一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法

1.本发明属于时间调制阵列领域，具体涉及一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法。


背景技术：

2.时间调制阵列(time modulated array，tma)通过引入时间这一维度提高阵列设计自由度，其主要带来的优势包括：1)增加的时间维度，使波束控制自由度增加；2)使用射频开关代替传统移相器，降低了系统的成本；3)时间作为一个可控制变量，其操控精度高于传统移相器对相位的控制。时间调制阵列因其优越性而受到广泛应用，如自适应波束赋形，mimo雷达，到达角方向估计等。然而时间调制阵列由于其周期性调制的特性而产生无穷次谐波，导致其存在能量损失的固有缺陷。
3.而且，传统时间调制阵列波束数量较为固定，波束模式不易灵活切换。因此，研究一种可重构配置的高能效时间调制阵列波束控制方法是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决传统时间调制阵列波束模式不易灵活切换，且由于存在边带辐射而导致的能量损失、能量效率低的问题，而提出的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
6.一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，所述方法具体包括以下步骤：
7.步骤一、使用由n个阵元沿空间直角坐标系的z轴均匀排布所形成的均匀线性阵列来收发信号；
8.步骤二、在将信号输入到均匀线性阵列的阵元之前需要对信号进行调制，再将调制后的信号输入阵元，得到经过时间调制的天线方向图函数；
9.步骤三、选择工作模式
10.基于得到的天线方向图函数，在双波束工作模式下，使用+1次谐波分量和-3次谐波分量工作，在单波束工作模式下，使用+1次谐波分量工作；
11.步骤四、对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化，以保证双波束工作模式下和单波束工作模式下的能量效率。
12.优选地，所述对信号进行调制，其具体过程为：
13.对于输入信号s(t)，使用同相支路周期性调制函数和正交支路周期性调制函数对s(t)进行调制后，得到调制后的输入信号：
[0014][0015]
其中，s(t)代表输入信号，u
nl
(t)表示同相支路周期性调制函数，u
nq
(t)表示正交
支路周期性调制函数，s
nl
(t)表示同相支路输出信号，s
nq
(t)表示正交支路输出信号，sn(t)为调制后的输入信号，即阵元n的输入信号；
[0016]
则等效周期性调制函数un(t)为：
[0017][0018]
其中，u
nl
(t)是调制函数g
nl
(t)的周期延拓，u
nq
(t)是调制函数g
nq
(t)的周期延拓；
[0019][0020][0021]
其中：
[0022][0023][0024]
其中，为阵元n的开启时刻，为阵元n的关闭时刻，t
p
表示调制周期；
[0025]unl
(t)和u
nq
(t)的傅里叶级数展开分别为：
[0026][0027]
其中，f
p
＝1/t
p
为调制频率，k为谐波次数，谐波系数α
nl,k
和α
nq,k
分别为：
[0028][0029]
其中，表示阵元n的归一化开启时刻，表示阵元n的归一化关闭时刻；
[0030]
则将sn(t)表示为：
[0031]
[0032]
将联合谐波系数定义为：
[0033][0034]
则经过时间调制的天线方向图函数f(θ,t)为：
[0035][0036]
其中，an为阵元n的加权向量，e是自然对数的底数，t为时刻，j是虚数单位，β为波数，zn为阵元n在z轴方向上的坐标，θ表示信号入射方向，ω是载波频率。
[0037]
优选地，所述同相支路周期性调制函数u
nl
(t)与正交支路周期性调制函数u
nq
(t)相差四分之一周期。
[0038]
优选地，在所述双波束工作模式下，使用+1次和-3次谐波分量进行谐波波束赋性，令
[0039]
则当k＝1和k＝-3时，有：
[0040][0041]
设定+1次谐波分量主波束指向为θ
+1
，-3次谐波分量主波束指向为θ-3
，则
[0042][0043]
其中，为阵元n的静态加权相位；
[0044]
令
[0045][0046]
得到：
[0047][0048]
则阵元n开关的实际开启时刻和关闭时刻为：
[0049][0050]
