稀布天线阵列的优化布阵技术研究

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1、电子科技大学博士学位论文稀布天线阵列的优化布阵技术研究姓名：陈客松申请学位级别：博士专业：信号与信息处理指导教师：何子述20061211摘要在许多工程应用中，要求天线阵列有窄的扫描波束，并不要求有相应的增益，这类应用正好可以采用天线单元在阵列孔径上稀疏布置的方法来实现，它能构造出一个降低了增益的强方向性阵列，以较少的天线单元达到分辨率等技术指标，从而降低天线系统的成本。由于阵列中天线单元的稀疏布置，使得扫描波束变窄，空间分辨率提高，天线单元间的互耦减弱，这些优点使得稀布天线阵列成为非周期阵列中颇具实用性的一类阵列天线。目前，稀布天线阵列在抗环境干扰的

2、卫星接收天线，高频地面相控阵雷达天线和射电天文中的干涉阵列等领域中正得到越来越广泛的应用。天线的最大相对旁瓣电平是评价天线性能的一个重要参数，对稀布天线阵列而言，如何设计一组阵元间距和阵元激励，使稀布天线阵列的最大相对旁瓣电平在整个可见区最小是稀布天线阵列综合问题中研究了半个多世纪的一类重要课题。近年来，天线单元稀疏布置的天线阵列(稀布天线阵列)被分为两大类：稀疏阵列和稀布阵列。稀疏阵列来源于均匀阵列，它是将一定数目的天线单元从均匀间隔阵列中稀疏而形成的，其阵元间距是原均匀阵列的阵元间距的整数倍；稀布阵列的天线单元在天线孔径上随机分布，其阵元间距是相

3、互不可整除的。相对而言，稀布阵列优化布阵无需象稀疏阵列那样约束天线单元在等间隔的规则栅格上，所以优化布阵的自由度更大，有利于更大限度地降低天线阵列的最大相对旁瓣电平，迸一步提高稀布天线阵列的旁瓣性能。本文在给定阵列的几何形状的前提下，针对如何通过适当地选取稀布天线阵列的阵元间距来最大限度地降低阵列的最大相对旁瓣电平这一基本综合问题展开研究。由于稀布天线阵列的最大相对旁瓣电平是阵元位置的非线性函数，没有现存的解析方法来确定最大相对旁瓣电平，也就是说，即使已知所有阵元的位置，也没有可凭借的解析方法来求得最大相对旁瓣电平出现的位置，所以本文的研究对象是一个

4、非线性最优化问题。文中针对稀疏天线阵列综合提出了分区穷举法，并分析了它的性能及适用的场合；针对稀布天线阵列综合可能涉及的不同约束，提出了一种基于现代计算智能方法一一遗传算法的改进算法，并应用于稀布直线阵列的多约束优化布阵；最后将这种综合方法从一维线性稀布阵列的优化布阵推摘要广到了二维稀布平面阵列的优化布阵。本文的贡献和创新之处包括：1．建立了稀疏阵列和稀布阵列优化布阵的最优化数学模型，讨论了最优阵元配置的求解问题。2．中小型稀疏阵列的穷举综合法中，枚举阵列结构的计算量是值得研究的一个问题，文中分析比较了两种枚举直线阵列结构的算法：递归算法和二进制序列

5、穷举法。3．提出了稀疏直线阵列优化布阵的分区穷举方法，修正了在阵列孔径的均匀分区上分配阵元数目的理论公式。4．讨论了非对称的阵列结构对稀疏阵列旁瓣电平优化的影响；即结构上的对称性是可利用的优化自由度，由方向性天线单元综合的非对称稀疏天线阵列扫描时峰值旁瓣性能的恶化比对称结构的稀疏阵列更小。5．改进了实数遗传算法的交叉和变异策略，结合高效的FFT算法计算稀疏阵列的方向图函数，使优化稀疏阵列激励幅度的算法的稳健性和收敛性得到改善。6．提出一种修正的实数遗传算法，解决了稀布直线天线阵列的多约束(约束孔径、阵元数和最小阵元间距)优化布阵，该算法利用阵元间距约

6、束，减小遗传算法的搜索空间，有效地减小了计算量，提高了算法的收敛性能。7．在最小阵元间距由欧氏距离简化为切比雪夫间距的情况下，将修正实数遗传算法综合多约束稀布线阵的方法拓展到了矩形边界稀布平面阵列的多约束优化布阵。关键词：天线阵，遗传算法(GA)，旁瓣电平，稀疏阵列，稀布阵列，最优化IIABSTRACTFormanyradarandcommunicationsapplicationsofscanningarrayantennas，extremenalTowmainbearnwidthisdesired，whereashi曲gainisnotSOext

7、remelyrequired，thesparseantennaarrays，whoseelementspacingiskeptrelativelylargerthan州2OVerallantennaaperture，cancovertheseapplications．Thesparseantennaarrayshaveadvantagesinhigh-resolutionthinnedconfigurations，andfewerelementsforcomparablebeamwidth．Thecostofthesparseantennaarray

8、sismuchlowertomeetthedesigngoalofhigh-resolutionthanth