基于非均匀相位反射阵的RCS缩减优化设计和实现电子科学与技术专业.docx

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1、目录摘要1Abstract2第一章绪论41.I研究背景介绍4L2国内外研究现状41.3非均匀相位反射阵简介51. 4本文研究内容和章节安排7第二章非均匀相位反射阵的RCS缩减优化设计算法介绍81.1 非均匀相位反射阵的散射远场分布的分析算法82. 2评估非均匀相位反射阵RCS缩减性能的代价函数102.2.1单频代价函数102.2.2频带代价函数112.3基于非均匀相位反射阵的RCS缩减基因优化算法简介112.4基因优化算法的MabIab编程实现122.4.1程序框图122.4.2库文件和初始种群的建立13第三章非均匀相位反射阵的RCS缩减优化设计研究133.1初始种群的随机生成方式对优化结果的

2、影响133.2初始种群的生成频率对优化结果的影响143.3初始种群的个体数目对优化结果的影响163 .4不同种类非均匀相位反射阵的RCS缩减优化结果的比较174 .5初始种群的预生成对优化结果的影响20第四章总结22参考文献23致谢25摘要二维平面反射阵，是通过大量的平面反射阵元在二维平面内周期排列组成的电磁波调控结构，每个反射阵单元可以独立设计来控制反射阵表面的相位分布。基于二维平面反射阵的电磁表面有着广阔的应用空间，如定向辐射、电磁聚焦、漫反射、多波束辐射、雷达散射截面缩减等领域。本论文主要利用反射相位随机分布的二维平面反射阵进行雷达散射截面缩减（RCSR）优化设计。优化设计根据基因优化算

3、法的原理开展，首先利用随机生成或导入现成二维平面反射阵样本数据的方式生成初始种群，计算反映其RCSR特性的适应度值,然后基于适应度值以一定比例对种群中的个体进行优选、杂交并发生变异，之后将所得子个体替换进当代个体以得到下一代种群，再对新一代种群进行个体优选、杂交和变异，循环往复，直到进化的代数达到期望的最大代数时停止迭代，得到末代种群，从末代种群中挑选出RCSR性能最好的个体即为二维平面反射阵的最终优化结果。本文主要通过Matlab编程计算对随机二维平面反射阵进行优化，实现最佳的雷达散射截面缩减设计，主要针对正入射TE极化平面波，在6到14GHz范围内进行优化。首先研究了初始种群的随机生成方式

4、、生成频率以及种群规模大小等因素对随机二维平面反射阵RCS缩减优化结果的影响，其次对比了不同种类反射阵的优化结果,最后研究了初始种群的预生成方式对优化结果的影响。关键词：雷达隐身，RCS缩减，非均匀反射相位分布，代价函数，基因优化算法AbstractAtwo-dimensionalplanereflectionarrayisanelectromagneticwavemodulationstructurethatisperiodicallyarrangedinatwo-dimensionalplanebyalargenumberofplanereflectionarrayelements,and

5、eachreflectionarrayunitcanbeindependentlydesignedtocontrolthephasedistributionofthereflectionarraysurface.Electromagneticsurfacesbasedontwo-dimensionalplanereflectionarrayshaveawiderangeofapplications,suchasdirectionalradiation,electromagneticfocusing,diffusereflection,multi-beamradiation,radarcross

6、sectionreductionandotherfields.Inthisdissertation,RCSRoptimizationdesignismainlyperformedbyusingtwo-dimensionalplanereflectionarraywithrandomreflectionphasedistribution.Theoptimizationdesignisbasedontheprincipleofgeneoptimizationalgorithms.First,theinitialpopulationisgeneratedbyrandomlygeneratingori

7、mportingthesampledataoftheready-madetwo-dimensionalplanarreflectionarray,andthefitnessvaluereflectingtheRCSRcharacteristicsiscalculated,andthenthepopulationisadjustedtoacertainproportionbasedonthefitnessvalue.Theindividualsinthegroupareoptimized,crossbredandmutated,andthentheresultingsub-individuals

8、arereplacedwithcontemporaryindividualstoobtainthenextgenerationofpopulations,andthenindividualselections,crosses,andmutationsaremadeforthenewgenerationofpopulations,loopinguntiltheevolutionaryalgebrareachesthedesiredmaximum.Whenitisalgebraicallyiterated,thelastpopulationisobtained,andthebestRCSRperf

9、ormanceindividualselectedfromthelastpopulationisthefinaloptimizationresultofthetwo-dimensionalplanereflectionarray.Thispapermainlyoptimizestherandomtwo-dimensionalplanereflectionarraythroughMatlabprogrammingcalculation,andrealizestheoptimalradarcrosssectionreductiondesign.ItismainlyaimedattheTEplane