优选地，在所述双波束工作模式下，能量效率的计算方式为：
[0051]
计算时间调制阵列的总辐射能量
[0052][0053]
其中，|an|是an的模长，zn和zm分别为阵元n和阵元m在z轴方向上的坐标，θ
mn
表示所有非重复(m,n)的索引集合，是am的共轭，am为阵元m的加权向量，re(.)表示对复数取实部操作，im(.)表示对复数取虚部操作，τ
nm
和τ
′
nm
为中间变量；
[0054]
+1次谐波分量辐射能量的表达式为：
[0055][0056]
其中，表示阵元m的归一化开启时刻，表示阵元m的归一化关闭时刻，
[0057]-3次谐波分量辐射能量的表达式为：
[0058][0059]
则在双波束工作模式下，能量效率η
dual
为：
[0060][0061]
在单波束工作模式下，能量效率η
single
为：
[0062][0063]
优选地，所述中间变量τ
nm
＝τ
+-τ-，τ
+
表示阵元m的调制函数u
ml
(t)与阵元n的调制函数u
nl
(t)在一个周期内同相位重叠部分之和，τ-表示阵元m的调制函数u
ml
(t)与阵元n的调制函数u
nl
(t)在一个周期内反相位重叠部分之和。
[0064]
优选地，所述中间变量τ
′
nm
＝τ
′
+-τ
′-，τ
′
+
表示阵元n的调制函数u
nl
(t)与阵元m的调制函数u
mq
(t)在一个周期内同相位重叠部分之和，τ-′
表示阵元n的调制函数u
nl
(t)与阵元m的调制函数u
mq
(t)在一个周期内反相位重叠部分之和。
[0065]
优选地，所述步骤四中，对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化，采用的是差分进化算法。
[0066]
优选地，所述步骤四中，对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时
刻和开关关闭时刻进行优化，其具体的优化过程为：
[0067]
步骤四一、设置种群大小为np，差分尺度因子为f，交叉概率为cr；设置期望旁瓣电平sll
ref
、最大迭代次数g
max
、+1次谐波方向θ
+1
，-3次谐波方向θ-3
以及静态加权幅值an的值；
[0068]
步骤四二、种群参数初始化
[0069]
初始化σ
ni,0
＝rand(0,1),i∈[1,2,...,np]，n＝0,1,...,n-1，rand(0,1)代表0～1之间的随机数，下角标i代表在种群中的位置，下角标n代表第n个阵元，下角标0代表迭代第0代，即g＝0；
[0070]
其中，代表第0代、种群中位置i的阵元n归一化关闭时刻，代表第0代、种群中位置i的阵元n归一化开启时刻；
[0071]
令σ
i，0
＝[σ
0i,0
,...,σ
(n-1)i,0
]代表第0代、种群中位置i的隶属全部阵元初始化参数集合；
[0072]
步骤四三、计算时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和关闭时刻；
[0073]
根据σ
i，0
和式(16)求得阵元n的静态加权相位第0代第i个个体下阵元n开关的归一化开启时刻和关闭时刻
[0074]
在第0代第i个个体下，根据式(17)计算阵元n开关的实际开启时刻和关闭时刻
[0075]
步骤四四、计算时间调制阵列能量损失
[0076]
在第0代第i个个体下，根据式(18)、式(19)、式(20)、式(21)和式(22)计算时间调制阵列的总辐射能量+1次谐波辐射能量-3次谐波辐射能量双波束工作模式下能量效率η
dual,i,0
以及单波束工作模式下能量效率η
single,i,0
；
[0077]
步骤四五、根据代价函数，由σ
i,0
计算下一代参数值σ
i,1
；
[0078]
代价函数f(σ)设置为：
[0079][0080]
其中，w
sll
和w
loss
分别是ψ
sll
(σ)和的实数加权值，且
[0081][0082]
其中，h(
·
)是单位阶跃函数，g是迭代索引，sllg(σ)是当前第g代的旁瓣电平，定义能量损失
[0083][0084]
根据差分尺度因子f和交叉概率cr，对σ
i,0
进行变异、交叉和选择得到向量u
i,0
，下一代第i个个体下的参数值形成的向量σ
i,1
满足：
[0085][0086]
代价函数f(
·
)是一个以向量σ为自变量的函数，将σ
i,0
和u
i,0
代入代价函数，若f(u
i,0
)＜f(w
i,0
)，则将u
i,0
作为下一代参数值σ
i,1
，否则将σ
i,0
作为下一代参数值；
[0087]
