射电天文30~300 MHz频段稀布阵列关键技术分析与研究

30~300 MHz的甚高频(Very High Frequency,VHF)频段是重要的射电天文波段,该频段观测采用天线阵组阵方式。稀布阵列具有空间分辨率高、副瓣电平低以及造价低等优点,进一步的天线阵综合加权可以对天线阵主瓣波束进行有效赋形,对最大旁瓣副瓣(Maximum Side Lobe)电平和远区栅瓣(Far Side Lobe)电平进行抑制。首先回顾了射电天文甚高频稀布阵列研究发展和现状,以及将会遇到的难点,提出了首先优化最优稀布天线阵元排布,进一步提出融合高性能计算平台+FPGA SOPC的稀布甚高频射电天文阵列信号处理结构体系,在图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)或者云计算平台上完成对天线阵各阵元频点加权参数的计算,然后通过高速总线将计算参数下发到前端的信号处理板中,通过FPGA SOPC完成对加权参数的配发。进一步分析计算了多波束情况下的数据率,可以实现实时的参数配置。本文成果为下一步大规模甚高频天线阵架设提供了技术依据。

W波段宽带宽角低副瓣类喇叭天线稀布阵

针对大损耗、制作工艺、T/R组件尺寸与通道数量以及位置等因素带来的W波段宽带宽角低副瓣相控阵天线设计难题,文中设计了一款在80~110 GHz频率范围内的宽带类喇叭天线单元,天线驻波比均小于1.8。在充分考虑T/R组件带来的布阵空间限制下,文中仅通过阵元位置优化设计了64元高增益低副瓣宽带宽角阵列天线,并为该阵列设计了小型低剖面空气波导馈电网络。仿真结果表明,64元稀布阵在䥺SymbolqB@40°波束扫描范围内下增益高于22.6 dB,副瓣电平低于-6.2 dB,各阵元有源驻波比均小于2,证实该阵列天线具有宽带宽角、低副瓣、高增益、结构易于加工实现等优点,应用前景良好。

非连续阻抗粘接结构脱粘缺陷的稀布阵列超声成像

无砟轨道是典型的非连续阻抗粘接结构,在重载、环境恶化等因素的影响下,脱粘现象频发,严重危及列车运行安全.本文提出一种高精度阵列超声快速成像方法,建立考虑层间声速差异的非连续阻抗粘接结构声速理论模型,采用射线追踪方法获取声波在介质中的传播路径和时间.基于实数编码设计高自由度稀布阵列,构建稀布阵列合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique,SAFT)成像,提高检测效率.在无砟轨道结构上的实验结果表明:射线追踪方法能够准确计算超声波的传播路径和传播时间,提高检测精度;优化设计的稀布阵列方向图主瓣宽度窄,旁瓣增益低,可提高检测效率和声场指向性;脱粘缺陷成像误差在±5%以内时,稀布阵列SAFT成像方法效率提高了30.9%,可为该类缺陷检测提供理论支撑.

基于粒子群算法的广域稀布阵列方向图优化

战场电磁环境日益复杂,分布式组网雷达由于其战场适应能力强被广泛研究,信号级融合处理的分布式组网雷达等效于广域稀布阵列,阵列孔径极大,导致阵列波束主瓣极窄,且存在较高的旁瓣,该特性影响装备性能,需开展阵列方向图优化研究。由于阵列广域稀布,方向图旁瓣抑制困难,且优化过程计算量极大,针对上述难题,对广域分布多子阵方向图特性及优化算法进行研究。首先,建立广域稀布阵列模型,根据模型给出阵列方向图表征方式并建立优化函数,分析阵列波束特性;然后,提出了基于粒子群算法的方向图优化方法,联合优化子阵位置与子阵朝向角,相比传统方法增加朝向角优化,提升优化自由度,降低广域稀布阵列旁瓣,且方法收敛速度快,达到相同优化性能计算量更低;最后,通过仿真计算比较了未优化的随机阵列方向图、遗传算法优化后阵列方向图与粒子群算法优化后方向图,结果证明提出的算法性能优于遗传算法,提出的子阵位置与朝向角联合优化相比仅对位置进行优化能够获得更优的阵列波束图。

