反射面型脈沖輻射天線的快速優(yōu)化方法研究.pdf

1、反射面型脈沖輻射天線能很好地定向輻射電磁脈沖，它具有主瓣波束窄，作用距離遠(yuǎn)，空間、時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在定向能武器、目標(biāo)探測(cè)、成像等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于反射面型脈沖輻射天線所輻射的電磁脈沖其頻譜成分豐富，作為饋源的超寬帶天線將無(wú)法擁有固定的相位中心，這是反射面型脈沖輻射天線設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。為了使反射面型脈沖輻射天線能向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射高峰值、高保真度的沖擊脈沖，提高饋源的能量輻射效率，通常依賴(lài)數(shù)值仿真方法和優(yōu)化算法對(duì)反射面型脈沖輻射天線

2、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而，該類(lèi)天線為電大尺寸天線，反復(fù)數(shù)值模擬計(jì)算，將占用大量計(jì)算資源，優(yōu)化速度緩慢。因此，本文致力于尋求加快反射面型脈沖輻射天線優(yōu)化設(shè)計(jì)速度的普適方法。
　　時(shí)域電磁場(chǎng)計(jì)算方法可較為直接、直觀地求解超寬譜電磁脈沖問(wèn)題。其中，共形時(shí)域有限差分法(Conformal Finite Difference Time Domain，CFDTD)在處理帶有曲面結(jié)構(gòu)的電磁目標(biāo)仿真問(wèn)題時(shí)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，適合于反射面型脈沖輻射天線的研

3、究。但是，由于仿真目標(biāo)形式多樣，它們的共形網(wǎng)格建模往往十分繁瑣。為此，本文將研究滿(mǎn)足三維CFDTD方法求解的電磁目標(biāo)自動(dòng)幾何建模方法。同時(shí)，優(yōu)化算法已經(jīng)普遍應(yīng)用于各類(lèi)天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)之中。在優(yōu)化過(guò)程中，反復(fù)調(diào)用計(jì)算天線參數(shù)的正問(wèn)題的仿真程序是優(yōu)化設(shè)計(jì)中最為耗時(shí)且占用計(jì)算資源的。為此，本文引入代理模型，研究減少調(diào)用數(shù)值仿真程序次數(shù)的全局優(yōu)化算法，以減少天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間，提高優(yōu)化效率。
　　綜上所述，本文主要工作如下:
　　第一

4、，基于“切片-線掃描”法，實(shí)現(xiàn)多材料復(fù)雜實(shí)體組合的共形網(wǎng)格自動(dòng)建模，適用于CFDTD求解，具備很好的通用性。該方法以三角面元文件為輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)“切片-線掃描”法的改進(jìn)，以及對(duì)網(wǎng)格相對(duì)面積的修正，可以快速確定各網(wǎng)格棱邊和面上的等效實(shí)體信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模型的高效共形網(wǎng)格重構(gòu)。將該方法應(yīng)用于一個(gè)對(duì)開(kāi)口漸變曲線較為敏感的對(duì)跖式漸變開(kāi)槽天線的幾何建模，其數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合很好，表明該共形網(wǎng)格自動(dòng)剖分方法的正確性和有效性。
　　第二

5、，研究了Taguchi優(yōu)化方法與BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，稱(chēng)作BP-based Taguchi算法。通過(guò)函數(shù)測(cè)試，分析優(yōu)化維數(shù)增加，以及優(yōu)化進(jìn)程的推進(jìn)，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差的影響，認(rèn)為，有必要在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用一定代數(shù)后，重新訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以確保BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度滿(mǎn)足進(jìn)一步的尋優(yōu)要求。分別對(duì)三元非規(guī)則三角天線陣（3維）、十一元非規(guī)則三角天線陣（6維）、四元非規(guī)則矩形邊界天線陣（8維）和圓弧式

6、變形TEM喇叭天線單元（13維）進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)優(yōu)化維數(shù)低于8維時(shí)，相較于Taguchi優(yōu)化方法，采用BP-based Taguchi算法可有效減少調(diào)用數(shù)值仿真程序的次數(shù)。
　　第三，實(shí)現(xiàn)了基于混合代理模型的高效全局優(yōu)化算法(Hybrid-Surrogate-Model-based Efficient Global Optimization Algorithm, HSM-based EGO)。HSM-based EGO

7、算法以Kriging模型和RBF(Radial Basis Function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為混合代理模型，分別根據(jù)最大期望改進(jìn)、最低抽樣密度和當(dāng)前局部最優(yōu)來(lái)獲取新抽樣點(diǎn)，每代只需調(diào)用數(shù)值仿真程序3次，且與優(yōu)化維數(shù)無(wú)關(guān)。將HSM-based EGO算法應(yīng)用于一個(gè)12維的復(fù)合振子天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與EGO算法和微分進(jìn)化策略(Differential Evolution Strategy，DES)算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，它們的收斂曲線表明了這種采

8、用混合代理模型的優(yōu)化算法不僅具有較快的收斂速度，也有良好的全局搜索能力，適用于高維優(yōu)化問(wèn)題的全局尋優(yōu)。
　　第四，當(dāng)饋源已確定，且為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，本文根據(jù)反射面型脈沖輻射天線的基本特性，提出了以饋源軸向輻射脈沖的峰值時(shí)刻瞬態(tài)方向圖為參考，以確定超寬帶饋源時(shí)域近似輻射中心與輻照角的方法，從而實(shí)現(xiàn)反射面型脈沖輻射天線的快速設(shè)計(jì)，使反射面天線系統(tǒng)在軸向的輻射增益最強(qiáng)。將該設(shè)計(jì)方法分別應(yīng)用于前饋式反射面型脈沖輻射天線（以阻抗?jié)u變式變形TEM

9、喇叭為饋源）、卡塞格倫型脈沖輻射天線（以圓弧式變形TEM喇叭為饋源）和單偏置反射面型脈沖輻射天線（以2×2同軸指數(shù)漸變式變形TEM喇叭天線陣為饋源）的快速設(shè)計(jì)，并將它們的設(shè)計(jì)結(jié)果與采用掃參或優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，各方法的設(shè)計(jì)結(jié)果皆非常接近，表明了這種時(shí)域快速設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　第五，本文利用帶橢球反射面的近場(chǎng)聚焦天線具有天然近似輻射中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能良好的準(zhǔn)格里高利型脈沖輻射天線。以脈沖寬度分別為