基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法，其特征是，至少包括如下步驟：步驟101：種群初始化；步驟102：生長繁殖；步驟103：空間擴散；步驟104：競爭排斥；步驟105：判斷種子數(shù)是否達到最大種群數(shù)；步驟106：根據(jù)競爭性生存法則選取Qsize個適應(yīng)值最好的解；步驟107：判斷當前迭代次數(shù)是否達到最大迭代次數(shù)，若是沒有，即iter<itermax，就繼續(xù)進行步驟102，否則進行步驟108；步驟108：退出算法執(zhí)行過程并輸出最優(yōu)解。本發(fā)明的方法以適應(yīng)度為基準繁殖機制、采用子父代競爭排斥機制的共形天線陣方向圖綜合算法，該種算法具備全局性和有效性，可防止陷入局部最優(yōu)解、最大限度保留有用信息。
【專利說明】基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陣列天線領(lǐng)域，涉及一種仿生算法，特別是基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著雷達系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，陣列天線作為其電磁波收發(fā)裝置的核心備受人們關(guān)注，如何通過對天線單元幅相激勵的綜合來實現(xiàn)所需天線陣列方向圖一直是研究的熱點問題。由于天線系統(tǒng)應(yīng)用需求及環(huán)境的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的天線綜合技術(shù)往往顯得乏力，因此采用基于仿生技術(shù)的各類優(yōu)化算法的方向圖綜合技術(shù)得到了極大的發(fā)展。仿生算法對于多參數(shù)、不可微、甚至不連續(xù)的目標函數(shù)的優(yōu)化具有獨特的優(yōu)勢。蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法以及差分進化算法等一系列優(yōu)化算法由于其獨特的特性在方向圖綜合技術(shù)中應(yīng)用極為廣泛。蟻群算法和粒子群算法編碼簡單，結(jié)構(gòu)簡潔，收斂速度較快。但是，它們相對也較容易出現(xiàn)停滯現(xiàn)象和陷入局部優(yōu)解。而遺傳算法搜索全局最優(yōu)解的能力更強，并且采用并行操作，可以有效的防止搜索過程收斂于局部最優(yōu)，但是它的缺點是速度較慢，消耗的時間較長。
[0003]近年來，在進化計算領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型的數(shù)值優(yōu)化計算方法，稱為野草或雜草(Invasive Weed Optimization, IW0)算法，是伊朗德黑蘭大學(xué)的 A.R.Mehrabian 以及C.Lucas為解決數(shù)值優(yōu)化問題在2006于Ecological Informatics雜志上發(fā)表論文《Anovelnumerical optimization algorithm inspired from weed colonization》中首次提出。IWO算法自提出以來，以其卓越的性能得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注與運用。IWO是一種受野草啟發(fā)而提出的、基于種群的數(shù)值優(yōu)化計算方法，其執(zhí)行過程是模擬野草的殖民化過程。作為一種全新的優(yōu)化計算方法，IWO算法具有易于理解、易于編程實現(xiàn)的特點。適用于求解一些利用常規(guī)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法所無法求解的復(fù)雜環(huán)境中的優(yōu)化問題。
[0004]雜草入侵的過程是:適應(yīng)環(huán)境、乘機居留、占據(jù)地盤、結(jié)籽繁殖、扶養(yǎng)種群、隨機應(yīng)變、逐漸密集、適者生存、競爭消亡，適應(yīng)性好的個體獲得更多的生存機會。
[0005]野草的占據(jù)領(lǐng)地和殖民化行為是按照如下方式進行的:(1)人類在種植莊稼的過程中會在一些易受到野草侵襲的田地上遺留下一些未使用的資源，這給野草創(chuàng)造了生存的空間；(2)野草通過擴散的方式侵入這些空間，隨后通過殖民化過程來逐漸侵占田地；(3)野草的生物多樣性使得野草進化出許多不同的變種植物，這些植物具有掌控和探索這些生存空間的良好適應(yīng)性，隨著時間的推移，它們通過適者生存原則進行局部適應(yīng)和種群改進；
(4)隨著農(nóng)耕季節(jié)的進行，野草的這種特性在野草生命的最佳時期被廣泛傳播，它們借此在植物社區(qū)中使它們的適應(yīng)性達到最大化。
