一種基于l型陣列天線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，使用線性陣列測量角度信息的技術(shù)得到了飛快的發(fā)展，然而線性陣列測 角存在著它的局限性，即只能得到一維的角度信息。對于信號的二維角度信息，必須使用面 陣進行測量。根據(jù)華英博等人在1991年的研宄表明，對于二維角的測量，L型陣列比其他 的簡單二維陣（如環(huán)形陣，十字陣等）具有更高的潛在測角精確度。同時，由于L型陣列還 具有結(jié)構(gòu)簡單，易于布陣等優(yōu)點而成為研宄熱點。然而L型陣列存在一個嚴重的問題，相比 于均勻矩形二維陣來說，L型陣列的直接波束形成方向圖性能較差，它的測角分辨率和測角 精度由于陣元數(shù)較少的緣故并不理想。針對L型陣列的這一個缺點，對L型陣列進行波束 形成以及波束圖優(yōu)化的意義十分重要，通過對L型陣列進行布陣優(yōu)化，可以進一步的增強L 型陣列結(jié)構(gòu)簡單，陣元數(shù)目少的優(yōu)勢，同時也可以改善L型陣列的劣勢，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角分 辨率和測角精度不高的問題。
[0004] 一種基于L型陣列天線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型陣列；建立一個空間直角坐標系xyz，設天線陣列存在于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命名為入射信號的俯仰角，巾k命名為入射信號的方 位角，r是目標到原點的距離；
[0006] 步驟2 :利用二維空間波束形成方法建立天線的波束圖F，如公式⑴所示；
[0007] 其中，J和K分別是x軸、y軸上的陣元個數(shù)；i是復數(shù)；A是接收信號的波長；X、 Y是波束圖的坐標（波束圖為若干個點組成，X、Y是波束圖每個點的坐標）；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、％分別為入射信號的俯仰角與方位角； w為各陣元對應的加權(quán)值；
[0008] 步驟3 :通過L型陣列的陣元數(shù)算出陣列最大口徑Da，然后對L型陣列的陣列結(jié)構(gòu) 進行編碼、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 度函數(shù)，利用遺傳算法對初始種群進行遺傳操作，以波束圖性能為優(yōu)化目標對L型陣列進 行布陣優(yōu)化，遺傳數(shù)代后，得到一個優(yōu)化后非均勻L型陣列陣元排布；
[0009] 在遺傳過程中，初始的第一代種群由編碼得到，之后每進行一代遺傳時，進行一次 調(diào)整，并對這代遺傳基因構(gòu)建一次適應度函數(shù)；
[0010] 步驟4 :在步驟3已經(jīng)得到陣列排布的基礎(chǔ)上，進一步建立適應度函數(shù)，利用遺傳 算法，針對L型陣列每個陣元計算最優(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型陣列每個陣元的加權(quán)值W帶 入公式（1)，計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使用的適應度函數(shù)與步驟3中陣元結(jié)構(gòu)優(yōu)化時使用的適應度函數(shù)相同，因 為這兩步優(yōu)化的關(guān)系是遞進的，步驟4優(yōu)化的目的是使得步驟3優(yōu)化的結(jié)果得到進一步優(yōu) 化，若兩次優(yōu)化的適應度函數(shù)不同，這種遞進式的優(yōu)化是無法達成且沒有意義的。
[0013] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] 本發(fā)明基于遺傳算法對結(jié)構(gòu)陣列進行了多次優(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角分辨率和測角精度不高的問題；波束圖中主瓣寬度越窄，測角 分辨率越高，最高旁瓣水平越低測角精度越高，本發(fā)明的測角分辨率和測角精度可以得到 很大優(yōu)化，優(yōu)化后的主瓣寬度可以達到到原來的3%，最高旁瓣水平可以比優(yōu)化前降低約 2db。而且在實際的工程中利用L型陣列進行測角時，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)化過程中沒有增加陣元，所以對于 實際雷達陣的規(guī)模與成本沒有影響。
【附圖說明】
[0015] 圖1為L型陣列示意圖；
[0016] 圖2為空間坐標一點入射的某一波束與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。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0020] 一，一種基于L型陣列天線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型陣列，如圖1所示；建立一個空間直角坐標系 xyz，設天線陣列存在于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命名為入射信號的俯仰角，巾k命名為入 射信號的方位角，r是目標到原點的距離，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軸上的陣元個數(shù)；i是復數(shù)；A是接收信號的波長；X、 Y是波束圖的坐標（波束圖為若干個點組成，X、Y是波束圖每個點的坐標）；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、％分別為入射信號的俯仰角與方位角； w為各陣元對應的加權(quán)值；
[0025] 步驟3 :通過L型陣列的陣元數(shù)算出陣列最大口徑Da，然后對L型陣列的陣列結(jié)構(gòu) 進行編碼、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 度函數(shù)，利用遺傳算法對初始種群進行遺傳操作，以波束圖性能為優(yōu)化目標對L型陣列進 行布陣優(yōu)化，遺傳數(shù)代后，得到一個優(yōu)化后非均勻L型陣列陣元排布；
[0026] 在遺傳過程中，初始的第一代種群由編碼得到，之后每進行一代遺傳時，進行一次 調(diào)整，并對這代遺傳基因構(gòu)建一次適應度函數(shù)；
[0027] 步驟4 :在步驟3已經(jīng)得到陣列排布的基礎(chǔ)上，進一步建立適應度函數(shù)，利用遺傳 算法，針對L型陣列每個陣元計算最優(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型陣列每個陣元的加權(quán)值w帶 入公式（1)，計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使用的適應度函數(shù)與步驟3中陣元結(jié)構(gòu)優(yōu)化時使用的適應度函數(shù)相同，因 為這兩步優(yōu)化的關(guān)系是遞進的，步驟4優(yōu)化的目的是使得步驟3優(yōu)化的結(jié)果得到進一步優(yōu) 化，若兩次優(yōu)化的適應度函數(shù)不同，這種遞進式的優(yōu)化是無法達成且沒有意義的。
[0030] 由于優(yōu)化過程中沒有增加陣元，所以對于實際雷達陣的規(guī)模與成本沒有影響。
[0031] 【具體實施方式】二，本實施方式所述步驟3中陣列最大口徑Da的計算步驟如下：
[0032] 針對JJ(陣列的L型陣列，利用公式⑵來分別計算陣列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軸的陣元個數(shù)；NK表示冗余的數(shù)目。
[0035] 乂通過查表1得出
[0036] 表1 N和乂對照表
[0037]
[0038] 其它步驟和參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0039] 三：本實施方式所述步驟3中對L型陣列的陣列結(jié)構(gòu)進行編碼、調(diào)整 的具體實施步驟如下：
[0040] 步驟3. 1 :針對J_K陣列的L型陣列進行編碼：
[0041] 將L型陣列看做一個染色體，針