步骤四六、令迭代次数g加一，重复上述步骤四三至四五过程，直到迭代次数g达到设置的最大迭代次数g
max-1时停止迭代，获得最后一次迭代得到的
[0088]
步骤四七、寻找最佳适应度个体
[0089]
根据代价函数(23)，从中选择出最佳适应度的个体，即选择出使代价函数值最小的j为1,2,...,np中使代价函数值最小的索引，记将简写为
[0090]
步骤四八、利用σ
final
，并根据式(16)和式(17)计算出时间调制阵列各阵元最终的静态加权相位以及最终的开关实际开启时刻与关闭时刻
[0091]
步骤四九、波束指向更新
[0092]
当+1次谐波分量指向由θ
+1
更新为θ
′
+1
，-3次谐波分量指向由θ-3
更新为θ
′-3
时，根据式(16)和式(17)得到在波束指向更新情况下，各个阵元新的静态加权相位以及新的开关实际开启时刻与关闭时刻
[0093]
步骤四十、参数输出
[0094]
输出各组谐波分量指向下，所获得的最终静态加权相位以及最终开关实际开启时刻与关闭时刻
[0095]
优选地，所述种群大小np∈[3n,10n]，差分尺度因子f∈[0.4,1]，交叉概率cr∈[0.5,0.95]。
[0096]
本发明的有益效果是：
[0097]
本发明采用类单边带结构，使用均匀线性阵列收发信号，再采用两路相差四分之一周期的正负交替周期函数对均匀线性阵列进行周期性调制，最后对参数进行优化。在不改变硬件结构的前提下，实现可重构配置，即，在不改变硬件结构的情况下，可在双波束工作模式和单波束工作模式中任意切换。双波束模式下，使时间调制阵列除了+1次谐波分量和-3次谐波分量之外的部分尽量小，单波束模式下，使时间调制阵列除了+1次谐波分量之外的部分尽量小，以减小能量损失，提高能量效率。
附图说明
[0098]
图1是本发明的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法的流程图；
[0099]
图2是均匀排布的n元线性阵列模型图；
[0100]
图中，θ为俯仰角，φ为方位角；
[0101]
图3是类单边带结构实现框图；
[0102]
由相差四分之一周期的同相支路和正交支路组合而成，图中每个支路均采用正负交替周期调制函数；
[0103]
图4是步骤三中提到的τ
+
和τ-示意图；
[0104]
图5是步骤三中提到的τ
′
+
和τ
′-示意图；
[0105]
图6(a)是chebyshev分布下tma辐射方向图；
[0106]
图6(b)是双波束工作模式下tma辐射方向图；
[0107]
图6(c)是单波束工作模式下tma辐射方向图；
[0108]
图7是两种工作模式下迭代算法收敛效果示意图。
具体实施方式
[0109]
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，该方法具体包括以下步骤：
[0110]
步骤一、使用由n个阵元沿空间直角坐标系的z轴均匀排布所形成的均匀线性阵列来收发信号；
[0111]
步骤二、在将信号输入到均匀线性阵列的阵元之前需要对信号进行调制，再将调制后的信号输入阵元，得到经过时间调制的天线方向图函数；
[0112]
步骤三、选择工作模式
[0113]
基于得到的天线方向图函数，在双波束工作模式下，使用+1次谐波分量和-3次谐波分量工作，在单波束工作模式下，使用+1次谐波分量工作；
[0114]
在双波束工作模式下，设定+1次谐波指向θ
+1
以及-3次谐波指向θ-3
；在单波束工作模式下，设定+1次谐波指向θ
+1
，并任意指定-3次谐波指向θ-3
；
[0115]
步骤四、对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化，以保证双波束工作模式下和单波束工作模式下的能量效率。
[0116]
本实施方式中的阵元为全向天线，其中，每两个相邻阵元之间的间距均为d，阵列排布方式如图2所示，n个阵元的辐射场强f
ula
(θ,t)表示为：
[0117][0118]
其中，zn为阵元n在z轴方向上的坐标，n＝0,1,
…
,n-1，θ表示信号入射方向(俯仰角)，β是波数，j是虚数单位，an是阵元n的加权向量，ω是载波频率，e是自然对数的底数，t为时刻；
[0119]
所述加权向量an为：
[0120][0121]
其中，an为阵元n的静态加权幅值，arg(.)表示取相位值，为阵元n的静态加权相位；
[0122]
所述波数β为：
[0123]
β＝2π/λ＝ω/c
[0124]
其中，λ代表波长，c表示真空中光速。
[0125]
