空操舵在失败的天线阵列

文摘

调零天线阵模式是可取的为了抑制干扰信号。但在大型天线阵列,总有一些元素的失败的可能性,这可能会降低辐射模式与旁瓣水平(SLL)的增加和删除null的理想位置。本文修正过程介绍了基于粒子群优化(PSO)的维护失败的天线阵的阵列天线的性能。考虑到错误的元素nonradiating元素,PSO再优化权重的剩余辐射元素改造模式。仿真结果与单一,切比雪夫阵多个,和广泛的null失败的天线阵。

1。介绍

为了减少干扰信号的影响,它是可取的地方取消在指定方向天线波束形成。空操舵在雷达天线辐射图是非常重要的,声纳,最小化退化和许多其他通信系统的信噪比(信噪比)性能不受欢迎的干预。有源天线阵列,所需的辐射模式与空操舵和指定SLL是通过确定天线阵的物理布局和选择合适的振幅和相位的复杂励磁电流对个人数组元素(1]。传统的(2- - - - - -6)以及进化优化技术(7- - - - - -15)已被用于将null放置在天线阵模式。一般来说,基于控制的零转向技术激励振幅,相位,元素的位置,和复杂的权重(振幅和相位)都进行了广泛的研究在文献[2- - - - - -15]。由于存在大量的元素数组中,失败(不是辐射)的一些元素是不可否认的。在某些情况下,不辐射的辐射元素由于一些不可预见的原因,然后整个天线模式变得扭曲。它会降低SLL并破坏模式零干扰抑制创建特定的方向。更换有缺陷的元素数组的在任何情况下是不可能的。相反,重新配置的振幅和相位剩余的元素可以部分弥补失败的元素,因此,维护所需的SLL和阵列天线的性能。

如果数组元素都是全功能的,那么分析技术可以用来找到最优励磁的每个元素产生所需的模式。但对于一个失败的数组,很难找到一个分析方法补偿问题,因为有缺陷的元素的存在对称失败。文献调查显示这个赔偿问题与数字技术的实现生产模式以最小的损失质量。阵列校正失败被认为是由Mailloux [16- - - - - -18)在数字波束形成阵列对抗干扰来源。彼得斯(19)采用正确的元素的共轭梯度法失败。Zainud-Deen et al。20.)正交方法用于同样的问题。艾力达et al。21]介绍了一个实际的,非最优补偿技术。最近,遗传算法(GA) [22,23和模拟退火(SA)24)技术已经用于校正元素失败在天线阵列。混合优化方法(25,26)被应用于改善阵列模式失败的元素的存在。这些有缺陷的元素的补偿方法提高阵列的模式优化的功能元素的权重。在所有上述方法只有SLL问题解决,但失败的数组的零转向问题不是解决。

在本文中,我们试图使用天线阵失败显示的可行性作为一个正常的数组和集中在零转向和SLL抑制问题。而不是一个分析方法,进化的优化技术,即算法(27- - - - - -30.)是用于再优化工作元素的激发。选择算法的原因是,这个随机演化计算技术,基于群的运动和智力,已被证明在某些情况下优于其他方法的优化遗传算法(31日]。算法的计算时间到达所需的解决方案是少而GA。线性切比雪夫阵被作为发达的候选人天线和测试方法。它还可以扩展到平面阵列。

2。问题公式化

的远场模式元线性阵列,等距的,非均匀振幅,进步阶段激励是由(1] 在哪里占了每个元素的非均匀电流励磁。元素之间的间距,从广泛的角度。是元素模式(在各向同性源),是远场模式的峰值。

元素失败在天线阵列也降低零区域和引起急剧变化的电场强度,增加了旁瓣和纹波的动力模式。在目前的工作除了SLL抑制,维护叛逃的空位置进行数组。因此,目标是确定的工作元素的权重数组保持零性能和恢复巅峰SLL受损接近于原始数组的一个元素的存在失败。我们认为失败完成,也就是说,没有辐射叛逃的元素。算法应用于恢复SLL和维持零位置根据所需的规范。它最小化代价函数后,为unfailed元素,并返回当前最优励磁将导致所需辐射模式与减少SLL和零在所需的位置 第一项的成本函数是干扰抑制,也就是说,将null在指定的方向,在错误的元素,在那里,通过使用PSO是模式,是理想的模式,是用于创建零控制参数。

