本發(fā)明屬于光學(xué)相控陣，具體涉及一種基于液晶光學(xué)相控陣稀疏化改進(jìn)遺傳算法的方法。

背景技術(shù)：

1、在空間激光通信、激光雷達(dá)、目標(biāo)跟蹤等諸多的應(yīng)用場(chǎng)景下，以液晶光學(xué)相控陣為代表的光學(xué)相控陣能夠有效的克服現(xiàn)有的機(jī)械指向的諸多缺點(diǎn)：響應(yīng)非捷變、機(jī)械指向慣性、系統(tǒng)體積大、通信有效口徑低、成本高等。光學(xué)相控陣(opa)具有響應(yīng)快、指向準(zhǔn)確、控制系統(tǒng)體積小、成本低等的優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值與前景。其中，液晶光學(xué)相控陣(lc-opa)為透射式的無(wú)源光學(xué)相控陣，其具有通光口徑大、通光功率高等特性。對(duì)于激光通信鏈路，光學(xué)天線口徑的提高，對(duì)于通信鏈路中提高光學(xué)天線增益、通信鏈路裕量等方面起到?jīng)Q定性的作用。因此提高液晶光學(xué)相控陣口徑的方法是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

2、稀疏陣列天線技術(shù)是一種通過(guò)在空間中稀疏布設(shè)子陣的孔徑綜合，以較少的收發(fā)單元數(shù)量，獲得與滿陣天線相同的相位中心的數(shù)量和分布，同時(shí)避免產(chǎn)生柵瓣和較高的旁瓣。在空間激光通信的應(yīng)用背景下，要提高通信鏈路的增益，就需要增大光學(xué)天線的口徑，因而需要更多的控制單元數(shù)量，由此就帶來(lái)光學(xué)相控系統(tǒng)的體積增大、重量增加、控制單元數(shù)量限制等問(wèn)題。同時(shí)，液晶光學(xué)相控陣的物理特性為透射式無(wú)源光學(xué)相控陣，與有源t/r陣列天線、硅基光學(xué)相控陣有著本質(zhì)上的區(qū)別，給光學(xué)天線口徑的增大帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于液晶光學(xué)相控陣稀疏化改進(jìn)遺傳算法的方法，通過(guò)應(yīng)用于液晶光學(xué)相控陣的改進(jìn)遺傳算法，實(shí)現(xiàn)同樣口徑相控陣列的控制單元數(shù)量的減少，因此在控制單元總數(shù)限制的條件下，系統(tǒng)體積、重量、復(fù)雜度不變，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的液晶光學(xué)相控陣口徑。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于液晶光學(xué)相控陣稀疏化改進(jìn)遺傳算法的方法，具體步驟如下：

3、s1、構(gòu)建液晶光學(xué)相控陣物理模型；

4、根據(jù)疊加定理，遠(yuǎn)場(chǎng)任意點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)為陣列天線所有陣元在該點(diǎn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)和。由近場(chǎng)相位分布，構(gòu)建均勻分布液晶光學(xué)相控陣物理模型，設(shè)置均勻分布陣列遠(yuǎn)場(chǎng)模型，e(θ)為遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度，其表達(dá)式如下：

5、

6、其中，n表示陣元個(gè)數(shù)，表示單個(gè)天線單元的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，α表示單天線陣元因子，且a表示陣元寬度，λ表示波長(zhǎng)；ai，k，d，θ和θs分別表示第i個(gè)單元發(fā)射的光振幅、波數(shù)、陣元間距、觀測(cè)方向、波束掃描角。

7、陣元之間的間距使得遠(yuǎn)場(chǎng)中有條件出現(xiàn)柵瓣：

8、

9、其中，m、θm分別表示陣元位置序號(hào)、m個(gè)陣元的天線陣列指向，m＝0對(duì)應(yīng)主瓣，m≠0時(shí)在θs＝θm出現(xiàn)柵瓣。

10、基于均勻分布液晶光學(xué)相控陣物理模型和液晶光學(xué)相控陣陣元外形系數(shù)可控的特性，構(gòu)建近場(chǎng)相位分布模型，得到隨機(jī)稀疏化液晶光學(xué)相控陣遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布的模型，表達(dá)式如下：

11、

12、其中，n1表示第1代種群陣列的陣元個(gè)數(shù)，ai表示第i個(gè)陣元寬度，dm表示第m個(gè)陣元間距。

13、將陣列的所有陣元集合設(shè)定為第1代種群的一個(gè)個(gè)體，并將此個(gè)體陣列的隨機(jī)位置的隨機(jī)個(gè)數(shù)的陣元合并為同一陣元，則陣元總數(shù)減少，即隨機(jī)生成其陣列的間距dm和此陣元的寬度ai。

14、s2、基于步驟s1，根據(jù)陣列特性設(shè)定遺傳算法的優(yōu)化參數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)，并利用空間快速傅里葉變換獲得遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)篩選；

15、首先設(shè)定種群數(shù)量、遺傳概率、交叉概率、突變概率、迭代停止條件和適應(yīng)度函數(shù)，并根據(jù)種群數(shù)量生成第1代種群的所有個(gè)體。