具体实施方式二、结合图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同的
是：所述对信号进行调制，其具体过程为：
[0126]
对于输入信号s(t)，使用同相支路周期性调制函数和正交支路周期性调制函数对s(t)进行调制后，得到调制后的输入信号：
[0127][0128]
其中，s(t)代表输入信号，u
nl
(t)表示同相支路周期性调制函数，u
nq
(t)表示正交支路周期性调制函数，s
nl
(t)表示同相支路输出信号，s
nq
(t)表示正交支路输出信号，sn(t)为调制后的输入信号，即阵元n的输入信号；
[0129]
则等效周期性调制函数un(t)为：
[0130][0131]
其中，u
nl
(t)是调制函数g
nl
(t)的周期延拓，u
nq
(t)是调制函数g
nq
(t)的周期延拓；
[0132][0133][0134]
其中：
[0135][0136][0137]
其中，为阵元n的开启时刻，为阵元n的关闭时刻，t
p
表示调制周期；
[0138]unl
(t)和u
nq
(t)的傅里叶级数展开分别为：
[0139][0140]
其中，f
p
＝1/t
p
为调制频率，k为谐波次数，谐波系数α
nl,k
和α
nq,k
分别为：
[0141]
[0142]
其中，表示阵元n的归一化开启时刻，表示阵元n的归一化关闭时刻；
[0143]
则将sn(t)表示为：
[0144][0145]
将联合谐波系数定义为：
[0146][0147]
分析(11)可得，仅当k＝+1,-3,+5,-7,
…
时联合谐波系数不为零。
[0148]
则经过时间调制的天线方向图函数f(θ,t)为：
[0149][0150]
其中，an为阵元n的加权向量，e是自然对数的底数，t为时刻，j是虚数单位，β为波数，zn为阵元n在z轴方向上的坐标，θ表示信号入射方向，ω是载波频率。
[0151]
采用本实施方式的类单边带结构，可以使能效相比现有技术更高。
[0152]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0153]
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述同相支路周期性调制函数u
nl
(t)与正交支路周期性调制函数u
nq
(t)相差四分之一周期。
[0154]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0155]
具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：在所述双波束工作模式下，使用+1次和-3次谐波分量进行谐波波束赋性，令
[0156]
则当k＝1和k＝-3时，有：
[0157][0158]
设定+1次谐波分量主波束指向为θ
+1
，-3次谐波分量主波束指向为θ-3
，则
[0159][0160]
其中，为阵元n的静态加权相位；
[0161]
令
[0162][0163]
得到：
[0164][0165]
则阵元n开关的实际开启时刻和关闭时刻为：
[0166][0167]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0168]
对于单波束工作模式来说，设定+1次谐波分量主波束指向，任意指定-3次谐波分量主波束指向，再采用本实施方式的方法计算阵元n的静态加权相位、阵元n开关的实际开启时刻以及关闭时刻。
[0169]
具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：在所述双波束工作模式下，能量效率的计算方式为：
[0170]
计算时间调制阵列的总辐射能量
[0171][0172]
其中，|an|是an的模长，zn和zm分别为阵元n和阵元m在z轴方向上的坐标，θ
mn
表示所有非重复(m,n)的索引集合，例如当n＝3，则θ
mn
＝{(0,1),(0,2),(1,2)}，是am的共轭，am为阵元m的加权向量，re(.)表示对复数取实部操作，im(.)表示对复数取虚部操作，τ
nm
和τn′m为中间变量；
[0173]
+1次谐波分量辐射能量的表达式为：
[0174][0175]
其中，表示阵元m的归一化开启时刻，表示阵元m的归一化关闭时刻，
[0176]-3次谐波分量辐射能量的表达式为：
[0177][0178]
则在双波束工作模式下，能量效率η
dual
为：
[0179][0180]
在单波束工作模式下，能量效率η
single
为：