第二项的成本函数(2)用于SLL还原的目的,在面具是一个上限数组因素实施峰值旁瓣−30 dB在该地区的力量。主瓣区域被定义为该地区。在这一地区的面具价值0分贝。计算用的样品吗的大小这超过了面具和归一化的样本总数吗用于样品的整个范围。图1显示原始的切比雪夫阵模式和成本函数中使用的面具恢复模式。

3所示。粒子群优化

算法是一种进化计算技术基于群的运动和智力进行了肯尼迪和埃伯哈特在1995年(27]。是简单的应用,容易代码,并且能够解决困难的多维优化问题的效率。它已成功地应用于求解许多电磁问题[30.]。虽然算法技术在文献中被描述的长度,但是对于论文的完整性,这里我们有简要描述技术。

根据PSO术语,每个个体群称为粒子。最初的粒子被放置在一个空间维度的数量等于中使用的设计参数优化。每个粒子的性能测量根据数学函数被称为“成本函数”在解空间内。成本函数是一个衡量偏离期望的价值。所有粒子在搜索空间和更新他们的速度根据自己已经找到了最好的位置,也就是说,科比他们的邻居,也就是说,全球最佳,并试图找到一个更好的位置。

在目前的应用算法,30初始粒子被他们操纵根据以下方程: 在哪里中粒子的速度th维度和粒子的坐标吗n维度。的参数是指定的惯性权重,权重的粒子当前的速度取决于其先前的速度。和分别是科比和全球最佳位置,和两个扩展因素确定的相对拉和,是一个随机函数在区间[0,1]。

一旦确定,速度很容易粒子转移到下一个位置。速度是申请一个给定的时间步长和新坐标是计算 在这个迭代过程中,粒子逐渐安定下来一个最佳的解决方案。

4所示。算法实现和结果

开发的实现方法,20-element线性切比雪夫阵元件间的间距为测试天线。标准分析方法应用于发现的非均匀荷载−30 dB旁瓣水平切比雪夫阵列,如图1。零转向了对单个、多个部门null和实施方向,重新计算每个数组元素的振幅和相位,利用PSO算法。然后一些数组元素被认为是失败的元素将其作用为零。这是观察到阵列天线性能会大幅度下降。为了获得所需的调零模式与失败的元素有很好的平价模式和之前一样,剩下的工作元素的励磁调整算法。该方法被考虑的一些例子验证模式合成与线性天线阵的零转向有缺陷的元素。

在算法优化过程中,获得一个失败的天线阵的阵列天线性能的复杂重量每个工作元素被认为是作为优化参数。在目前的问题,选择30的人口规模。的参数惯性权重,线性阻尼与迭代值为0.9时开始和最后迭代线性下降到0.4。和,两个常数称为认知参数和社会参数,被固定在一个2。

例1(单一零元素的复苏失败)。在这种情况下,它被认为全功能的单空数组在20°方向。图2显示相应的辐射模式由修改数组元素的作用。在第一个即时数组中的元素失败被认为是有缺陷的元素在3日和18日的位置。与旁瓣是增加了大约10 dB和现有零被毁。然后发达算法公式对恢复模式的应用。这种情况下算法的性能是显示在图3舷侧阵。从图可以清楚地看到,除了SLL减少,零是恢复以前的位置,也就是说,在20°。不同参数的值被选为成本函数,因为,,因为和其他方向。收敛曲线对于这种情况,随着迭代算法如图的进步4。
这种方法可以很容易地找到激发态延长模式主要梁针对任何角度。图5显示数组线性模式的20个元素在20°,零主光束指向−30°,SLL−维持在30分贝。制定与故障申请失败的数组在同一位置,也就是说,3日和18日元素。恢复模式后应用算法公式如图6。
为了研究模式的性能恢复许多错误的元素,创建四个缺点在2日3日,18日和19日元素相同的切比雪夫用一个空数组。这个场景的退化和恢复模式如图所示7。这个图与图的比较3显示空的深度恢复模式随错误元素的数量增加而减小。
针对单一零元素励磁的复苏失败有两个和四个元素如表所示1随着励磁的与单空数组元素在20°没有错误的元素。比较空的深度级别(NDL)和最大SLL在恢复模式下讨论案例1表所示2。

