一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法

本申请涉及微波光学领域，具体涉及一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法。

背景技术：

1、毫米波成像技术是一种利用毫米波频段进行成像的技术，具有较高的穿透能力，可在低能见度大气条件对目标成像。常见的毫米波成像技术包括合成孔径雷达（syntheticaperture radar，sar）成像、逆合成孔径雷达（inverse synthetic aperture radar，isar）成像以及综合孔径辐射计成像等。微波光学成像技术相较于传统毫米波成像技术具有显著优势，基于微波阵列孔径和三维信息处理融合构建的微波光学成像技术可实现实时前视二维成像，具有高灵敏度、低成本、低计算资源开销和低功耗的特点。基于微波阵列孔径和三维信息处理融合构建的微波光学孔径变换成像系统如图1所示。系统采用阵列微波天线对微波波前进行空间采样，经过电光转换阵列转换到光域，除了载频上转换至光域外，其他微波波前的相位，振幅等信息均保持不变，并通过光学阵列天线完成微波天线的复刻，这一过程称为孔径变换。各个通道信号光经过光学阵列天线出射后，在光域通过光学透镜实现在焦平面的成像。

2、在上述微波光学孔径变换成像系统中，阵列天线包括微波天线和光学天线，二者空间拓扑结构按缩比因子进行等比复刻，即二者阵列孔径及阵元间距之间满足一定的缩放关系。当针对特定要求完成光学天线的阵元布局以及阵列孔径的参数设计后，即可根据缩比因子得到微波天线的相关参数，实现光波波阵面到微波波阵面的等比缩放重建。阵列天线的设计非常重要，其设计参数包括光学天线和微波天线的拓扑结构、光学阵列天线出射光束的束腰半径等参数。这些参数决定了成像系统的微波视场等核心参数。目前，在微波光学孔径变换成像系统中，天线参数的设计方法还不完善。本发明拟提出一种应用于微波光学孔径变换成像系统的天线参数设计方法。通过该方法，可以对不同的天线孔径和阵元数要求进行针对性优化设计，提供相应的天线设计参数，进而获得优异的系统点扩散函数，包括主瓣锐、旁瓣低且主瓣周围视场干净等要求，使得在所需的视场内高质量成像。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供可提升成像质量的微波光学孔径变换成像系统的结构参数设计方法。

2、为此本申请提出了一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其包括以下步骤：对微波光学孔径变换成像系统进行仿真建模；构建对所述微波光学孔径变换成像系统模型中的光学天线成像质量的目标优化问题的数学模型；用优化算法优化所述的数学模型；所述优化算法包括：

3、用第一取值的光学天线的孔径d、高斯光束的束腰半径、以及规则圆环阵的阵元位置排布，共同构建一个一维数组作为第一个体，用不同于第一取值的第二取值、第三取值等构建其他数组，即，其它个体，所述多个各体组成初始种群；

4、基于所述初始种群进行迭代创建优化选项；对设置的种群进行一次测量，得到更新后的点扩散函数；判断此时是否到达预设迭代次数；若达到预设迭代次数则输出算法优化后的高斯光束的束腰半径、光学天线的孔径、阵元位置排布，以及上述参数下对应的点源的点扩散函数的三维能量分布图；否则在得到的评估结果中选择满足设定收敛要求的个体作为第二代种群的父代个体；在第二代父代个体中选取优劣评估中水平较高的个体有进行交叉操作，生成子代个体，对部分所述子代个体进行交叉变异操作，引入随机扰动，生成的个体构建第二代种群；重复执行上述判断步骤对峰值旁瓣比的最大值和旁瓣外推角度的最小值进行优化，直至达到迭代次数停止迭代优化；以及输出算法优化后的高斯光束的束腰半径、光学天线的孔径、阵元位置排布，以及上述参数下对应的点源的点扩散函数的三维能量分布图。

5、本申请的实施例提出的方法在固定的微波天线孔径和波长下，通过改变微波光学孔径变换成像系统中其他的参数来实现成像质量的提升。通过对微波光学孔径变换成像系统点扩散函数模型的公式推导，明确了可以优化其质量并实际可选择的几个因素，分别是光纤阵列出射高斯光束束腰半径、光学天线的孔径及阵元间相对位置关系，其中波束是由各个阵元的相干合成而来，通过调整阵元间的相位关系，实现对任意方向的细波束进行合成，若阵元规则排布且阵元间隔大于半个微波波长，则在大量的冗余基线的共同衍射下会形成高旁瓣，乃至于完全规则排布下，形成栅瓣。

6、本申请的实施例提出的方法面向微波光学系统对高斯光束的束腰半径、光学天线的孔径及阵元间相对位置目标进行目标优化，可以在固定的入射微波波前和微波天线尺寸下，即系统分辨率不变的情况下，降低旁瓣并外推来提高成像质量。这样一方面，为微波光子雷达领域解决同类成像质量优化问题给出了启发，另一方面获得了具有实用价值的微波光学孔径变换成像系统的结构参数设计方案，可指导微波光学孔径变换成像系统的设计。

技术特征：

1.一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，在所述步骤s34中，若达到预设迭代次数则执行步骤s38：输出优化后的高斯光束的束腰半径、光学天线的孔径、阵元位置排布，以及上述参数下对应的点源的点扩散函数的三维能量分布图。

3.根据权利要求1所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，所述评估包括：

4.根据权利要求1所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，以点扩散函数仿真模型作为目标函数优劣评估工具。

5.根据权利要求1所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，保持微波天线阵列的孔径（d）不变，对光学天线阵列的孔径（d）进行调整，以改变系统的缩比因子，进而调整微波光学孔径变换成像系统的拓扑结构以优化成像质量。

6.根据权利要求1所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，所述构建对所述微波光学孔径变换成像系统模型中的光学天线成像质量的目标优化问题的数学模型的步骤s2包括，

7.根据权利要求6所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，以所述峰值旁瓣比的值或旁瓣外推角度值（）为目标进行微波光学孔径变换成像系统的硬件参数的单目标优化。

8.根据权利要求6所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，使用加权法来将所述峰值旁瓣比的值或旁瓣外推角度值（）两个目标函数结合成归一化目标函数。

9.根据权利要求6所述的一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及微波光学领域，其公开了一种微波光学孔径变换成像系统的天线参数优化设计方法。本发明面向微波光学孔径变换成像系统对高斯光束束腰半径、光学天线的孔径及阵元间相对位置进行目标优化，可以在固定的入射微波波前和微波天线尺寸下，即系统分辨率不变的情况下，通过有效降低旁瓣并外推来提高成像质量。本发明可指导微波光学孔径变换成像系统的设计。

技术研发人员：赵士元,叶栋,赵明山,谷一英,李晓洲
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2