[0181][0182]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0183]
具体实施方式六、结合图4说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述中间变量τ
nm
＝τ
+-τ-，τ
+
表示阵元m的调制函数u
ml
(t)与阵元n的调制函数u
nl
(t)在一个周期内同相位重叠部分之和，τ-表示阵元m的调制函数u
ml
(t)与阵元n的调制函数u
nl
(t)在一个周期内反相位重叠部分之和。
[0184]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0185]
具体实施方式七、结合图5说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述中间变量τ
′
nm
＝τ
′
+-τ
′-，τ
′
+
表示阵元n的调制函数u
nl
(t)与阵元m的调制函数u
mq
(t)在一个周期内同相位重叠部分之和，τ-′
表示阵元n的调制函数u
nl
(t)与阵元m的调制函数u
mq
(t)在一个周期内反相位重叠部分之和。
[0186]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0187]
具体实施方式八、本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤四中，对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化，采用的是差分进化算法。
[0188]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0189]
具体实施方式九、本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤四中，对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关关闭时刻进行优化，其具体的优化过程为：
[0190]
步骤四一、设置种群大小为np，差分尺度因子为f，交叉概率为cr；设置期望旁瓣电平sll
ref
、最大迭代次数g
max
、+1次谐波方向θ
+1
(双波束工作模式下和单波束工作模式下均为波束指向方向)，-3次谐波方向θ-3
(双波束工作模式下为波束指向方向，单波束工作模式下为任意选取方向)以及静态加权幅值an(dolph-chebyshev分布，即多尔夫-切比雪夫分布)的值；
[0191]
步骤四二、种群参数初始化
[0192]
初始化σ
ni,0
＝rand(0,1),i∈[1,2,...,np]，n＝0,1,...,n-1，rand(0,1)代表0～1之间的随机数，下角标i代表在种群中的位置，下角标n代表第n个阵元，下角标0代表迭代第0代，即g＝0；
[0193]
其中，代表第0代、种群中位置i的阵元n归一化关闭
时刻，代表第0代、种群中位置i的阵元n归一化开启时刻；
[0194]
令代表第0代、种群中位置i的隶属全部阵元初始化参数集合；
[0195]
步骤四三、计算时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和关闭时刻；
[0196]
根据σ
i，0
和式(16)求得阵元n的静态加权相位第0代第i个个体下(即种群中位置i下)阵元n开关的归一化开启时刻和关闭时刻
[0197]
在第0代第i个个体下，根据式(17)计算阵元n开关的实际开启时刻和关闭时刻
[0198]
步骤四四、计算时间调制阵列能量损失
[0199]
在第0代第i个个体下，根据式(18)、式(19)、式(20)、式(21)和式(22)计算时间调制阵列的总辐射能量+1次谐波辐射能量-3次谐波辐射能量双波束工作模式下能量效率η
dual,i,0
以及单波束工作模式下能量效率η
single,i,0
；
[0200]
步骤四五、根据代价函数，由σ
i,0
计算下一代参数值σ
i,1
；
[0201]
代价函数f(σ)设置为：
[0202][0203]
其中，w
sll
和w
loss
分别是ψ
sll
(σ)和的实数加权值，且
[0204][0205]
其中，h(
·
)是单位阶跃函数，g是迭代索引，sllg(σ)是当前第g代的旁瓣电平，根据是双波束工作模式或是单波束工作模式，定义能量损失
[0206][0207]
使用差分进化算法，根据差分尺度因子f和交叉概率cr，对σ
i,0
进行变异、交叉和选择得到向量u