例2(双零元素的复苏失败)。切比雪夫型双null放在和是通过优化当前的励磁的数组元素(表吗3)。相应的模式如图8。天线阵的缺点在相同位置(即。,3日和18)被认为是。由于元素失败和恢复退化模式优化模式有两个null−42°和18°如图9。这种方法是延长三元天线阵列(表中修正失败4)。图10显示双null的结果存在有缺陷的元素出现在3日,18日和19日天线阵的位置以及破坏模式。像前面的情况下,在这里也被观察到的深度恢复零会减少数量增加的有缺陷的元素。

例3(复苏的三重零元素失败)。单引号和双零复苏的问题在天线阵失败病例讨论1和2一直延伸到三空恢复在这一节中。三个null强加在−20°,33°,和50°。这些null的复苏行为存在过错元素在3日和18日元素研究对SLL, NDL和计算时间。数据11和12显示原始,叛逃,恢复模式。元素励磁和SLL NDL给出了表5和6,分别。

例4(复苏的扇形空元素失败)。需要广泛或扇形null时不必要的干扰信号的到达方向略有不同的方向与时间或陷并不清楚。宽带干扰抑制的应用程序可以通过部门调零方法。在目前的工作模式与广泛的null位于30°得到了微扰元素的振幅和相位的天线阵列,如图13。这是观察到的性能广泛的空时退化数组元素定位在2,3,18成为nonradiating(表7)。然后发达PSO-based技术应用于再优化当前励磁的剩余的工作元素提高阵列天线的性能,降低SLL(表8)。图14显示了广泛的破坏模式和纠正模式零30°。
上述四种不同情况下的空操舵2.33 GHz工作站平台上模拟了4 GB RAM。这些观察表给出的计算时间9。这是观察到的变化计算时间在所有这些情况下非常小。轻微的变化是由于错误的位置的改变数组中的元素和数量的null值的模式。
仔细看看所有这些模式的4例复苏表明,取消的数量增加,恢复的深处零减少和在同一时间平均SLL固定值的逐渐增加更多SLL切比雪夫阵的。一个共同的观察从可用的文学11,12,14)为零转向没有任何错误的元素,是SLL从指定的水平增加到适应模式中的null。在目前的工作,我们观察到的类似的变化模式数组没有任何过错而实施null。我们扩展我们的工作没有数组,恢复SLL略高的水平。所以用户必须妥协的数量实际零所需的应用程序。

5。结论

保持零位置和SLL抑制的问题没有靠近天线阵列是一个使用PSO优化问题,圆满地解决了。PSO的作用是找到优化的振幅和相位励磁的工作元素的数组来恢复所需的模式。在这个过程中补偿SLL减少和null恢复原来的位置。发达技术给出了模式的性能恢复错误的数组是与天线获得的性能没有任何故障元素。观察到的,该方法的计算时间取决于数量的失败的元素和失败的元素的位置。拟议的技术很简单,容易实现,可以延长阵列具有复杂几何通过修改相关的评价函数。发达的方法可以帮助增加寿命的数组,特别是没有直接人类访问数组。同时它也可以节省硬件重置成本。

确认

这个工作是做技术开发项目的一部分的海军研究委员会,印度国防研究与发展组织,Govternment通过批准号nrb - 176 /单边带/扭转。作者感谢审稿人的建设性的意见,这有助于提高论文的质量。

引用

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