【摘 要】
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稀疏阵列综合技术作为雷达工程领域中的重要技术之一,一直以来受到众多学者的关注。与常规均匀分布满阵阵列天线相比,稀疏阵列可以产生相同的辐射波束宽度、相近的天线增益和较低的副瓣电平,但是其成本和功耗远低于传统均匀分布满阵天线。由于稀疏阵列综合技术复杂度较高、需要的计算量较大,大部分相关的研究常聚焦于具有固定波束指向的稀疏阵列,关于具有宽角扫描波束的稀疏阵列综合方面的报道较少。遗传算法可以获得全局最优结
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稀疏阵列综合技术作为雷达工程领域中的重要技术之一,一直以来受到众多学者的关注。与常规均匀分布满阵阵列天线相比,稀疏阵列可以产生相同的辐射波束宽度、相近的天线增益和较低的副瓣电平,但是其成本和功耗远低于传统均匀分布满阵天线。由于稀疏阵列综合技术复杂度较高、需要的计算量较大,大部分相关的研究常聚焦于具有固定波束指向的稀疏阵列,关于具有宽角扫描波束的稀疏阵列综合方面的报道较少。遗传算法可以获得全局最优结果,但是对于多维度多参数的优化问题而言,其计算量巨大,很少应用于波束扫描稀疏阵列综合;而高斯过程回归算法基于已有样本进行预测,可以用于提高优化效率。因此,本文基于遗传算法,融合增广矩阵算法和高斯过程回归算法,对稀疏阵列的综合技术进行了研究,减少了综合过程的计算量,提高了优化效率,主要工作如下:首先,详细介绍了所提出综合方法的原理和实施方案。该方法在解决稀疏阵列的孔径约束、最小阵元间距约束问题的基础上,采用了两层遗传算法优化阵元位置和对应的激励分布。针对高纬度多参数的复杂非线性问题的优化产生的计算量过大的难题,该综合方法融合了增广矩阵束算法为实数遗传算法提供初值,提高了遗传算法的收敛速度;同时,高斯过程回归算法加入到综合方法中,以预测代替部分计算,可以有效减少整体计算量。其次,采用所提出的综合方法综合稀疏线阵。针对不同类型的天线辐射单元设计了三个口径分别为15.5λ0、11.5λ0、9.5λ0的稀疏线阵,其所对应的均匀满阵的规模分别为1×32、1×24、1×20。综合出的稀疏阵分别具有19、15、13个单元,达到了40.625%、37.5%和35%的稀疏率。将综合结果和全波分析结果进行了对比,验证了所提出的算法设计稀疏线阵的有效性。根据三种单元构成的稀疏阵HFSS仿真结果,相比均匀满阵,稀疏线阵只需要较少的单元数、损失部分方向性系数即可获得相近的波束宽度和更低的旁瓣电平。由于稀疏率以及迭代次数的限制,稀疏线阵波束扫描范围变窄。最后,运用提出的综合算法综合稀疏平面阵列。针对两种不同类型的天线单元分别在口径为4.5λ0×4.5λ0和5.5λ0×5.5λ0的情况下进行了波束扫描稀疏综合,其所对应的均匀满阵的规模分别为10×10和12×12。综合出的稀疏阵分别具有49和81单元,达到了51%和43.75%的稀疏率。测试单元1所构成的稀疏阵在±20°范围内辐射特性接近均匀满阵,测试单元2组成的稀疏阵在±40°的范围内可以实现与满阵相近的波束扫描效果。使用HFSS全波仿真对以上稀疏阵设计结果进行了验证,结果表明辐射主瓣特性吻合较好,由于没有考虑单元间的互耦,两者辐射副瓣特性吻合较差。这项工作为下一步进行大规模稀疏面阵的设计提供了有益参考。
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