[0006]隨著IWO算法的發(fā)展，逐漸吸引越來越多的學(xué)者對IWO算法進行研究并不斷改進，而且大量的將其應(yīng)用于解決實際問題。IWO算法具有柔性的框架，其中的各種機制都可用多種算法予以實現(xiàn)。目前IWO算法已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，譬如標準多維數(shù)值優(yōu)化函數(shù)集和魯棒控制器優(yōu)化與調(diào)節(jié)問題、圖像聚類問題、約束工程設(shè)計問題、多輸入多輸出(ΜΙΜΟ)系統(tǒng)天線陣列設(shè)計問題、DNA編碼順序計算問題、壓電激勵器的優(yōu)化放置問題、推薦系統(tǒng)問題、分布數(shù)據(jù)合并過程進展預(yù)測問題以及電力市場動蕩性研究問題。由于IWO算法具有運算步驟簡單和善于解決多變量問題等優(yōu)點，所以適合應(yīng)用于各種天線陣方向圖綜合問題。
[0007]由于共形天線與載體融合的特點使機載天線系統(tǒng)得到極大的改善，所以近年來有關(guān)共形天線陣列技術(shù)研究成為了學(xué)者們關(guān)注的熱點問題。但與此同時也給陣列設(shè)計和方向圖綜合帶來了巨大的挑戰(zhàn)。由于共形陣列載體通常為非平面結(jié)構(gòu)，陣元輻射方向性差異較大，使得共形陣對輻射單元的幅度、相位設(shè)計更為復(fù)雜；而且，相對于平面陣和簡單共形陣，復(fù)雜共形陣所面臨的副瓣電平較高問題就尤為突出，因此低副瓣技術(shù)的研究成為共形天線陣列設(shè)計的核心問題。
[0008]球面及部分球面也是常用的共形天線載體，可以用于擬合飛行器、衛(wèi)星等等系統(tǒng)的部分表面，因而研究其共形陣陣面綜合技術(shù)對共形天線陣的推廣及實用化非常關(guān)鍵。在實際應(yīng)用中，由于天線陣的交叉極化問題會在一定程度上降低接收機系統(tǒng)的性能并引起干擾，所以對天線陣的低交叉極化綜合一直是學(xué)者們研究的熱點問題。對于共形天線陣，由于天線單元共形在二次曲面上，所以每個天線單元的指向都不相同，尤其是對于圓極化天線單元，天線的不同指向會引起天線陣的交叉極化惡化。在這種情況下，需要對主極化和交叉極化進行同時綜合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目 的是提供一種基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法，即以適應(yīng)度為基準繁殖機制、采用子父代競爭排斥機制的共形天線陣方向圖綜合算法，該種算法具備全局性和有效性，可防止陷入局部最優(yōu)解、最大限度保留有用信息。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法，其特征是，至少包括如下步驟:
[0011]步驟101:種群初始化，根據(jù)編碼方式，隨機產(chǎn)生初始種群，初始種群中的雜草個數(shù)N可根據(jù)實際問題的規(guī)模和復(fù)雜度進行確定，即N個雜草以隨機方式在d維空間擴散分布，設(shè)置試驗參數(shù)，計算適應(yīng)度函數(shù)值；
[0012]步驟102:生長繁殖，即生長繁殖是根據(jù)每個個體自身的適應(yīng)性，即適應(yīng)度函數(shù)值，計算每個個體能產(chǎn)生種子的個數(shù)；
[0013]步驟103:空間擴散，即IWO算法種群產(chǎn)生的種子被隨機播撒在d維空間中，產(chǎn)生種子的方式是通過將某個解加上某個數(shù)值D，而該數(shù)值的變化標準差σ在每一代的取值范圍限定為最初的區(qū)間步長Oinitial與最終的區(qū)間步長Qfinal之間，則它們之間的關(guān)系為
[0014]
【權(quán)利要求】
1.基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法，其特征是，至少包括如下步驟:步驟101:種群初始化，根據(jù)編碼方式，隨機產(chǎn)生初始種群，初始種群中的雜草個數(shù)N可根據(jù)實際問題的規(guī)模和復(fù)雜度進行確定，即N個雜草以隨機方式在d維空間擴散分布，設(shè)置試驗參數(shù)，計算適應(yīng)度函數(shù)值；步驟102:生長繁殖，即生長繁殖是根據(jù)每個個體自身的適應(yīng)性，即適應(yīng)度函數(shù)值，計算每個個體能產(chǎn)生種子的個數(shù)；步驟103:空間擴散，即IWO算法種群產(chǎn)生的種子被隨機播撒在d維空間中，產(chǎn)生種子的方式是通過將某個解加上某個數(shù)值D，而該數(shù)值的變化標準差σ在每一代的取值范圍限定為最初的區(qū)間步長Oinitial與最終的區(qū)間步長Qfinal之間，則它們之間的關(guān)系為 - /rerY
2.依據(jù)權(quán)利要求書I所述基于雜草算法的共形天線陣方向圖綜合方法，其特征是:所述步驟102，生長繁殖中，各雜草所產(chǎn)生的種子個數(shù)為計算公式為:
【文檔編號】G06N3/00GK103606005SQ201310439721
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】李蕊, 徐樂, 任學(xué)施, 崔艷鵬, 陳曦, 尹應(yīng)增 申請人:西安電子科技大學(xué)