基于子阵划分的低副瓣阵列天线新型综合方法研究

摘要

低副瓣阵列天线因其可以提升抗干扰性能而广泛应用于高性能雷达、通信等系统。现阶段，为了获得较大的阵列增益，需要增大阵列口径，增多阵列单元数目。但是制造含有大量有源单元的天线阵列十分复杂且耗资巨大。近年来，专家学者们提出了基于子阵划分技术的新型阵列天线，此种阵列天线将常规阵列对单元激励幅相的设计转变为对子阵划分方式及子阵激励的同时设计，使阵列不仅具有低副瓣、高方向性系数的特性，还减少了阵列中有源天线单元的数量，从而降低了阵列天线的复杂程度与制造成本。上述基于子阵划分的阵列综合问题在数学上是混合实数-整数的复杂优化问题，故而难以使用常规方法进行求解。因此，研究基于子阵划分的低副瓣阵列天线方向图综合方法具有重要的理论意义和工程应用价值。论文主要采用几种新型混合方法对基于子阵划分技术的阵列天线进行了低副瓣综合，其主要工作与成果可归纳为： 1.提出了一种集成了凸优化的新型混合差分进化(DE-CP)算法。首先，建立了混合算法所能处理低副瓣阵列综合问题的优化模型。其中，差分进化算法只用于处理与阵列布局有关的变量，例如阵元位置、子阵划分方式等。在差分进化算法求解过程中建立凸子问题用来处理阵元激励的变量。其次，建立了差分进化算法适应度函数与凸子问题最优解之间的关系，构造了适合新型混合DE-CP算法的适应度函数。最后，对对称/非对称方向图不等间距直线阵、扩展单元不等间距直线阵以及单脉冲均匀直线阵进行了低副瓣综合，给出了具体优化模型，并将仿真结果与其它算法作了比较。相比于现有综合算法，由于DE-CP算法最大限度地利用了低副瓣阵列天线设计中问题的“凸”性，在上述低副瓣阵列综合问题中均可以获得更好的解。 2.提出了一种基于连续子阵划分的低副瓣单脉冲阵列综合技术。现有基于子阵划分的单脉冲阵列综合技术中，由于同一子阵内单元的位置不连续，从而产生大量电路交叉点，导致馈电网络难以工程实现。为了克服这一缺点，提出了一种基于连续子阵划分的低副瓣单脉冲直线阵与圆弧共形阵综合技术。首先，建立了新型约束优化问题模型用以描述基于连续子阵划分的低副瓣单脉冲阵列综合问题。其次，构造了合适的适应度函数将该问题转化为一个无约束优化问题，并采用基于成功父代选择框架的混合差分进化算法(SPS-DE)对该问题进行求解。最后，结合四种单脉冲阵列算例验证了所提出综合技术的有效性。在这四种算例中，首先，综合了基于传统不连续子阵的低副瓣单脉冲阵列并将结果与其它文献的方法进行对比，仿真结果表明了SPS-DE算法适合于求解基于子阵的单脉冲阵列综合问题。其次，当单脉冲阵列子阵中天线单元的位置连续时，分别采用Dolph-Chebyshev综合法和联合优化方法得到了和方向图，说明了联合优化和方向图的必要性。最后，对基于连续子阵划分的单脉冲共形圆弧阵进行了低副瓣综合。仿真结果表明，所提出的基于连续子阵划分的阵列综合技术适合于低副瓣单脉冲直线阵与圆弧共形阵综合。 3.提出了一种新型混合迭代傅里叶-模糊C均值聚类(IFT-FCM)算法。为了克服现有基于连续/不连续子阵划分的低副瓣阵列综合方法计算时间长，需要先验知识多的缺点，提出了一种新型混合IFT-FCM算法。首先，采用FCM算法建立了直线阵子阵划分方式与阵列天线单元激励幅度之间的关系，并将其融入IFT算法中。其次，针对要求同一子阵天线单元位置连续的单个和或差方向图低副瓣阵列综合问题，提出了一种基于阵元激励与位置的单调辅助激励序列使子阵内单元位置满足连续性要求。最后，采用所提出的IFT-FCM算法优化综合了均匀子阵和方向图、非均匀连续子阵和方向图、非均匀连续子阵差方向图以及非均匀不连续子阵单脉冲方向图的峰值副瓣电平。四种算例的仿真结果与其他文献中已有的结果进行了比较，其结果表明在获得相同甚至更低峰值副瓣电平的前提下，所提出的IFT-FCM算法与文献中的方法相比计算时间大幅减少。

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ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 论文选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.2 基于凸优化算法的阵列综合研究现状

1.2.3 基于迭代傅里叶技术的阵列综合研究现状

1.2.4 基于子阵划分技术的阵列综合研究现状

1.3 论文研究内容及主要工作

1.3.2 论文主要工作

第二章 阵列综合基本理论与方法

2.2.1 阵因子与阵列方向图

2.2.2 阵列天线辐射参数

2.3 阵列天线传统综合方法

2.4 凸优化算法

2.4.2 凸优化问题求解方法

2.5 基于成功父代选择框架的混合差分进化算法

2.5.1 标准差分进化算法

2.5.2 成功父代选择框架下的混合差分进化算法

2.5.3 约束及离散变量处理技术

2.6 迭代傅里叶技术

2.6.2 迭代傅里叶技术计算步骤

2.7 模糊C均值聚类算法

2.8 本章小结

第三章 基于集成凸优化的混合差分进化算法的低副瓣阵列综合

3.2 DE-CP算法介绍

3.3 低副瓣对称方向图不等间距直线阵综合

3.3.1 优化模型

3.3.2 综合实例及结果比较

3.4 低副瓣不对称方向图不等间距直线阵综合

3.4.1 优化模型

3.4.2 综合实例及结果比较

3.5 低副瓣扩展单元不等间距直线阵综合

3.5.1 优化模型

3.5.2 综合实例及结果比较

3.6 低副瓣单脉冲等间距直线阵综合

3.6.1 优化模型

3.6.2 综合实例及结果比较

3.7 本章小结

第四章 基于连续子阵划分的低副瓣单脉冲阵列综合技术

4.1 引言

4.2 新型非均匀连续子阵划分技术

4.3 基于不连续子阵划分的单脉冲直线阵低副瓣差方向图综合

4.3.1 优化模型

4.3.2 综合实例及结果比较

4.4 基于连续子阵划分的单脉冲直线阵低副瓣差方向图综合

4.4.2 综合实例及结果比较

4.5 基于连续子阵划分的单脉冲直线阵低副瓣和差方向图综合

4.5.2 综合实例及结果比较

4.6 基于连续子阵划分的单脉冲圆弧共形阵低副瓣和差方向图综合

4.6.1 优化模型

4.6.2 综合实例及结果比较

4.7 本章小结

第五章 基于混合迭代傅里叶-模糊C均值聚类算法的低副瓣子阵阵列综合

5.2 应用于连续单元子阵划分的辅助序列

5.3 基于IFT的低副瓣直线阵均匀子阵综合

5.3.1 计算公式

5.3.2 综合步骤

5.4 基于IFT-FCM的低副瓣直线阵非均匀连续子阵综合

5.4.1 计算公式

5.4.2 综合步骤

5.4.3 综合实例及结果比较

5.5 基于IFT-FCM的低副瓣单脉冲直线阵不连续子阵综合

5.5.1 计算公式

5.5.2 综合步骤

5.5.3 综合实例及结果比较

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.2 需要进一步研究的问题

参考文献

致 谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读博士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 申请（授权）专利

3.3 参与科研项目及获奖