綜合孔徑微波輻射計(jì)天線陣排列優(yōu)化研究.pdf

1、微波輻射計(jì)在地球遙感、深空探測(cè)、制導(dǎo)、安檢、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的綜合孔徑微波輻射計(jì)（ASR）引入射電天文學(xué)“孔徑綜合”的思想，通過(guò)陣列稀疏、相關(guān)接收等技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)微波輻射計(jì)口徑有限、機(jī)械掃描困難等問(wèn)題，極大提高了觀測(cè)的空間分辨率，因而成為近年來(lái)被動(dòng)微波遙感的一個(gè)發(fā)展方向。
　　 陣列排列優(yōu)化是ASR的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。它通過(guò)基線設(shè)計(jì)和組合，決定可見(jiàn)度函數(shù)采樣分布，而可見(jiàn)度函數(shù)采樣分布又決定圖像重

2、建的質(zhì)量。本文著重研究綜合孔徑微波輻射計(jì)的天線陣稀疏排列優(yōu)化方法：包括基于分辨率最佳的最小冗余天線陣排列優(yōu)化方法；基于系統(tǒng)靈敏度最佳的天線陣排列優(yōu)化方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的綜合孔徑毫米波輻射計(jì)天線陣物理結(jié)構(gòu)；最后，對(duì)最小冗余陣在其它領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了拓展研究。本文主要內(nèi)容包括：
　　 在總結(jié)大陣元數(shù)低冗余線陣（LRLA）排列的一般結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種排列結(jié)構(gòu)與蟻群優(yōu)化（ACO）相結(jié)合的約束搜索算法，其思想是利用

3、LRLA排列的一般結(jié)構(gòu)縮小解空間，在大大縮減求解規(guī)模從而減少計(jì)算時(shí)間的同時(shí)，使所得排列具有較低的冗余度。進(jìn)一步地，歸納出多種適合任意陣元數(shù)LRLA排列的解析解。
　　 針對(duì)U、T型陣冗余度較大的問(wèn)題，提出了一種矩形平面陣排列方法。從理論上證明了該方法構(gòu)造的二維稀疏陣UV覆蓋的完備性，導(dǎo)出了由該方法構(gòu)造的二維稀疏陣的冗余度理論上限，并證明其優(yōu)于U、T型陣。針對(duì)均勻圓環(huán)陣（UCA）基線長(zhǎng)度存在大量冗余的問(wèn)題，以最小化UCA基線長(zhǎng)度冗

4、余為優(yōu)化目標(biāo)，提出了兩種稀疏優(yōu)化方法：一種是基于受限差基的半圓環(huán)陣稀疏方法；一種是基于循環(huán)差集的全圓環(huán)陣稀疏方法。這兩種方法均可大大減小陣元數(shù)，節(jié)約硬件成本；且均可解析地求出稀疏陣元位置，適于任意大陣元數(shù)的圓環(huán)陣稀疏優(yōu)化。運(yùn)用微粒群（PSO）算法優(yōu)化圓環(huán)陣陣元位置，以改善圓環(huán)陣UV覆蓋。設(shè)計(jì)了一種新的衡量圓環(huán)陣UV覆蓋均勻程度的目標(biāo)函數(shù)，與現(xiàn)有文獻(xiàn)采用的目標(biāo)函數(shù)相比，其計(jì)算復(fù)雜度大大降低，且能更準(zhǔn)確地度量圓環(huán)陣UV覆蓋的均勻程度。

5、>　　 分析了冗余基線對(duì)ASR靈敏度的影響，并定義陣列退化因子（DF）來(lái)度量這種影響；以最小化DF為優(yōu)化目標(biāo)，提出兩種尋求最小退化陣（MDA）以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳靈敏度的方法：一是基于貪婪思想的構(gòu)建性算法，二是基于模擬退火（SA）的隨機(jī)優(yōu)化方法，并比較兩種算法的性能。為克服陣列填充率較大時(shí)DF優(yōu)化緩慢的問(wèn)題，提出增廣最大基線的思想。進(jìn)一步地，導(dǎo)出了DF的下界。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MDA設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)靈敏度的改善。
　　 提出了一種一維實(shí)孔徑

6、/一維綜合孔徑的綜合孔徑毫米波輻射計(jì)天線陣結(jié)構(gòu)：共享偏置拋物柱面的16單元毫米波稀疏天線陣。每個(gè)ASR天線單元由一個(gè)饋源喇叭和柱形反射面組成，提供系統(tǒng)所需的扇形波束。這些天線單元排成最小冗余線陣，共享同一個(gè)反射面。理論計(jì)算和測(cè)量結(jié)果均表明，該天線陣具有窄主瓣、低旁瓣、低駐波比的特點(diǎn)，適合高分辨率被動(dòng)微波成像應(yīng)用。
　　 將最小冗余陣（MRA）的研究拓展到其它應(yīng)用領(lǐng)域。以實(shí)現(xiàn)最小冗余MIMO虛擬陣為優(yōu)化目標(biāo)，提出了兩種快速構(gòu)造MI