10、planewavewithnormalincidenceandisoptimizedintherangefrom6to14GHz.Firstly,theeffectsofrandomgenerationmethodsofinitialpopulation,frequencyofgenerationandsizeofpopulationontheRCSreductionoptimizationresultsofrandomtwo-dimensionalplanarreflectarraysarestudied.Secondly,theoptimizationresultsofdifferentt

11、ypesofreflectivearraysarecompared.Finally,theinitialpopulationpretreatmentisstudied.Theeffectofthegenerationmethodontheoptimizationresult.Keywords:radarstealth,RCSreduction,non-uniformreflectionphasedistribution,costfunction,evolutionaryalgorithm第一章绪论1.1研究背景介绍雷达，向目标发射电磁波，遇到目标后反射，通过对雷达回波的散射能量的度量来判定目标

12、存在与否并具体确定目标的位置，是迄今为止最为有效的远程电子探测工具。而雷达隐形技术，顾名思义，就是要使己方的雷达回波无法被敌方雷达探测到，从而达到“隐身”的目的，由于实战需要而被广泛应用。雷达隐形技术主要是指雷达散射截面缩减(RadarCrossSectionReduction,RCSR)技术。我们所谈到的目标的雷达散射截面RCS,是用来定量表征目标散射强弱的物理量。当目标的雷达散射截面RCS越小，雷达接收能量越少，从而干扰敌方雷达使其无法做出正确判断，从而达到隐形目的。RCSR技术主要分两种方式：第一大类RCSR技术是通过减少甚至消除散射能量实现RCS缩减，要用到材料隐形技术，即采用吸波或透

13、波材料，使目标不反射或少反射雷达波，从而降低雷达散射截面RCS。第二大类RCSR技术通过调控目标物体的散射方向图(散射波能量的角向分布)，使目标物体的散射能量主要分布在不容易被探测到的方向(即非威胁方向)，通过这种办法减少威胁方向的散射能量，这种技术基本不改变散射总能量。本课题研究的二维平面反射阵属于第二类RCSR技术的典型应用。1.2国内外研究现状第一大类RCSR技术具体包括雷达吸波材料(RadarAbsorbingMaterial,缩写RAM)或雷达吸波体技术、雷达透波材料技术、等离子体隐身技术、“隐形斗篷”技术等。2006年，由英国帝国理工学院Pendry教授提出,美国杜克大学D.Sch

14、urig与D.R.Smith等人首次在微波频段做出实物并实验验证了“隐形斗篷”技术,它可以被设计成与物体相互贴合的形状，若将“隐形斗篷”包裹住目标物体，电磁波蒋光滑地绕过物体表面再沿方向前进，理论上不激发任何散射波。但“隐形斗篷”因为带宽太窄，厚度较厚加上工艺复杂还远远达不到应用的层面。2008年之后美国波士顿大学Landy等人设计出等效本构电磁参数和自由空间匹配且介电和介磁损耗很高的人工电磁媒质薄层，随后他们对该设计进行了改进，大大降低了这类吸波体对电磁波极化方向和入射角度的敏感度。同期国内也有多个研究团队从事相关课题例如电子科技大学的邓龙江教授课题组利用相邻开口谐振环的耦合实现宽角度的吸波

15、华中科技大学的龚荣洲教授课题组通过在开口硬币形谐振器的环上附加集总电容配合电阻元件设计出对极化不敏感的高吸收率吸波体。另一重大成果是由美国普渡大NarimanOVa等人提出叫我国东南大学程强等人设计实现并实验验证的“电磁黑洞”。“电磁黑洞”通过一层层同轴环壳衰减入射波，但带宽较窄，厚度较厚的问题依然存在。第二大类RCSR具体包采用外形隐形技术【划、通过调控目标物体的散射方向（散射波能量的角向分布）等。2009年，美国杜克大学Smith教授团队与东南大学崔铁军教授团队合作研发出由人工电磁媒质构成的微波段散射调控外罩一一二维“隐身地毯。随后东南大学马慧锋等人又开发出了相比于前者更加小型化的二维“隐

16、身地毯”口3和三维“隐身地毯”叫。不过，上述“隐身地毯”很难设计成厚度够薄的结构而且很难实现和目标的共形。相比之下，层板状散射调控表面在厚度、带宽方面表现更优异，而更受研究人员关注，2009年，东南大学崔铁军教授课题组设计了一款由反射系数相位分别为0和180。的两种阵元不规则排布的超表面闾,2014年东南大学王科等人用风车式结构作为反射单元并通过在360全相位范围内优化表面的不规则反射相位分布设计了一款的漫散射表面，厚度仅为4mm厚均。2015年空军工程大学沈杨等人以360。范围内相位随机分布的方形区域作为超级阵元设计出具有双重周期的漫散射表面，RCSR性能优异UL1. 3非均匀相位反射阵简介本论文的课题研究对象是二维平面非均匀相位反射阵，是通过大量的平面反射阵元按一定规律，周期排列组成的电磁波调控结构，每个反射阵单元可以独立设