i,0
，下一代第i个个体下的参数值形成的向量σ
i,1
满足：
[0208][0209]
代价函数f(
·
)是一个以向量σ为自变量的函数，将σ
i,0
和u
i,0
代入代价函数，若f(u
i,0
)＜f(w
i,0
)，则将u
i,0
作为下一代参数值σ
i,1
，否则将σ
i,0
作为下一代参数值；
[0210]
步骤四六、令迭代次数g加一，重复上述步骤四三至四五过程(每次重复上述过程时，均基于前一次迭代获得的参数值，比如执行第一代时，利用的参数值是σ
i,0
，以此类推)，直到迭代次数g达到设置的最大迭代次数g
max-1时停止迭代，获得最后一次迭代得到的
[0211]
步骤四七、寻找最佳适应度个体
[0212]
根据代价函数(23)，从中选择出最佳适应度的个体，即选择出使代价函数值最小的j为1,2,...,np中使代价函数值最小的索引，记将简写为
[0213]
步骤四八、利用σ
final
，并根据式(16)和式(17)计算出时间调制阵列各阵元最终的静态加权相位以及最终的开关实际开启时刻与关闭时刻
[0214]
步骤四九、波束指向更新
[0215]
当+1次谐波分量指向由θ
+1
更新为θ
′
+1
，-3次谐波分量指向由θ-3
更新为θ
′-3
时(在双波束工作模式下存在θ-3
更新问题)，根据式(16)和式(17)得到在波束指向更新情况下，各个阵元新的静态加权相位以及新的开关实际开启时刻与关闭时刻
[0216]
本步骤也是基于步骤四七获得的σ
final
进行；
[0217]
步骤四十、参数输出
[0218]
输出各组谐波分量指向下，所获得的最终静态加权相位以及最终开关实际开启时刻与关闭时刻
[0219]
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
[0220]
具体实施方式十、本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述种群大小np∈[3n,10n]，差分尺度因子f∈[0.4,1]，交叉概率cr∈[0.5,0.95]。
[0221]
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
[0222]
采用数值仿真证明本发明方法的优越性，本发明效果如下：
[0223]
采用16元均匀线性阵列，阵元为全向天线，排列间距半波长。时间调制阵列调制频率f
p
＝50mhz，载波频率fc＝1ghz。假设+1次谐波指向θ
+1
＝80
°
，-3次谐波指向θ-3
＝120
°
。
[0224]
为了对比，我们首先计算时间调制阵列在chebyshev(切比雪夫)分布下的能量损失(即没有采用任何优化算法下的能量损失)。图6(a)为chebyshev分布下tma辐射方向图(sll＝-30db)。可求得在没有使用任何优化算法的情况下，在双波束工作模式下，能量损失为9.94％；在单波束工作模式下，能量损失为18.94％。
[0225]
这里给出本发明的仿真结果。参数设置如下：σ＝[σ0,
…
,σ
n-1
]选作优化变量，维度d＝n＝16，种群大小np＝5d，差分尺度因子f＝0.4，交叉概率cr＝0.5。代价函数设定sll
ref
＝-30db。图6(b)为双波束工作模式下，经过500次迭代优化后的tma辐射方向图。可求能量损失占总体辐射能量的3.69％，与chebyshev分布下的9.94％相比(双波束工作模式)，能量损失得到了明显的抑制。
[0226]
与上述相同参数设置，图6(c)为单波束工作模式下，经过500次迭代优化后的tma辐射方向图。可求得能量损失占总辐射能量的7.74％，与chebyshev分布下的18.94％相比(单波束工作模式)，能量损失得到了明显的抑制。
[0227]
图7给出了在双波束和单波束工作模式下，代价函数随迭代次数变化曲线，可以观察到双波束工作模式下，大约迭代100次趋于稳定；单波束模式下，大约迭代160次趋于稳
定。所提方法具有优良的收敛性能。
[0228]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一、使用由n个阵元沿空间直角坐标系的z轴均匀排布所形成的均匀线性阵列来收发信号；步骤二、在将信号输入到均匀线性阵列的阵元之前需要对信号进行调制，再将调制后的信号输入阵元，得到经过时间调制的天线方向图函数；步骤三、选择工作模式基于得到的天线方向图函数，在双波束工作模式下，使用+1次谐波分量和-3次谐波分量工作，在单波束工作模式下，使用+1次谐波分量工作；步骤四、对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化，以保证双波束工作模式下和单波束工作模式下的能量效率。2.根据权利要求1所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述对信号进行调制，其具体过程为：对于输入信号s(t)，使用同相支路周期性调制函数和正交支路周期性调制函数对s(t)进行调制后，得到调制后的输入信号：其中，s(t)代表输入信号，u