基于遗传算法和模拟退火的不等间距稀布阵的设计

副瓣电平在天线阵列的设计中是很重要的指标,已经有很多方法进行这方面的改进。该文在稀布阵概念的基础上,引入了距离微扰,提出不等间距稀布阵的模型,来进一步改善天线阵的副瓣电平,并且利用遗传算法和模拟退火对这种不等间距稀布阵进行了综合设计。给出了200元线阵和40×20面阵的优化结果,从仿真结果可以看到天线副瓣电平得到了改善。

一种有阵元间距约束的稀布阵天线综合方法

提出了一种基于改进遗传算法的稀布阵综合新方法,用于优化设计有最小阵元间距约束的稀布线阵。该方法利用个体的实值编码提高了遗传算法的优化效率,通过设计遗传操作预处理和后处理,并采用一种广义的交叉算子和变异算子,有效地避免了基因重组和变异时出现不可行解。在给定阵列孔径和阵元数的条件下,高效地实现了任意最小阵元间距约束下抑制稀布线阵峰值旁瓣电平的稀布直线阵列综合。给出了应用该方法的具体步骤,并通过仿真实验证实了该方法的有效性和稳健性。

基于自适应遗传算法的稀布阵天线优化

稀布阵能够以较少的天线单元,通过稀布的方式和先进的处理算法获得与传统等间距阵相当的孔径效能,降低了系统的硬件成本,具有灵活布置的优点、重要的研究意义和应用价值。稀布阵与同口径满布阵相比副瓣电平较高。文中提出了一种基于自适应遗传算法的稀布阵列综合优化方法。该算法采用实值编码方式,引入自适应遗传算子,有效提高了优化效率,避免陷入个体早熟及局部收敛,得到了更低的副瓣电平。给出了具体实现步骤以及仿真实例,结果表明,采用自适应遗传算法,得到了更低的稀布阵天线副瓣电平。

宽带稀布阵列发射波束形成技术

对于宽带信号,干扰置零方法是一个难以解决的问题。若要抑制宽带干扰,需要方向图在宽带干扰方向形成凹口。针对线性调频信号,在确知信号和干扰方向的前提下,把窄带权和宽带权相结合,提出了一种宽带宽角发射波束形成新方法,该方法能在宽带干扰方向形成较宽零点;另外,阵元稀布在不增加阵元数和计算量的前提下,可提高角分辨率。最后,应用最佳稀布阵列。

稀布阵综合脉冲孔径雷达时域与频域脉冲综合方法

在宽带信号模型基础上介绍了稀布阵综合脉冲孔径雷达(SIAR)的时域、频域和时频域三种脉冲综合方法。并从工程实现角度进行了比较。同时对脉冲综合过程中的采样损失及其补偿问题作了讨论。

稀布阵综合脉冲孔径雷达阵列优化设计

结合工程实际首先对稀布阵综合脉冲孔径雷达常见布阵方式和布阵特点进行研究,然后对其常规倾斜共面布阵的稀布阵综合脉冲孔径雷达阵列方位仰角二维耦合问题进行分析,提出可以采用随机高度布阵予以解决。文中同时对稀疏阵列方位副瓣较高的问题进行分析,针对不同雷达工作模式,采用粒子群算法对雷达的阵列的半径、相位参数进行了优化,并进行仿真优化验证。

稀布阵综合脉冲孔径雷达旁瓣对消性能分析

定量分析了阵列孔径、干扰信号带宽、通道幅相误差以及Ａ／Ｄ变换器的量化噪声对大型稀布圆形阵列天线干扰对消效果的影响，介绍了稀布阵综合脉冲孔径雷达（ＳＩＡＲ）采用抽头延迟线以提高干扰对消性能的方法，并给出了数值计算与计算机模拟结果。

改进粒子群算法综合有间距约束的稀布阵列

提出了一种基于改进粒子群算法的稀布阵综合新方法,用于优化设计有最小阵元间距约束的稀布阵。该方法通过改造适应度函数,有效避免了粒子更新时出现不可行解,通过个体描述方式可使搜索空间减小。在给定阵列孔径和阵元数的条件下,高效地实现了任意最小阵元间距约束下抑制分布式线阵峰值旁瓣电平的阵列综合。文中给出了改进粒子群算法的流程,通过仿真实验证实了该方法的有效性和稳健性,并得到了比文献[2-3]更好的数值结果。

