扩展酉矩阵束算法实现稀疏可重构天线阵的优化设计

针对方向图可重构天线阵列的稀疏布阵问题,提出一种基于扩展酉矩阵束算法的优化设计算法。首先建立以阵元位置和多组激励为变量的多方向图联合稀疏优化模型,并利用期望方向图采样数据构建Hankel块矩阵。然后通过centro-Hermitian化处理和酉变换将采样矩阵从复数域转换到实数域,舍弃实矩阵中较小的奇异值对可重构线阵进行稀疏。最后通过对等价矩阵束的广义特征值分解估计稀布阵元位置,进而得到每个方向图对应的激励。仿真验证了该方法能够以阵元非均匀稀疏分布的阵列形式有效实现多个方向图的精确重构。     

改进的多目标粒子群算法综合激励受限的共形阵

针对激励限制下的共形阵功率方向图综合问题,提出一种改进的多目标粒子群优化(IMOPSO)算法.将共形阵列在激励限制条件下的综合命题,转化为激励优化和功率方向图赋形的多目标优化命题.IMOPSO算法通过引入多子群寻优、粒子聚焦距离优选、非支配解集修剪以及新生粒子微扰复制等机制,显著提高了传统多目标粒子群优化(MOPSO)算法所构建Pareto解集的优越性和散布性.IMOPSO算法成功用于12元微带柱面共形阵非赤道面的方向图综合,获得了不同约束条件下最优余割平方波束方向图综合结果集合,综合过程考虑了各阵元的互耦作用,为规划共形相控阵的激励限制提供了极有价值的参考.     

对称平面稀疏阵列阵形优化方法研究

针对在固定阵元数目、最小阵元间距以及最大孔径条件下平面稀疏阵列阵形优化的问题,对阵元数目为256的平面稀疏阵列分别采用模拟退火算法和粒子群优化算法进行优化仿真,分析比较了模拟退火算法和粒子群算法在平面稀疏阵列阵形优化中的应用效果。仿真结果表明,经过模拟退火算法和粒子群优化算法优化后的平面稀疏阵列均能够抑制副瓣电平,并能够在一定的空域范围内实现波束扫描;相对于粒子群优化算法,模拟退化算法计算方法简单;在相同的迭代次数下,经模拟退火算法优化后的平面稀疏阵列比经粒子群算法优化后的平面稀疏阵列更能够有效地抑制副瓣。     

基于稀疏随机阵列配置的CS-MIMO雷达感知矩阵构造

压缩感知(CS)理论中的感知矩阵在观测数据获取和信号重建过程中起关键性作用。目前,大部分研究通过引入高斯随机矩阵作为测量矩阵实现压缩观测,这类测量矩阵对硬件要求很高,工程实现困难。提出了一种基于稀疏随机阵列配置的压缩感知-多输入多输出(CS-MIMO)雷达中的感知矩阵构造方法,当MIMO雷达阵元配置为满足某种概率分布的稀疏随机阵列时,发射与接收导引矢量的Kronecker积能够起到压缩测量的作用。从理论上分析了所构造的感知矩阵的归一化互相关系数、Gram矩阵以及阵列方向图之间的内在联系,并证明了当随机阵元位置满足均匀分布时所构造的感知矩阵满足压缩感知重构条件。在这种稀疏随机阵列配置方式下,既可以避免额外引入随机测量矩阵,又能减少所需的阵元个数,从而大大降低CS-MIMO雷达系统复杂度。仿真实验表明,该方法具有较低的感知矩阵归一化互相关系数,与满阵CS-MIMO雷达相比能够在减少阵元个数的同时获得良好的重构性能,且使重构所需运算量大大降低。     

基于阵元激励幅度分档的赋形波束方向图综合

提出了一种新型的基于幅度分档的赋形波束方向图综合算法。该算法共分为3步。首先,使用传统方向图综合方法如交替投影得到波束的无幅值限制的阵元激励;然后,使用概率密度理论对得到的阵元激励幅度进行处理得到量化的阵元激励幅度,最后,通过量化阵元激励幅度,使用半正定松弛（SDR）方法得到阵元激励的相位分布。上述步骤中,如何使用概率密度理论得到量化的阵元激励幅度是3步中较为重要的一步。将阵元激励幅度用概率密度变量进行替代,通过事先设定的阵元激励幅度档位个数,以及每个阵元激励幅度落在相应档位时取值的概率,可以得到含有概率密度变量的综合方向图表达式。最小化含有概率密度变量的综合方向图与理想方向图的功率之差即可得到量化的阵元激励幅度。使用概率密度理论得到量化阵元激励幅度的优势在于,可以根据任意形状的阵面和阵元栅格排布来划分幅度的档位区间,从而有着更广泛的适用性。在例证部分,通过多组算例的仿真,以及与一些对算法性能的分析,所提算法验证了其在综合效果上的优越性。     

