一種陣列天線波束賦形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于陣列天線唯相位變換的波束賦形方法。設(shè)及在電流幅度不變 僅相位變化的情況下實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)場方向圖變化的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列天線唯相位變換波束賦形技術(shù)是一種僅通過相位加權(quán)來改變方向圖賦形的 方法。不同的福射方向圖是為了實(shí)現(xiàn)不同的作用。在很多實(shí)際應(yīng)用中，如空中交通管制雷 達(dá)、航天器、衛(wèi)星W及無線通信等，需要產(chǎn)生不同的福射方向圖。唯相位變換波束賦形方法 使得天線系統(tǒng)僅使用一個(gè)天線陣即可完成不同的任務(wù)，該就需要通過一些算法尋求一組合 理的激勵(lì)權(quán)值來控制天線波束的指向、寬度、形狀、副瓣電平、零陷點(diǎn)的位置。采用只改變饋 電相位分布的僅相位加權(quán)方法可使其不改變原有功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)和不增加新設(shè)備的情 況下，利用計(jì)算機(jī)控制移相器值的改變實(shí)現(xiàn)波束賦形，是非常經(jīng)濟(jì)的可行方法，由于相位控 制比功率控制更加容易實(shí)現(xiàn)且擁有更小的功率損耗，因此可W通過唯相位變換技術(shù)減少天 線增益損失。因此，研究陣列天線的唯相位變換技術(shù)是非常必要的。
[0003] 常規(guī)的方法是W單元的激勵(lì)相位作為優(yōu)化變量，通過優(yōu)化算法來完成，如化vis 將最小二乘法應(yīng)用于唯相加權(quán)的陣列波束賦形；Haupt用遺傳算法實(shí)現(xiàn)唯相加權(quán)的自適應(yīng) 零點(diǎn)生成；化zmalyan采用單坐標(biāo)最小化的方法實(shí)現(xiàn)唯相加權(quán)波束賦形和自適應(yīng)零點(diǎn)生 成，常規(guī)的方法當(dāng)單元的數(shù)量較多時(shí)，優(yōu)化變量也就很多，該樣導(dǎo)致優(yōu)化過程非常耗時(shí)，優(yōu) 化的結(jié)果無法逼近理想方向圖。
[0004] 本發(fā)明利用改進(jìn)型量化粒子群算法（QPS0)快速獲得理想方向圖的幅相值作為經(jīng) 典傅里葉（IFFT)迭代算法的初值，結(jié)合了量化粒子群算法良好的逼近理想方向圖的能力 W及迭代傅里葉算法成熟和運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，回避了初值選擇不當(dāng)后迭代傅里葉算法收 斂速度慢或無法收斂的缺點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)在功率保持一定的情況下，僅通過相位加權(quán)完成方 向圖賦形的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的在于提供一種線性陣列唯相位變化方向圖綜合方法。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：將線性陣列的每一單元電流幅度與相位幅度 做等間隔分段處理，取分段后每段的中間值作為量化值，算法運(yùn)行中計(jì)算可能的初值，中間 迭代值W及滿足唯相位變換方向圖的終值均量化到選擇分段后每段的中間值；選定智能算 法中的初始種群數(shù)，最大種群數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差最終值，非線性調(diào)節(jié)因子，縮放影子，適應(yīng)度 函數(shù)，循環(huán)次數(shù)等固定參數(shù)和計(jì)算公式，將隨機(jī)選取的量化值作為每個(gè)陣列單元幅度相位 的初始迭代值，取得滿足條件的單一方向圖綜合的幅相值。將滿足方向圖要求的幅相值作 為迭代傅里葉變化的初始值，在離散傅里葉變換得出方向圖的步驟中，電流幅度選擇兩個(gè) 方向圖綜合的電流幅度的均值作為下一步迭代值輸入，在應(yīng)用快速傅里葉變換之前，將方 向圖里不滿足要求的主瓣和副瓣部分直接用期望方向圖的模值代替。
[0007] -種陣列天線波束賦形方法，其特征在于：
[000引 （1)量化的相位值，便于應(yīng)用在實(shí)際工程。
[0009] (2)量化粒子群算法將每個(gè)單元的電流和相位進(jìn)行量化處理，將無限可能的值簡 化為有限個(gè)可能的值，通過縮小捜索范圍來獲得較強(qiáng)的局部捜索能力W增強(qiáng)算法的整體收 斂性能。