稀布阵综合脉冲孔径雷达低距离旁瓣与距离高分辨技术

稀布阵综合脉冲孔径雷达（SIAR）采用多个频率信号实现各向同性照射而不需要波束扫描，因此可以获得长时间相平积累，有利于对微弱目标（尤其是隐身目标）的探测，本文提出了一种降低其距离劳瓣的有效方法──脉间（组）频率编码捷变，分析其机理同时为了提高距离分辨能力，提出通过步过频率来增大发射信号带宽，通过SIAR的脉冲综合处理和步进频率综合处理以提高脉冲压缩比。并针对步进频率对速度较敏感的问题提出了一种简便的预补偿方法.最后给出了该雷达初步的实验结果．

混合算法在稀布阵设计中的应用

提出把混合优化算法IGA-EDSPSO(Improved Genetic Algorithm-Extremum Disturbed Simple Particle Swarm Optimization)和基于RWG基函数的MoM-PO混合算法用于最小阵元间距约束的稀布阵列设计中。通过调整阵元间距来优化辐射阵因子,改善了阵列天线的辐射性能。与以前的方法相比,该方法在处理大型阵列时,降低了对计算机资源的需求,有效地实现了考虑互耦情况下副瓣电平的抑制,真实地考虑了天线的整个结构对于方向图的影响,对低副瓣电平阵列天线的设计有一定的指导意义和参考价值。

稀布阵综合脉冲孔径雷达发射信号频率编码的研究

稀布阵综合脉冲孔径雷达（ＳＩＡＲ）是一种新型米波四坐标雷达．它工作在跟踪方式时，通过时空三维匹配滤波分别形成距离和－差通道和方位、仰角跟踪波束，必然会存在相互之间由于测不准而产生的耦合影响．本文首先讨论该耦合影响，然后提出一种克服该影响的优化各阵元发射信号频率编码准则，从而便于实时跟踪目标的四维坐标．

基于改进遗传算法的非均匀稀布阵列优化

提出了一种对非均匀稀布阵列阵元间距进行优化的改进的遗传算法。该算法在编码时,将阵元间距依据尺寸步长划分为不同的节点,通过对节点的二进制编码,灵活实现带约束阵元间距的遗传编码。在遗传操作过程中,依据不同的进化阶段自适应设定算子系数,有效地提高了遗传算法的收敛性。文中采用同时考虑副瓣电平和波束宽度的双适应度函数,使优化得到的天线阵列方向图比采用单适应度函数有较好的综合性能。最后通过大量仿真结果验证了这一算法的有效性。

稀布阵综合脉冲孔径雷达基于单脉冲测角方法的研究

研究了稀布阵综合脉冲孔径雷达（ＳＩＡＲ）基于单脉冲测角的原理、方法及其工程实现，推导了测角误差函数，讨论了距离、方位和仰角之间的耦合影响，提出了一种消去比相法测角时方位和仰角之间耦合效应的简便方法。最后通过计算机仿真证明了ＳＩＡＲ采用这种方法进行角度测量与目标跟踪的可行性。

降低稀布阵综合脉冲孔径雷达距离旁瓣的方法研究

稀布阵综合脉冲/孔径雷达(SIAR)采用多个频率信号同步发射以实现各向同性照射.文中针对该雷达由于频率间耦合而存在较大的距离旁瓣,提出脉间(或脉组)频率编码捷变的方法来降低距离旁瓣;分析其机理和对杂波抑制的影响;通过计算机模拟证明了该方法的有效性.

稀布阵综合脉冲孔径雷达一种新的测距方法

本文提出了一种用于稀布阵综合脉冲孔径雷达（ＳＩＡＲ）精密测距的新方法即前后脉冲综合法，介绍了距离“和”“差”通道的形成与误差信号的提取方法，讨论了时空三维匹配滤波时角度误差对测距的影响，并通过计算机仿真证明了这种方法的有效性．

稀布阵综合脉冲孔径雷达发射天线阵的研制

讨论了定向发射、全向接收体制稀布阵综合脉冲孔径雷达系统发射天线阵的设计及工程实现。研制了以八木天线为单元的八元发射天线阵。实现了天线单元的小型化;根据稀布阵理论对天线布阵的要求,从工程实用角度出发,指出了天线单元之间距离的选取准则,为发射天线阵的工程实施提供了可靠的理论依据。