基于NLSM+IWO的非對(duì)稱(chēng)方向圖唯相位優(yōu)化

袁建濤　張文濤　稂華清　曹順?shù)h　劉廣君

摘 要： 本文提出一種改進(jìn)的非線(xiàn)性最小二乘算法（NLSM）， 通過(guò)引入入侵雜草算法（IWO）完成對(duì)初始解及迭代過(guò)程中的全局最優(yōu)解的選取， 解決了非線(xiàn)性最小二乘算法優(yōu)化結(jié)果不穩(wěn)定的問(wèn)題。 在陣列分布及單元個(gè)數(shù)一定的條件下， 通過(guò)優(yōu)化激勵(lì)相位對(duì)相控陣天線(xiàn)方向圖進(jìn)行賦形， 壓低向地一側(cè)峰值旁瓣電平， 使背地一側(cè)旁瓣電平遞減變化。 優(yōu)化后的方向圖可以有效降低中、 近旁瓣雜波電平， 證明了該算法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： 非線(xiàn)性最小二乘算法； 入侵雜草算法； 唯相位； 波束賦形

中圖分類(lèi)號(hào)： TJ765.3； TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-5048（2018）03-0049-04

0 引 言

理想的不運(yùn)動(dòng)雷達(dá)， 雜波頻譜密度函數(shù)是發(fā)射載頻上的單一譜線(xiàn)；而雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 雷達(dá)-地面的相對(duì)速度和天線(xiàn)方向圖的調(diào)制作用使得地面雜波頻譜分為幅度較高的主瓣雜波、 幅度較低的旁瓣雜波和高度線(xiàn)雜波三個(gè)區(qū)域。 當(dāng)雷達(dá)在低空下視條件下使用時(shí)， 對(duì)尾后目標(biāo)來(lái)說(shuō)， 目標(biāo)回波譜線(xiàn)落入旁瓣雜波區(qū)， 旁瓣雜波的功率譜密度一般比接收系統(tǒng)內(nèi)部噪聲高20～40 dB（經(jīng)過(guò)特殊處理的天線(xiàn)方向圖， 可以使旁瓣雜波的功率譜密度降低10～20 dB）， 此時(shí)作用距離主要受旁瓣雜波功率的影響。

旁瓣雜波功率為考慮速度折疊、 距離折疊的等距離-多普勒線(xiàn)區(qū)域回波強(qiáng)度的疊加。 回波強(qiáng)度和距離的四次方成反比， 由于處于下副瓣區(qū)域的等距離-多普勒線(xiàn)區(qū)域和雷達(dá)距離近， 同等副瓣電平條件下， 下副瓣區(qū)域?qū)?yīng)的等距離-多普勒線(xiàn)區(qū)域的回波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上副瓣區(qū)域的回波強(qiáng)度。 這種情況下， 通過(guò)特殊設(shè)計(jì)將天線(xiàn)設(shè)計(jì)為上副瓣電平高、 下副瓣電平低的樣式， 有利于降低旁瓣雜波強(qiáng)度， 從而降低旁瓣雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響。

相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)移相器改變饋電相位實(shí)現(xiàn)波束掃描， 由于雷達(dá)型空空導(dǎo)彈在尋的過(guò)程中面臨超強(qiáng)地雜波的干擾， 要求通過(guò)相位加權(quán)壓低向地一側(cè)方向圖副瓣電平。

實(shí)現(xiàn)唯相位優(yōu)化的方法有多種， 包括數(shù)值算法和智能優(yōu)化算法[1-3]， 數(shù)值算法計(jì)算速度快但對(duì)初始值要求比較嚴(yán)格， 智能算法計(jì)算速度相對(duì)較慢但對(duì)搜索空間沒(méi)有限制。 非線(xiàn)性最小二乘算法（NLSM）[4-5]對(duì)非線(xiàn)性問(wèn)題求解有著良好的效果， 將其與入侵雜草算法（IWO）[6-8]結(jié)合起來(lái)對(duì)天線(xiàn)陣列進(jìn)行唯相位優(yōu)化， 改善了NLSM和IWO單獨(dú)優(yōu)化的性能， 優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 仿真結(jié)果表明， 優(yōu)化后的天線(xiàn)可以使近旁瓣雜波幅度降低約12 dB， 使中旁瓣雜波峰值降低6～8 dB， 且使旁瓣雜波譜更加平整， 增大了雷達(dá)的截獲距離和截獲概率。

1 改進(jìn)算法原理及步驟

由圖2～3可知， 法向方向圖向地一側(cè)峰值旁瓣電平低于-30 dB， 背地一側(cè)副瓣滿(mǎn)足一定的下降趨勢(shì)， 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 圖4和圖5分別表示φ=0°和φ=45°兩個(gè)剖面上波束掃描±60°范圍內(nèi)的方向圖變化， 可知在掃描過(guò)程中， 近副瓣區(qū)域電平值始終低于-30 dB。

分別以?xún)?yōu)化后的天線(xiàn)為發(fā)射天線(xiàn)， 以?xún)?yōu)化前的天線(xiàn)為接收天線(xiàn)， 進(jìn)行雜波幅度仿真， 如圖6所示。 唯相位優(yōu)化天線(xiàn)方向圖降低向地一側(cè)旁瓣電平后， 可以使近旁瓣雜波幅度降低約12 dB， 使中旁瓣雜波峰值降低6～8 dB， 且使旁瓣雜波譜電平更加平整， 增大了雷達(dá)的截獲距離和截獲概率。

4 結(jié) 論

本文將非線(xiàn)性最小二乘算法（NLSM）與入侵雜草算法（IWO）結(jié)合起來(lái)對(duì)天線(xiàn)陣列進(jìn)行唯相位優(yōu)化， 改善了NLSM和IWO單獨(dú)優(yōu)化的性能， 優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 仿真結(jié)果表明， 優(yōu)化后的天線(xiàn)可以使近旁瓣雜波幅度降低約12 dB， 使中旁瓣雜波峰值降低6～8 dB， 且使旁瓣雜波譜更加平整， 增大了雷達(dá)的截獲距離和截獲概率。

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Abstract： An improved nonlinear leastsquare method is presented in this paper. By introducing invasive weed optimization， the initial solution and the global best solution in each iteration process are selected. The problem of instability of nonlinear leastsquare method is solved. Given the determinate element number and array distribution， the phase of excitation is optimized to shape array pattern， whose sidelobe facing to ground is suppressed and back to ground descends by steps. Compared to unweighted pattern， the optimized pattern can reduce cluster level from the angle near main beam effectively. Simulation results prove the feasibility and efficiency of the method.

Key words： NLSM； IWO； phase only； beam shaping