所有单元都位于同一个平面上的天线阵。按照阵列中单元 分布形式和天线总轮廓的形状来说，面阵大致可分为矩形阵（包括方形阵） 、圆形阵 （包括圆环阵）和椭圆阵三种。利用平面阵容易形成实际需要的不同类型的波束， 如单波束、多波束和具有较低副瓣的对称的锥状波束等。阵列形成的波束可以动态 地改变，使其主波瓣指向空间的任一方向，从而实现电扫描。 天线阵列被应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间滤波和定位