[0010] (3)將量化粒子群算法得出的單元幅相值作為迭代傅里葉算法的初值，提高經(jīng)典 迭代傅里葉算法收斂速度的同時(shí)保證了算法的最終收斂。
【附圖說明】
[0011] 圖1 ;共電流幅度僅相位加權(quán)下平頂波束賦形效果圖。
[0012] 圖2 ;共電流幅度僅相位加權(quán)下余割平方賦形效果圖。
[001引圖3 ;計(jì)算得出的共電流幅度值。
[0014] 圖4 ;計(jì)算得出的各方向圖對應(yīng)的相位值。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案具體實(shí)施過程如下：
[0016] 步驟一；將每個(gè)單元的幅相參數(shù)量化，確定幕數(shù)N，對線性陣列的每一個(gè)單元的電 流幅度和相位幅值分別按照上下限進(jìn)行等間隔分段，分段數(shù)量為/，取每個(gè)分段的中間值 作為量化值，并對每一個(gè)量化后電流幅度和相位幅度分別度按1~/進(jìn)行編號；假設(shè)QPS0 算法的單元數(shù)為M，則初始種群數(shù)初值設(shè)定為2M，最大種群數(shù)設(shè)定10M，可產(chǎn)生的種子區(qū)間 為[l，M/2]，解捜索空間為[1，2"] ;QPS0算法中的適應(yīng)度函數(shù)選擇為：
[0017]0. 8XI化化I+0. 2ILL_MAX-化化I，
[0018] 其中；MS化為方向圖旁瓣最高值；SLVL為理想方向圖旁瓣最高值；NLVL為所有指 定角處的模值；LL_MAX為理想方向圖的波紋的上下限；
[0019] 步驟二；QPS0算法具體實(shí)施步驟如下：
[0020] (a)計(jì)算粒子的初始位置和速度，速度和位置利用公式
[0021]
[00過其中W為慣性因子，Cl和C2為加速因子，r1和r2為[(H]之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，W的計(jì)算公式為：
[0023]
[0024] 其中Wm"，Wmi。分別表示W(wǎng)的最大值和最小值，f表示粒子當(dāng)前的目標(biāo)函數(shù)值，fwg 和fmi。分別表示當(dāng)前所有微粒的平均目標(biāo)值和最小目標(biāo)值。
[00巧]化）引入加權(quán)因子計(jì)算粒子的適應(yīng)度，對部分非優(yōu)勝粒子進(jìn)行混濁擾動(dòng)并得到新 的位置；
[0026]
[0027] 其中eta為混濁捜索區(qū)域半徑，yu由上式計(jì)算所得；
[0028] minf=f(X)
[0029]
[0030] M表示計(jì)算中定義的角度采樣點(diǎn)數(shù)0m為第m個(gè)采樣的角度，F(xiàn)(x，0m)為計(jì)算得出 方向圖，AF(0m)是理想設(shè)計(jì)的方向圖，0為適應(yīng)度函數(shù)加權(quán)因子；
[0031] (C)更新每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)值Pbest和種群的全局最優(yōu)值Gbest;
[003引 （d)如果滿足收斂條件，運(yùn)算終止，否則跳轉(zhuǎn)到步驟二；
[0033] 步驟將滿足方向圖要求的幅相值作為迭代傅里葉變化的初始值，在離散傅里 葉變換得出方向圖的步驟中，電流幅度選擇多個(gè)方向圖綜合的電流幅度的均值作為下一步 迭代值輸入，在應(yīng)用快速傅里葉變換之前，將方向圖里不滿足要求的主瓣和副瓣部分直接 用期望方向圖的模值代替。迭代傅里葉變換方法的步驟如下：
[0034] (a)在散傅里葉逆變換（IFFT)得出陣列方向圖的過程中，每一個(gè)單元的模值為 上次求出多個(gè)方向圖對應(yīng)模值的均值，相位幅值則為上次求出多個(gè)方向圖各自對應(yīng)的相位 值，并用0補(bǔ)齊余值；
[003引 化）在快速傅里葉變換腫T)反算各單元激勵(lì)的過程中，對于方向圖與理想方向 圖的模值不一致性，采用保留原方向圖的相位值，用理想方向圖的模值直接覆蓋的方法，迭 代后取前M值作為M個(gè)單元的幅相值；
[0036] (C)迭代傅里葉算法的過程中當(dāng)?shù)螖?shù)超過預(yù)定值后自動(dòng)停止迭代。
[0037] 實(shí)例1 ;線陣天線由29個(gè)單元組成，單元間距0. 5A，約束條件為平頂波束主瓣為 sin日I《0.41，波紋為0. 1，副瓣為-25地，余割平方賦形左副瓣范圍sin日《-0. 15， 右副瓣范圍為O.7《sin0《1，主瓣范圍-〇.〇34《sin0《0.6,波紋為0.1，副瓣 為-25地。表1中為各方向圖同功率不同相位值。
[0038] 表 1
[0039]