16、其中，迭代停止條件即滿足設(shè)定的最大迭代次數(shù)；適應(yīng)度函數(shù)fitness表達(dá)式如下：

17、

18、其中，n表示優(yōu)化的偏轉(zhuǎn)角度的總個(gè)數(shù)，i表示偏轉(zhuǎn)角度編號(hào)，eslmax,uniform表示均勻陣列的柵瓣強(qiáng)度，eslmax,non-uniform表示稀疏陣列的柵瓣強(qiáng)度，ηuniform表示均勻陣列的偏轉(zhuǎn)效率，ηnon-uniform表示稀疏陣列的偏轉(zhuǎn)效率。

19、然后進(jìn)入遺傳算法迭代，根據(jù)指向角生成近場(chǎng)相位分布并進(jìn)行2π置位，然后經(jīng)過(guò)空間快速傅里葉變換fft得到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，計(jì)算陣列種群的適應(yīng)度函數(shù)，將所有個(gè)體的適應(yīng)度累計(jì)排序，生成作為遺傳算法中的篩選步驟的累計(jì)概率，將首個(gè)比隨機(jī)數(shù)大的累計(jì)概率的位置的個(gè)體遺傳下去；

20、s3、基于步驟s2，對(duì)經(jīng)過(guò)適應(yīng)度函數(shù)累計(jì)概率篩選后的陣列種群進(jìn)行編碼、交叉、變異、遺傳、解碼和更新陣列種群的操作；

21、首先對(duì)適應(yīng)度函數(shù)篩選后的陣列種群進(jìn)行編碼、交叉、變異操作，具體如下：

22、編碼：將近場(chǎng)相位分布生成臺(tái)階樣式相位分布，并將其進(jìn)行二進(jìn)制編碼。

23、其中，相位臺(tái)階升高的陣元編碼為‘1’，相位與前一陣元相同的編碼為‘0’。

24、交叉：種群內(nèi)隨機(jī)兩個(gè)個(gè)體，隨機(jī)產(chǎn)生交叉位置，以交叉概率交換交叉位置的二進(jìn)制編碼。

25、變異：隨機(jī)個(gè)體選定隨機(jī)位置將二進(jìn)制編碼反轉(zhuǎn)。

26、然后對(duì)經(jīng)過(guò)編碼、交叉、變異操作后的陣列種群進(jìn)行解碼、更新陣列種群操作，具體如下：

27、解碼：將種群的二進(jìn)制編碼重新轉(zhuǎn)換生成階梯相位陣列，編碼為“1”的陣元為解碼后近場(chǎng)相位增加的陣元，編碼為“0”的陣元為解碼后近場(chǎng)相位維持不變的陣元。

28、更新陣列種群：將經(jīng)過(guò)解碼重新生成的種群與步驟s2適應(yīng)度函數(shù)累計(jì)概率篩選后的種群進(jìn)行矩陣拼接，組合產(chǎn)生下一代種群。

29、s4、基于步驟s3，判斷迭代次數(shù)是否滿足最大迭代次數(shù)，若否，重復(fù)步驟s2～s3直至滿足條件停止迭代，將最終得到的種群，篩選出適應(yīng)度最高的陣列個(gè)體，作為算法的最終輸出經(jīng)過(guò)稀疏化的陣列，即最終優(yōu)化結(jié)果。

30、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的方法首先構(gòu)建液晶光學(xué)相控陣物理模型，然后根據(jù)陣列特性設(shè)定遺傳算法的優(yōu)化參數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)，并利用空間快速傅里葉變換獲得遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)篩選，再對(duì)適應(yīng)度函數(shù)篩選后的陣列種群進(jìn)行編碼、交叉、變異、遺傳、解碼和更新陣列種群的操作，最終根據(jù)停止迭代條件得到最終優(yōu)化結(jié)果。本發(fā)明的方法通過(guò)應(yīng)用于液晶光學(xué)相控陣的改進(jìn)遺傳算法，實(shí)現(xiàn)同樣口徑相控陣列的控制單元數(shù)量的減少，在控制單元總數(shù)限制的條件下，系統(tǒng)體積、重量、復(fù)雜度不變，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的液晶光學(xué)相控陣口徑，為液晶光學(xué)相控陣的柵瓣抑制，減少控制單元數(shù)量，增大口徑提供了一種效率高、易于實(shí)現(xiàn)的算法。

技術(shù)特征：

1.一種基于液晶光學(xué)相控陣稀疏化改進(jìn)遺傳算法的方法，具體步驟如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于液晶光學(xué)相控陣稀疏化改進(jìn)遺傳算法的方法，首先構(gòu)建液晶光學(xué)相控陣物理模型，然后根據(jù)陣列特性設(shè)定遺傳算法的優(yōu)化參數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)，并利用空間快速傅里葉變換獲得遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)篩選，再對(duì)適應(yīng)度函數(shù)篩選后的陣列種群進(jìn)行編碼、交叉、變異、遺傳、解碼和更新陣列種群的操作，最終根據(jù)停止迭代條件得到最終優(yōu)化結(jié)果。本發(fā)明的方法通過(guò)應(yīng)用于液晶光學(xué)相控陣的改進(jìn)遺傳算法，實(shí)現(xiàn)同樣口徑相控陣列的控制單元數(shù)量的減少，在控制單元總數(shù)限制的條件下，系統(tǒng)體積、重量、復(fù)雜度不變，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的液晶光學(xué)相控陣口徑，為液晶光學(xué)相控陣的柵瓣抑制，減少控制單元數(shù)量，增大口徑提供了一種效率高、易于實(shí)現(xiàn)的算法。

技術(shù)研發(fā)人員：汪相如,王子軒,王富民,卓儒盛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2