平滑重构稀疏贝叶斯学习测向算法

针对二级嵌套阵列中的紧凑阵元结构易受互耦效应影响的问题,提出了两种不同的嵌套阵列结构改进方法：连续平移嵌套阵列和间隔平移嵌套阵列。通过对原有二级嵌套阵列阵元位置进行调整,形成了两种不同的平移嵌套阵列结构,这两种结构对应的差分共阵均"无孔",并且测向自由度和阵列稀疏度均大于原二级嵌套阵列。针对嵌套阵列的差分共阵测向模型为单测量矢量模型,稀疏贝叶斯学习测向算法复杂度高的问题,提出了平滑重构稀疏贝叶斯学习算法。该算法通过空间平滑重构将单测量矢量模型变为多测量矢量模型,降低了观测矩阵的维度,减小了计算复杂度。算法求解时,通过对变换后的观测矩阵进行奇异值分解,进一步降低了观测矩阵维度,利用稀疏贝叶斯学习算法估计辐射源角度。仿真表明,在信噪比和采样数相同的条件下,该算法收敛速度比单测量矢量稀疏贝叶斯学习（SMV-SBL）算法快,且测向精度高于SMV-SBL算法和空间平滑多重信号分类（MUSIC）算法;存在互耦影响时,两种平移嵌套阵列比原嵌套阵列受互耦影响小。     

基于协方差矩阵高阶幂的二维DOA估计新算法

 针对稀疏分解方法进行均匀圆阵(UCA)的二维波达方向(DOA)估计运算复杂度大的问题,提出了一种基于协方差矩阵高阶幂稀疏分解的二维DOA估计新算法。该算法首先利用协方差矩阵高阶幂无需进行特征值分解和信源数估计的特性,构建了协方差矩阵高阶幂的稀疏分解向量;然后运用粒度分层思想,构造了粗区域估计和细方位估计的分层多粒度的快速分解模型,分层字典的长度大大减少,在保持估计精度的前提下,算法运算时间远小于现有的恒定冗余字典的稀疏分解方法,从而解决了基于稀疏分解的圆阵二维DOA估计问题。论文提出的算法与二维MUSIC算法相比,估计精度高,且能满足对相干信号的估计。仿真结果验证了算法的有效性和可行性。     

非均匀噪声稀疏均匀圆阵的二维DOA估计

针对在机载雷达、通信等领域有着广泛应用的均匀圆阵(UCA),研究了非均匀噪声下稀疏均匀圆阵的二维波达方向(DOA)估计.首先采用改进的相位模式方法构造非均匀噪卢稀疏均匀圆阵的波柬空间似然函数;之后,在分析非均匀噪声稀疏均匀圆阵的波束空间似然函数特点的基础上,修改了Burg的逆迭代算法以适应稀疏均匀圆阵下非均匀噪声自相关...     

基于矩阵填充的二维自适应波束形成算法

针对基于矩阵填充的二维自适应波束形成问题,提出一种基于奇异值门限(SVT)的特征分解线性约束最小方差(SVT-ELCMV)算法。首先建立二维自适应波束形成矩阵填充模型,其次验证接收信号矩阵满足零空间性质(NSP),并分析最小可恢复阵元数,最后以SVT算法将稀疏阵列信号恢复为完整信号,并通过修正的特征分解线性约束最小方差(LCMV)形成有效波束。算法解决了稀疏阵列平均副瓣大幅度上升的缺陷,且在平面阵列部分阵元无法正常工作时依然有效。计算机仿真表明:SVT-ELCMV算法可使稀疏阵列具有与完整阵列相同的二维波束形成能力,并可有效抑制干扰信号,验证了算法的有效性和优越性。     

分形阵列补集阵的研究

介绍分形Cantor集线阵和Sierpinski集平面阵的基本阵列结构和方向图特性，针对它们方向图高副辫的缺点提出了一种新的阵列结构——分形阵补集阵，这种稀疏阵列的方向图具有更低的副瓣。通过对多种不同分形阵的补集阵的研究，验证了分形补集阵具有更优秀的方向图特性。分形补集阵的提出为低副瓣稀疏阵的设计提供一种新的方法。     

基于单学科可行法的多学科可靠性设计优化

 近年来对多学科系统中不确定性的研究逐渐增多。针对该问题的计算复杂性,利用序列优化及可靠性评估（SORA）框架,提出用单学科可行（IDF）方法来求解多学科可靠性设计优化（RBMDO）问题。此方法将可靠性分析和多学科设计优化分离开来,分为确定性多学科设计优化和可靠性分析两个问题顺序执行,以提高计算效率。可靠性分析和优化的过程都采用多学科设计优化中高效的方法——IDF方法。最后通过例子验证此方法的有效性,算例结果表明,采用基于IDF的方法,学科1和学科2所用的函数计算次数分别减少了28.9%和25.0%。     

