浅析基于遗传算法的智能天线波束形成Abstract:Inordertoreducetheside-lobelevelanddeepthenullofsmartantennapatterns,animprovedreal-codedgeneticalgorithmisproposed.Thealgorithmimprovesthecrossoveroperatorofstandardgeneticalgorithmbasedonhumanreproductionphenomenon(HRGA).So,theslowconvergenceandlocaloptimumofstandardgeneticalgorithmareresolvedandtheconvergencespeedisenhanced.Takinganexampleofuniformlineararrayinsimulationexperiment,amplitudeoftheelementexcitedcurrentisoptimizedthroughimprovedGA,thepatternisbetter.Keywords:smartantenna;beam-forming;pattern;geneticalgorithm;humanreproductionphenomenon0引言智能天线波束形成是通过优化阵元的电流幅度或相位或阵元间距,使天线主波束对准期望信号,旁瓣和零陷对准干扰信号,从而接收有用信号,抑制干扰信号。由于天线优化问题中的目标函数或约束条件呈多参数、非线性、不可微甚至不连续,因而基于梯度寻优技术的传统数值优化方法无法有效求得工程上满意的结果。而遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法,是一种高效、并行、全局搜索的方法,能自适应地控制搜索过程以求得最优解[1]。但是在智能天线应用领域中,标准遗传算法存在早熟,后期收敛速度慢、计算复杂等问题,于是提出了一些改进的遗传算法。文献[2]提出了一种基于排序的实数编码遗传算法,并应用于唯幅度控制等间距天线阵方向图综合。文献[3]提出交替使用两种遗传繁殖操作产生后代群体,以摆脱收敛对初始群体选择的依赖,应用于超低副瓣线阵天线的方向图综合;文献[4]采用复数编码,并用三个父代染色体线性交叉产生子代个体,将适应度高的个体选择到下一代。针对在标准遗传算法中,由于近亲繁殖,导致很多交叉操作无效的问题,对遗传算法的交叉算子进行了改进,并对阵元激励的幅度进行了优化。实验结果表明,提出的改进方法是有效的。1基于遗传算法的波束形成1.1遗传算法基本步骤遗传算法的设计过程中包含了参数编码方式的选用、初始群体的建立、适应度函数的构造、遗传操作的设计、控制参数的设定。算法的收敛性取决于这五个方面的设计及数值精度和收敛速度的一些折衷。(1)编码采用实数编码,直接将阵元的激励电流幅值依次排列构成一个染色体,如:I=[I1,I2,⋯,IN],N为阵元数目。(2)选择采用最佳保留选择,即首先通过轮盘赌方式选择染色体,然后选择当前种群中最高适应度值的染色体,作为父代染色体,直接保留到下一代,保证算法终止时最后结果为出现适应度最高的个体。(3)交叉采用线性交叉产生新个体,设两个父代个体分别为P1,P2:C1=(2P1+P2)/3C2=(P1+2P2)/3C3=(P1+P2)/2(1)从C1,C2,C3中选出适应度较高的两个作为后代个体。(4)变异采用非均匀变异,对原有的个体做一随机扰动,以扰动后的结果作为变异后的新值。设要变异的个体为P,变异后为P′。P′=αP(2)式中:α为[0,1]之间的随机数。1.2改进的遗传算法在遗传算法中,交叉操作是最重要的,是决定算法收敛性能的关键。但是标准遗传算法中,由于近亲繁殖,导致很多交叉操作无效,大大影响算法的收敛速度,甚至不能收敛到全局最优解。出现这一现象的根本原因是:当种群进化到一定阶段时,种群中会出现许多相同或相近的个体,很难产生出新的优良个体,而且两个父代个体中相同的基因越多,交叉操作产生出新个体的概率就越小,操作无效的概率就越大。针对以上问题,根据人类的繁殖方式,个体必须进行严格的远缘繁殖,对父代个体在交叉之前进行亲缘关系的检测,检测为近亲的父代个体不能直接交叉,要对其进行修正。文献[5]中对相关性进行了定义,并去掉所有与该个体不相关指数为0或1的个体,从而避免出现无效的交叉操作;文献[6]中把适应度小的个体表现型编码的高位修改为与适应度大的个体表现型编码的高位不同的值。亲缘关系检测及修正方法改进为:通过比较两个个体每个变量的相似度来检测亲缘关系,d=P1(i)-P2(i),其中,P1(i)和P2(i)分别为个体P1,P2的第i个变量,如果d小于或等于一个较小的正数,例如d=0.001,则两变量相似,若两个个体中相似的变量个数超过个体长度的50%,则两个个体视为近亲,不能直接交叉,对其中...
