[發明專利]一種基于自適應演化優化算法的螺旋式天線設計方法

有效

• 申請號: 201910362426.4
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110147590B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 曾三友;章銳
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;H01Q1/36;G06N3/12;G06F111/04;G06F111/10
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 孫麗麗

1.一種基于自適應演化優化算法的螺旋式天線設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

S101：根據實際需求，建立螺旋式天線的結構模型及其對應的優化數學模型；所述結構模型中螺旋線總圈數為a圈，每一圈上升高度的均值為b mm；其中，a和b均為根據實際需求設定的預設值；

S102：采用基于強化學習的自適應演化優化算法對所述優化數學模型中的天線結構參數進行優化，得到最終優化后的天線結構參數；

S103：根據所述天線結構參數，對所述結構模型進行調整，得到設計好的螺旋式天線；

步驟S101中，所述優化數學模型的表達式如公式(1)所示：

上式中，為決策空間向量，即天線結構參數；為優化目標函數；st為約束條件；φ和θ為所述結構模型中球坐標系的方位角和仰角，為預設值，用以表示天線增益方向；freq為螺旋式天線的工作頻帶，為預設值；Gain、AR和VSWR分別為目標增益、目標軸比和目標駐波比，均為預設值；gain、ar、vswr分別為螺旋式天線的目標增益、目標軸比和目標駐波比；

所述天線結構參數包括：與螺旋式天線的螺旋線相關的優化變量和決定螺旋式天線中巴倫金屬片的尺寸大小的變量；其中，與螺旋式天線的螺旋線相關的優化變量為ratio_h0～ratio_ha，共a個變量，分別表示每一圈螺旋線的上升高度在均值b周圍的浮動比例，決定螺旋式天線中巴倫金屬片的尺寸大小的變量為balun_ax、balun_bx和balun_cx，共三個變量，分別為巴倫金屬片的長、寬和高；因此，所述天線結構參數共包括ratio_h0～ratio_ha、balun_ax、balun_bx和balun_cx共a+3個變量。

2.如權利要求1所述的一種基于自適應演化優化算法的螺旋式天線設計方法，其特征在于：步驟S102中，采用基于強化學習的自適應演化優化算法對所述優化數學模型中的天線結構參數進行優化，得到最終優化后的天線結構參數；包括如下步驟：

S201：隨機初始化強化學習在當前時刻t下的一個執行動作a(t)、演化優化算法中天線結構參數對應的初始種群、強化學習中所有的動作對應的動作值函數Q值和強化學習中所有的動作對應的動作選擇概率P值；t代表迭代次數，t的初始值為1；

其中，強化學習中的一個動作包含三個分量：a(mut)、a(F)和a(CR)；a(mut)為變異算子，取值范圍是N[0，1]，分別對應DE\rand\1和DE\best\1兩種變異算子；a(F)表示變異尺度因子，取值范圍是N[0,2],分別對應變異尺度因子取值的均值為0.3、0.6和0.9；a(CR)表示交叉概率，取值范圍是N[0，2]，分別對應CR取值的均值為0.2，0.5和0.8；因此，整個動作集總共包含2*3*3＝18個動作；N[x，y]表示取x和y之間的任意整數，包括x和y；將所有的動作對應的動作值函數Q值均初始化為0.1；

S202：根據當前種群，計算當前種群的發散程度DIV和種群的分布特征IOS，并根據DIV和IOS計算當前種群所屬的狀態S(t)；

其中，將強化學習問題的狀態定義為一個包含兩個分量的向量S＝[IOS，DIV]，其中每個分量分為4個區間，每個區間對應一個狀態，因此，總共有4×4＝16個狀態；每個狀態對應一個動作集，即每個狀態下包括18種動作；

S203：采用演化算法執行當前動作a(t)，從而產生新的種群；

S204：將所述新的種群中的個體作為天線結構參數輸入至HFSS電磁仿真軟件中，得到對應的目標增益gain、目標軸比ar和目標駐波比vswr；

S205：判斷是否滿足終止條件？若是，則到步驟S210；否則，到步驟S206；

S206：根據所述新的種群再次計算IOS和DIV，并根據IOS和DIV計算新的種群所屬的狀態S(t+1)和回報R(t+1)；

S207：根據回報R(t+1)和S(t)狀態下的Q值，更新S(t)狀態下的動作a(t)對應的新的動作值函數

S208：根據S(t)狀態下的動作a(t)對應的新的動作值函數更新狀態S(t)下的所有動作的選擇概率；

S209：根據當前所屬的狀態S(t)，采用輪盤賭的方式在所有的選擇概率中隨機選擇一個選擇概率，并將該選擇概率對應的動作作為下一時刻t+1時執行的動作a(t+1)；將t更新為t+1，并返回步驟S203；

S210：結束循環，將當前種群中的最優個體作為最優天線結構參數。