水利工程用探地雷达阵列天线优化方法研究

摘要

作为重要的水利工程，水库大坝在国家的经济发展和生产安全中有举足轻重的地位。由于历史问题，一些水库大坝施工质量不高，加上长时间的使用，大多存在渗水、漏水的问题，不仅造成了水资源的浪费，而且对人民的生命财产以及国家的生产安全带来了极大的威胁。为了避免这些事情的发生，就要做好日常的检测，其中探地雷达是比较方便的一种无损检测方法，相比于其他方法，探地雷达具有操作便捷、对检测区域无伤害、检测效果明显等优点。为了得到好的检测结果，就要求探地雷达有合理的天线设计，本文主要针对探地雷达阵列天线的优化方法展开了研究。
　　首先，介绍了探地雷达电磁波的传播特点，从麦克斯韦方程入手，结合本构关系，以及传播介质的电性和磁性，分析了电磁波在传播过程中的损耗以及反射折射的规律。
　　其次，对探地雷达进行了机理分析，介绍了天线中心频率、时窗、采样率、测量点距等参数的选择对探地雷达分辨率和深度的影响。在此基础上，根据Yee网格离散化的原则，利用MATLAB建立二维坝基渗漏模型并进行正演模拟，模拟结果表明，对于深度为5～6米的目标，100MHz的探测结果在成像效果和分辨率上比较优秀。
　　然后，介绍了基本蚁狮优化算法(ALO)并提出了改进的混沌蚁狮优化算法(CALO)。在蚁狮优化算法的初始化方面，通过对比不同的概率密度分布函数，选定威布尔分布，提升了算法的收敛速度。由于混沌搜索有助于自适应参数提升陷阱坑收缩的速度，在威布尔分布的基础上，引入了混沌自适应因子，提出了混沌蚁狮优化算法，极大程度避免算法陷入局部最优，从而找到最优解，提升收敛精度。
　　最后，将提出的CALO算法应用到天线阵列的优化中，对于不同拓扑结构的线性阵列天线(LAA)和圆形阵列天线(CAA)，选定不同的条件参数，例如第一零点波束宽度(FNBW)的选择和零点的叠加等等。对具有不同元素数量的LAA和CAA优化其激励振幅和元素间距，从优化结果可以看出，采用CALO算法同其他元启发式算法的优化结果应用于天线阵列的结果进行对比。可以看出，CALO算法有明显的优势，天线阵列副瓣峰值(SLL)降低远低于其他优化算法，最大程度抑制了SLL。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．3 本文研究内容安排

第2章 介质中电磁波的传播

2．1 引言

2．2 电磁分析

2．2．1 麦克斯韦方程

2．2．2 本构关系

2．2．3 波动性

2．2．4 电导率

2．2．5 低损耗与高损耗介质

2．2．6 相对介电常数

2．2．7 反射系数

2．2．8 衰减度

2．3 探地雷达电磁波在多层介质中的传播

2．4 本章小结

第3章 水库坝基渗漏的探地雷达正演模拟

3．1 引言

3．2 探地雷达机理分析

3．3 探地雷达参数选择

3．3．1 天线中心频率的选择

3．2．2 时窗选择

3．2．3 采样率选择

3．2．4 测量点距选择

3．2．5 天线参数选择

3．4 水库坝基渗漏的正演模拟

3．4．1 二维空间的有限时域差分方程法

3．4．2 三维空间的有限时域差分方程法

3．4．3 水库坝基正演模拟

第4章 蚁狮优化算法及其改进

4．1 引言

4．2 基本蚁狮优化算法及建模

4．2．1 ALO算法建模

4．2．2 随机游走的蚂蚁

4．2．3 蚁狮狩猎

4．2．4 建造陷阱

4．2．5 向蚁狮滑动的蚂蚁

4．2．6 捕捉猎物和重建陷阱

4．2．7 精英选取

4．3 改进ALO算法的分布函数

4．3．1 不同的分布函数

4．3．3 测试函数验证

4．4 位置更新的自适应权重因子分配

4．5 混沌自适应因子

4．5．1 混沌映射

4．5．2 引入混沌因子

4．6．1 混沌蚁狮优化算法

4．6．2 测试函数验证

4．7 元启发式算法对比

4．8 本章小结

第5章 混沌蚁狮优化算法优化天线阵列

5．1 引言

5．2 优化线性天线阵列的激励振幅

5．2．1 10个元素

5．2．2 16个元素

5．2．3 24个元素

5．3 优化的线性阵列天线的元素间距

5．3．2 恒定的FNBW10元素阵列

5．3．3 变化的FNBW28元素阵列

5．3．4 恒定的FNBW28元素阵列

5．3．5 28个元素且具有多个零点

5．3．6 32个元素有单个零点的

5．4 圆形天线阵列(CAA)

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