【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陣列天線波束賦形方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一：將每個(gè)單元的幅相參數(shù)量化，確定冪數(shù)N，對線性陣列的每一個(gè)單元的電流幅 度和相位幅值分別按照上下限進(jìn)行等間隔分段，分段數(shù)量為2N，取每個(gè)分段的中間值作為 量化值，并對每一個(gè)量化后電流幅度和相位幅度分別度按1~2N進(jìn)行編號；假設(shè)QPSO算法 的單元數(shù)為M，則初始種群數(shù)初值設(shè)定為2M，最大種群數(shù)設(shè)定10M，可產(chǎn)生的種子區(qū)間為[1， M/2]，解搜索空間為[1，2N] ;QPS0算法中的適應(yīng)度函數(shù)選擇為： 0.8 X IMSLL-SLVLI+0. 2 ILL_MAX-NLVL|, 其中：MSLL為方向圖旁瓣最高值；SLVL為理想方向圖旁瓣最高值；NLVL為所有指定角 處的模值；LL_MAX為理想方向圖的波紋的上下限； 步驟二：QPS0算法具體實(shí)施步驟如下： (a) 計(jì)算粒子的初始位置和速度，速度和位置利用公式其中w為慣性因子，cdP c 2為加速因子，r JP r 2為[01]之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，w的 計(jì)算公式為：其中WmaPwmil^v別表示W(wǎng)的最大值和最小值，f表示粒子當(dāng)前的目標(biāo)函數(shù)值，f avg和f min分別表示當(dāng)前所有微粒的平均目標(biāo)值和最小目標(biāo)值。 (b) 引入加權(quán)因子計(jì)算粒子的適應(yīng)度，對部分非優(yōu)勝粒子進(jìn)行混沌擾動(dòng)并得到新的位 置； X^1 =Xl+Cta(Iyij-X) 其中cta為混純搜索區(qū)域半徑，Yij由上式計(jì)算所得； min f = f (x)M表示計(jì)算中定義的角度采樣點(diǎn)數(shù)9m為第m個(gè)采樣的角度，F(xiàn)(x, Θ m)為計(jì)算得出方向 圖，AF(0m)是理想設(shè)計(jì)的方向圖，β為適應(yīng)度函數(shù)加權(quán)因子； (c) 更新每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)值Pbest和種群的全局最優(yōu)值G best; (d) 如果滿足收斂條件，運(yùn)算終止，否則跳轉(zhuǎn)到步驟二； 步驟三：將滿足方向圖要求的幅相值作為迭代傅里葉變化的初始值，在離散傅里葉變 換得出方向圖的步驟中，電流幅度選擇多個(gè)方向圖綜合的電流幅度的均值作為下一步迭代 值輸入，在應(yīng)用快速傅里葉變換之前，將方向圖里不滿足要求的主瓣和副瓣部分直接用期 望方向圖的模值代替；迭代傅里葉變換方法的步驟如下： (a) 在散傅里葉逆變換得出陣列方向圖的過程中，每一個(gè)單元的模值為上次求出多個(gè) 方向圖對應(yīng)模值的均值，相位幅值則為上次求出多個(gè)方向圖各自對應(yīng)的相位值，并用O補(bǔ) 齊余值； (b) 在快速傅里葉變換反算各單元激勵(lì)的過程中，對于方向圖與理想方向圖的模值不 一致性，采用保留原方向圖的相位值，用理想方向圖的模值直接覆蓋的方法，迭代后取前M 值作為M個(gè)單元的幅相值； (c) 迭代傅里葉算法的過程中當(dāng)?shù)螖?shù)超過預(yù)定值后自動(dòng)停止迭代。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種陣列天線波束賦形方法，屬于無線通信、信號處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種陣列天線唯相位變換波束賦形方法，即在功率保持不變的情況下僅通過相位加權(quán)來實(shí)現(xiàn)不同輻射要求的波束賦形，該發(fā)明包括以下部分：使用量化粒子群算法得出每一個(gè)理想方向圖對應(yīng)的單元幅相值作為迭代傅里葉變換的初值，應(yīng)用離散傅里葉逆變換(IFFT)得出數(shù)組方向圖，然后與期望方向圖比較得出新的方向圖，再應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)反算出新的單元激勵(lì)。本發(fā)明結(jié)合量化粒子群算法方向圖賦形的快速性、有效性以及迭代傅里葉算法能最終收斂和收斂速度快的特點(diǎn)，提高僅相位變化各方向圖的空域內(nèi)波束覆蓋的能力，因而具有較好的工程實(shí)用性。
【IPC分類】H01Q3/38, H04B7/04
【公開號】CN104901734
【申請?zhí)枴緾N201510361848
【發(fā)明人】祁崢東, 高國明, 袁洪, 簡玲
【申請人】中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年6月26日