nl
(t)表示同相支路周期性调制函数，u
nq
(t)表示正交支路周期性调制函数，s
nl
(t)表示同相支路输出信号，s
nq
(t)表示正交支路输出信号，s
n
(t)为调制后的输入信号，即阵元n的输入信号；则等效周期性调制函数u
n
(t)为：其中，u
nl
(t)是调制函数g
nl
(t)的周期延拓，u
nq
(t)是调制函数g
nq
(t)的周期延拓；(t)的周期延拓；其中：其中：其中，为阵元n的开启时刻，为阵元n的关闭时刻，t
p
表示调制周期；
u
nl
(t)和u
nq
(t)的傅里叶级数展开分别为：其中，f
p
＝1/t
p
为调制频率，k为谐波次数，谐波系数α
nl,k
和α
nq,k
分别为：其中，表示阵元n的归一化开启时刻，表示阵元n的归一化关闭时刻；则将s
n
(t)表示为将联合谐波系数定义为：则经过时间调制的天线方向图函数f(θ,t)为：其中，a
n
为阵元n的加权向量，e是自然对数的底数，t为时刻，j是虚数单位，β为波数，z
n
为阵元n在z轴方向上的坐标，θ表示信号入射方向，ω是载波频率。3.根据权利要求2所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述同相支路周期性调制函数u
nl
(t)与正交支路周期性调制函数u
nq
(t)相差四分之一周期。4.根据权利要求3所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，在所述双波束工作模式下，使用+1次和-3次谐波分量进行谐波波束赋性，令则当k＝1和k＝-3时，有：
设定+1次谐波分量主波束指向为θ
+1
，-3次谐波分量主波束指向为θ-3
，则其中，为阵元n的静态加权相位；令得到：则阵元n开关的实际开启时刻和关闭时刻为：5.根据权利要求4所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，在所述双波束工作模式下，能量效率的计算方式为：计算时间调制阵列的总辐射能量p：其中，|a
n
|是a
n
的模长，z
n
和z
m
分别为阵元n和阵元m在z轴方向上的坐标，θ
mn
表示所有非重复(m,n)的索引集合，是a
m
的共轭，a
m
为阵元m的加权向量，re(.)表示对复数取实部操作，im(.)表示对复数取虚部操作，τ
nm
和τ
′
nm
为中间变量；+1次谐波分量辐射能量的表达式为：其中，表示阵元m的归一化开启时刻，表示阵元m的归一化关闭时刻，
‑
3次谐波分量辐射能量的表达式为：则在双波束工作模式下，能量效率η
dual
为：在单波束工作模式下，能量效率η
single
为：6.根据权利要求5所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述中间变量τ
nm
＝τ
+-τ-，τ
+
表示阵元m的调制函数u
ml
(t)与阵元n的调制函数u
nl
(t)在一个周期内同相位重叠部分之和，τ-表示阵元m的调制函数u
ml
(t)与阵元n的调制函数u
nl
(t)在一个周期内反相位重叠部分之和。7.根据权利要求6所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述中间变量τ
′
nm
＝τ
′
+-τ
′-，τ
′
+
表示阵元n的调制函数u
nl
(t)与阵元m的调制函数u
mq
(t)在一个周期内同相位重叠部分之和，τ
′-表示阵元n的调制函数u
nl
(t)与阵元m的调制函数u
mq
(t)在一个周期内反相位重叠部分之和。8.根据权利要求7所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述步骤四中，对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化，采用的是差分进化算法。9.根据权利要求8所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述步骤四中，对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关关闭时刻进行优化，其具体的优化过程为：步骤四一、设置种群大小为np，差分尺度因子为f，交叉概率为cr；设置期望旁瓣电平sll