Air route network optimization in fragmented airspace based on cellular automata

Air route network optimization,one of the essential parts of the airspace planning,is an effective way to optimize airspace resources,increase airspace capacity,and alleviate air traffic con gestion.However,little has been done on the optimization of air route network in the fragmented airspace caused by prohibited,restricted,and dangerous areas (PRDs).In this paper,an air route network optimization model is developed with the total operational cost as the objective function while airspace restriction,air route network capacity,and non-straight-line factors (NSLF) are taken as major constraints.A square grid cellular space,Moore neighbors,a fixed boundary,together with a set of rules for solving the route network optimization model are designed based on cellular automata.The empirical traffic of airports with the largest traffic volume in each of the 9 flight information regions in mainland China is collected as the origin-destination (OD) air port pair demands.Based on traffic patterns,the model generates 35 air routes which successfully avoids 144 PRDs.Compared with the current air route network structure,the number of nodes decreases by 41.67％,while the total length of flight segments and air routes drop by 32.03％ and 5.82％ respectively.The NSLF decreases by 5.82％ with changes in the total length of the air route network.More importantly,the total operational cost of the whole network decreases by 6.22％.The computational results show the potential benefits of the model and the advantage of the algorithm.Optimization of air route network can significantly reduce operational cost while ensuring operation safety.     

Performance evaluation of digital beamforming strategies for satellite communications

Smart antennas are becoming one of the promising technologies to meet the rapidly increasing demands for more capacity of satellite communication systems. A main component in a smart antenna system is beamforming. Because of the limitations of analog beamforming, digital beamforming will be employed in future satellite communication systems. We evaluate the performance of various digital beamforming strategies proposed in the literature for satellite communications: 1) single fixed beam/single user, 2) single fixed beam/multiple users, 3) single adaptive beam/single user, and 4) single Chebyshev dynamic beam/multiple users. Multiple criteria including coverage, system capacity, signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), and computation complexity are used to evaluate these satellite communication beamforming strategies. In particular, a Ka-band satellite communication system is used to address the various issues of these beamforming strategies. For the adaptive beamforming approach, subarray structure is used to obtain the weights of a large 2D antenna array, and a globally convergent recurrent neural network (RNN) is proposed to realize the adaptive beamforming algorithm in parallel. The new subarray-based neural beamforming algorithm can reduce the computation complexity greatly, and is more effective than the conventional least mean square (LMS) beamforming approach. It is shown that the single adaptive beam/single user approach has the highest system capacity.     

相关色噪声下无冗余累积量稀疏表示DOA估计

针对传统均匀线阵中四阶累积量计算复杂度大、对快拍数敏感的问题,提出了一种快速去冗余的高分辨波达方向估计新方法。该方法首先通过构造选择矩阵对四阶累积量矩阵进行第1次降维处理,摒弃传统四阶累积量中大量冗余数据,然后对无冗余累积量矩阵进行矢量化并通过二次降维得到统计性能更优的向量观测模型,最后在相应的过完备基下建立观测模型的稀疏表示进行波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计。同时将方法推广到L型阵列2维DOA估计,扩展了其应用范围。与传统的四阶累积量方法相比,该方法大大地减小了计算量,对快拍数要求不高,并且能够有效地抑制相关色噪声。理论分析和仿真实验验证了该方法对1维和2维DOA估计都具有较高的估计精度和分辨率。     

基于分层置信规则库的惯导系统性能评估方法

为解决惯导系统（INS）性能评估所面临的高价值样本缺失、评估指标多、系统复杂等问题,提出一种基于分层置信规则库（Hierarchical BRB）的惯导系统性能评估方法。将专家知识与监测数据进行有效融合,提高了惯导系统的性能评估精度。首先,针对惯导系统结构构建分层BRB模型,同时将系统内部器件产生组合误差考虑在模型中。其次,为降低专家知识不确定性对初始模型评估精度的影响,采用基于投影算子的协方差矩阵自适应优化策略（P-CMA-ES）构建优化模型,通过监测数据对模型参数进行微调。最后,以某型捷联惯导系统的性能评估为例,验证了所提方法的有效性。     

直升机机身气动外形的低阻优化设计

直升机机身阻力是飞行阻力的主要来源之一,通过对机身外形的优化设计,能够实现直升机的高效低阻飞行.首先,把机身划分为头部、中段和尾梁三段,对其外形轮廓线进行CST参数化表示;其次,采用拉丁超立方法选取试验设计样本点,计算各样本点的阻力系数,构造Kriging代理模型,估计模型预测的精度;最后,选用序列二次规划算法对其进行优化,并对优化后的机身模型进行了风洞试验.通过计算分析可知:所建立的Kriing代理模型能够精确预测阻力系数值,优化后得到了机身的设计参数;机身阻力系数减小了15.3％,理论值与试验值吻合良好.     

考虑间隙和拧紧力矩的复合材料钉载分配均匀化方法

一种通过调整钉-孔间隙和拧紧力矩改善复合材料多钉连接钉载分配不均匀性的方法被提出。首先，基于改进的钉载分配测量方法测量各钉承载比例，采用SPSS软件得到各钉载比例的多元线性回归函数，并以钉-孔间隙和拧紧力矩为设计变量，建立多钉连接钉载分配的线性优化模型。然后，采用单纯形算法对优化模型进行求解，得到优化解。最后，以三钉单剪连接为例，对比计算和试验测量结果。结果表明：求解结果与试验测量结果吻合度较高；优化后，最高钉载比例从36.06%降低到33.45%；三钉单剪连接结构承载能力提高约10.8%，且改善结构失效形式为钉-孔挤压失效。