动态演化算法及其在卫星天线设计中的应用研究

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天线是无线电广播、无线电通信、无线电导航、雷达、遥测遥控、射电天文等民用和军事领域里各种无线电系统中不可缺少的设备。关于天线的科学理论研究与实践应用中存在着大量与优化、动态、自适应相关的问题。传统的天线设计是由专业技术人员进行手工设计的,对于大型复杂天线系统的优化和自适应问题,传统的天线设计方法仍然无能为力。特别是在深空探测领域,卫星天线的精密设计是一个很复杂的巨型题解。传统的天线设计方法,由于受复杂数理方程描述困难以及求解方法上的限制,只能一再简化设计,却往往难以得到比较满意的优化结果,与实际测试结果也相差较大。   现实世界中的优化问题大多数是动态的,优化方法应连续不断地提供解去适应环境变化。本文就如何利用动态演化算法通用性好,鲁棒性好和强大的全局寻优等特点和天线数值计算程序(NEC)的各自特点设计合理有效的天线结构模型进行基础研究。该研究是具有前沿性和实用性的研究。   本文首先介绍了课题研究的背景、意义以及目前国内外将演化算法应用到天线自动设计中的研究现状和进展情况。然后介绍了动态优化定义、检测环境变化的方法和动态优化算法性能的比较标准。在动态演化算法研究的工作基础上,本文设计和实现了一种新的基于正交设计的动态爬山算法(ODHC)用来解决连续变化的动态优化问题。这种新的演化算法不同于其他一般的演化算法,新算法用小生境(一个尺寸适当的小区域)搜索峰值,而不是用解向量来搜索峰值。正交设计方法用作搜索小生境潜在好解的主要手段,加速小生境演化;由于演化过程只使用变异操作,所以在小生境里采用正交设计方法来搜索潜在高峰值很有效。采用一个存档体来存放最近用这种新算法(ODHC)从过去的搜索中找到的高峰。同时随机生成一个小生境来全局搜索新的高峰。实验表明ODHC算法比SOS(自组织搜索)[44]算法优越。   接着本文对天线的基本原理和概念进行了简单介绍并对天线数值计算程序(NEC)进行了介绍。结合遗传算法和天线数值计算程序(NEC)的各自特点,借助本文提出的单支线天线结构模型的编码方案,将本文提出的基于正交设计的动态爬山算法用于对高频工作方式下的单支线天线进行仿真优化。对于天线设计中的约束优化问题,本文定义一种新的个体比较机制,它既能体现违反约束条件的数量又体现每个约束条件的违反程度,使得个体的比较更加合理。天线仿真结果证明了用动态演化算法用来进行天线设计的有效性和可行性。
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