ref
、最大迭代次数g
max
、+1次谐波方向θ
+1
，-3次谐波方向θ-3
以及静态加权幅值a
n
的值；步骤四二、种群参数初始化初始化σ
ni,0
＝rand(0,1),i∈[1,2,...,np]，n＝0,1,...,n-1，rand(0,1)代表0～1之间的随机数，下角标i代表在种群中的位置，下角标n代表第n个阵元，下角标0代表迭代第0代，即g＝0；其中，其中，代表第0代、种群中位置i的阵元n归一化关闭时刻，代表第0代、种群中位置i的阵元n归一化开启时刻；令σ
i，0
＝[σ
0i,0
,...,σ
(n-1)i,0
]代表第0代、种群中位置i的隶属全部阵元初始化参数集合；步骤四三、计算时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和关闭时刻；根据σ
i，0
和式(16)求得阵元n的静态加权相位第0代第i个个体下阵元n开关的归一
化开启时刻和关闭时刻在第0代第i个个体下，根据式(17)计算阵元n开关的实际开启时刻和关闭时刻步骤四四、计算时间调制阵列能量损失在第0代第i个个体下，根据式(18)、式(19)、式(20)、式(21)和式(22)计算时间调制阵列的总辐射能量次谐波辐射能量-3次谐波辐射能量双波束工作模式下能量效率η
dual,i,0
以及单波束工作模式下能量效率η
single,i,0
；步骤四五、根据代价函数，由σ
i,0
计算下一代参数值σ
i,1
；代价函数f(σ)设置为：其中，w
sll
和w
loss
分别是ψ
sll
(σ)和的实数加权值，且其中，h(
·
)是单位阶跃函数，g是迭代索引，sll
g
(σ)是当前第g代的旁瓣电平，定义能量损失量损失根据差分尺度因子f和交叉概率cr，对σ
i,0
进行变异、交叉和选择得到向量u
i,0
，下一代第i个个体下的参数值形成的向量σ
i,1
满足：代价函数f(
·
)是一个以向量σ为自变量的函数，将σ
i,0
和u
i,0
代入代价函数，若f(u
i,0
)＜f(w
i,0
)，则将u
i,0
作为下一代参数值σ
i,1
，否则将σ
i,0
作为下一代参数值；步骤四六、令迭代次数g加一，重复上述步骤四三至四五过程，直到迭代次数g达到设置的最大迭代次数g
max-1时停止迭代，获得最后一次迭代得到的步骤四七、寻找最佳适应度个体根据代价函数(23)，从中选择出最佳适应度的个体，即选择出使代价函数值最小的j为1,2,...,np中使代价函数值最小的索引，记将简写为步骤四八、利用σ
final
，并根据式(16)和式(17)计算出时间调制阵列各阵元最终的静态加权相位以及最终的开关实际开启时刻与关闭时刻步骤四九、波束指向更新当+1次谐波分量指向由θ
+1
更新为θ
′
+1
，-3次谐波分量指向由θ-3
更新为θ
′-3
时，根据式
(16)和式(17)得到在波束指向更新情况下，各个阵元新的静态加权相位以及新的开关实际开启时刻与关闭时刻步骤四十、参数输出输出各组谐波分量指向下，所获得的最终静态加权相位以及最终开关实际开启时刻与关闭时刻10.根据权利要求9所述的一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，其特征在于，所述种群大小np∈[3n,10n]，差分尺度因子f∈[0.4,1]，交叉概率cr∈[0.5,0.95]。

技术总结
一种具有重构配置功能的时间调制阵列波束控制方法，它属于时间调制阵列领域。本发明解决了传统时间调制阵列波束模式不易灵活切换，且由于存在边带辐射而导致的能量损失、能量效率低的问题。本发明方法采取的主要技术方案为：步骤一、使用均匀线性阵列来收发信号；步骤二、对输入到阵元之前的信号进行调制，将调制后信号输入阵元，得到经过时间调制的天线方向图函数；步骤三、在双波束工作模式下，使用+1次谐波分量和-3次谐波分量工作，在单波束工作模式下，使用+1次谐波分量工作；步骤四、对时间调制阵列各阵元的静态加权相位、开关实际开启时刻和开关实际关闭时刻进行优化。本发明方法可以应用于时间调制阵列波束控制。可以应用于时间调制阵列波束控制。可以应用于时间调制阵列波束控制。


技术研发人员：单成兆 张佳岩 马永奎 赵洪林 沙学军
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1