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、時間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在定向能武器、目標(biāo)探測、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，通常依賴數(shù)值仿真方法和優(yōu)化算法對反射面型脈沖輻射天線

2、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。然而，該類天線為電大尺寸天線，反復(fù)數(shù)值模擬計算，將占用大量計算資源，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)計速度的普適方法。
　　時域電磁場計算方法可較為直接、直觀地求解超寬譜電磁脈沖問題。其中，共形時域有限差分法(Conformal Finite Difference Time Domain，CFDTD)在處理帶有曲面結(jié)構(gòu)的電磁目標(biāo)仿真問題時，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，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，本文將研究滿足三維CFDTD方法求解的電磁目標(biāo)自動幾何建模方法。同時，優(yōu)化算法已經(jīng)普遍應(yīng)用于各類天線的優(yōu)化設(shè)計之中。在優(yōu)化過程中，反復(fù)調(diào)用計算天線參數(shù)的正問題的仿真程序是優(yōu)化設(shè)計中最為耗時且占用計算資源的。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)計時間，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)，通過對“切片-線掃描”法的改進(jìn)，以及對網(wǎng)格相對面積的修正，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)用于一個對開口漸變曲線較為敏感的對跖式漸變開槽天線的幾何建模，其數(shù)值模擬結(jié)果與測試結(jié)果吻合很好，表明該共形網(wǎng)格自動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，稱作BP-based Taguchi算法。通過函數(shù)測試，分析優(yōu)化維數(shù)增加，以及優(yōu)化進(jìn)程的推進(jìn)，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差的影響，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)測精度滿足進(jìn)一步的尋優(yōu)要求。分別對三元非規(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，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)無關(guān)。將HSM-based EGO算法應(yīng)用于一個12維的復(fù)合振子天線優(yōu)化設(shè)計，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)化問題的全局尋優(yōu)。
　　第四，當(dāng)饋源已確定，且為對稱結(jié)構(gòu)時，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刻瞬態(tài)方向圖為參考，以確定超寬帶饋源時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，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，并將它們的設(shè)計結(jié)果與采用掃參或優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行對比，各方法的設(shè)計結(jié)果皆非常接近，表明了這種時域快速設(shè)計方法的有效性。
　　第五，本文利用帶橢球反射面的近場聚焦天線具有天然近似輻射中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計了一款遠(yuǎn)場輻射性能良好的準(zhǔn)格里高利型脈沖輻射天線。以脈沖寬度分別為