反射面型脉冲辐射天线的快速优化方法研究

摘要

反射面型脉冲辐射天线能很好地定向辐射电磁脉冲，它具有主瓣波束窄，作用距离远，空间、时间分辨率高等优点，在定向能武器、目标探测、成像等领域都有着广泛的应用。由于反射面型脉冲辐射天线所辐射的电磁脉冲其频谱成分丰富，作为馈源的超宽带天线将无法拥有固定的相位中心，这是反射面型脉冲辐射天线设计中的一大难点。为了使反射面型脉冲辐射天线能向远场辐射高峰值、高保真度的冲击脉冲，提高馈源的能量辐射效率，通常依赖数值仿真方法和优化算法对反射面型脉冲辐射天线进行优化设计。然而，该类天线为电大尺寸天线，反复数值模拟计算，将占用大量计算资源，优化速度缓慢。因此，本文致力于寻求加快反射面型脉冲辐射天线优化设计速度的普适方法。
　　时域电磁场计算方法可较为直接、直观地求解超宽谱电磁脉冲问题。其中，共形时域有限差分法(Conformal Finite Difference Time Domain，CFDTD)在处理带有曲面结构的电磁目标仿真问题时，具有独特的优势，适合于反射面型脉冲辐射天线的研究。但是，由于仿真目标形式多样，它们的共形网格建模往往十分繁琐。为此，本文将研究满足三维CFDTD方法求解的电磁目标自动几何建模方法。同时，优化算法已经普遍应用于各类天线的优化设计之中。在优化过程中，反复调用计算天线参数的正问题的仿真程序是优化设计中最为耗时且占用计算资源的。为此，本文引入代理模型，研究减少调用数值仿真程序次数的全局优化算法，以减少天线的优化设计时间，提高优化效率。
　　综上所述，本文主要工作如下:
　　第一，基于“切片-线扫描”法，实现多材料复杂实体组合的共形网格自动建模，适用于CFDTD求解，具备很好的通用性。该方法以三角面元文件为输入数据，通过对“切片-线扫描”法的改进，以及对网格相对面积的修正，可以快速确定各网格棱边和面上的等效实体信息，实现目标模型的高效共形网格重构。将该方法应用于一个对开口渐变曲线较为敏感的对跖式渐变开槽天线的几何建模，其数值模拟结果与测试结果吻合很好，表明该共形网格自动剖分方法的正确性和有效性。
　　第二，研究了Taguchi优化方法与BP(Back Propagation)神经网络相结合的方法，称作BP-based Taguchi算法。通过函数测试，分析优化维数增加，以及优化进程的推进，对BP神经网络预测误差的影响，认为，有必要在BP神经网络使用一定代数后，重新训练BP神经网络，以确保BP神经网络的预测精度满足进一步的寻优要求。分别对三元非规则三角天线阵（3维）、十一元非规则三角天线阵（6维）、四元非规则矩形边界天线阵（8维）和圆弧式变形TEM喇叭天线单元（13维）进行了优化。优化结果表明，当优化维数低于8维时，相较于Taguchi优化方法，采用BP-based Taguchi算法可有效减少调用数值仿真程序的次数。
　　第三，实现了基于混合代理模型的高效全局优化算法(Hybrid-Surrogate-Model-based Efficient Global Optimization Algorithm, HSM-based EGO)。HSM-based EGO算法以Kriging模型和RBF(Radial Basis Function)神经网络为混合代理模型，分别根据最大期望改进、最低抽样密度和当前局部最优来获取新抽样点，每代只需调用数值仿真程序3次，且与优化维数无关。将HSM-based EGO算法应用于一个12维的复合振子天线优化设计，并与EGO算法和微分进化策略(Differential Evolution Strategy，DES)算法的优化结果进行了对比，它们的收敛曲线表明了这种采用混合代理模型的优化算法不仅具有较快的收敛速度，也有良好的全局搜索能力，适用于高维优化问题的全局寻优。
　　第四，当馈源已确定，且为对称结构时，本文根据反射面型脉冲辐射天线的基本特性，提出了以馈源轴向辐射脉冲的峰值时刻瞬态方向图为参考，以确定超宽带馈源时域近似辐射中心与辐照角的方法，从而实现反射面型脉冲辐射天线的快速设计，使反射面天线系统在轴向的辐射增益最强。将该设计方法分别应用于前馈式反射面型脉冲辐射天线（以阻抗渐变式变形TEM喇叭为馈源）、卡塞格伦型脉冲辐射天线（以圆弧式变形TEM喇叭为馈源）和单偏置反射面型脉冲辐射天线（以2×2同轴指数渐变式变形TEM喇叭天线阵为馈源）的快速设计，并将它们的设计结果与采用扫参或优化算法优化设计的结果进行对比，各方法的设计结果皆非常接近，表明了这种时域快速设计方法的有效性。
　　第五，本文利用带椭球反射面的近场聚焦天线具有天然近似辐射中心的结构特点，设计了一款远场辐射性能良好的准格里高利型脉冲辐射天线。以脉冲宽度分别为200ps和330ps的高斯脉冲激励该天线，该天线馈源的瞬时辐照角宽度符合理论设计要求，当抛物反射面口面直径为1.5m时，天线对应的3dB波束宽度皆小于±3°（H面）和±5°（E面），表明该天线适合于亚纳秒级电磁脉冲的辐射，且具有良好的定向性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要工作及研究内容

第2章 基于CFDTD的网格自动剖分方法研究

2．1 CFDTD的基本原理

2．2 基于“切片-线”扫描法的共形网格自动剖分方法

2．2．1 CFDTD的几何建模要素

2．2．2 三角面元模型文件简介

2．2．3 共形网格自动剖分流程

2．2．4 共形网格相对面积的修正

2．3 共形网格自动剖分方法正确性验证

2．3．1 渐变开槽天线的小型化设计

2．3．2 渐变开槽天线的剖分与计算

2．4 本章小结

第3章 Taguchi方法联合BP神经网络的全局优化算法研究

3．1 Taguchi优化算法和BP神经网络的基本原理

3．1．1 Taguchi方法的基本原理

3．1．2 BP神经网络的基本原理

3．2 Taguchi方法与BP神经网络的结合(BP-based Taguchi)

3．3 BP-based Taguchi算法在天线(阵)优化设计中的应用

3．4 本章小结

第4章 基于混合代理模型的新型高效全局优化算法研究

4．1 EGO算法基本原理

4．2 基于混合代理模型的高效全局优化算法(HSM-based EGO)

4．2．1 RBF神经网络基本原理

4．2．2 基于RBF神经网络的密度方程

4．2．3 HSM-based EGO算法基本流程

4．3 HSM-based EG0算法有效性验证

4．4 本章小结

第5章 反射面型脉冲辐射天线的时域快速设计方法研究

5．1 馈源轴向辐射脉冲峰值时刻瞬态方向图的计算方法

5．2 最佳馈源近似辐射中心的选取方法

5．3 前馈式反射面型脉冲辐射天线的快速设计

5．3．1 前馈式反射面型脉冲辐射天线系统结构

5．3．2 阻抗渐变式变形TEM喇叭天线馈源

5．3．3 瞬态边缘照射锥削选取对天线辐射性能的影响

5．3．4 本文方法和优化算法设计结果的对比

5．4 卡塞格伦型脉冲辐射天线的快速设计

5．4．1 卡塞格伦型脉冲辐射天线系统结构

5．4．2 圆弧式变形TEM喇叭天线馈源

5．4．3 瞬态边缘照射锥削选取对天线辐射性能的影响

5．4．4 本文方法和优化算法设计结果的对比

5．5 单偏置反射面型脉冲辐射天线的快速设计

5．5．1 单偏置旋转抛物面脉冲辐射天线系统结构

5．5．2 四元同轴指数渐变型TEM喇叭阵列馈源

5．5．3 瞬态边缘照射锥削选取对天线辐射性能的影响

5．5．4 本文方法的有效性分析

5．6 本章小结

第6章 准格里高利型脉冲辐射天线的设计

6．1 准格里高利型脉冲辐射天线的基本原理

6．2 椭球馈源的设计

6．3 准格里高利型脉冲辐射天线的性能分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间完成的学术论文

攻读博士学位期间承担的科研项目