一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法。

背景技术：

1、在当下市场，企业对于资产出入库自动化管理有着迫切的需求，市面上也出现了各式各样的uhf rfid通道门产品，其主要在通道门上安装rfid读写器和天线，实现对出入库的uhf rfid标签的实时读取，实现对附带有rfid标签的货品的出入库自动管理。但是，在实际应用中，传统的rfid通道门存在很多难以解决的问题；比如，1、传统的rfid通道门将天线置于通道门两侧，电磁波以相对对射的方式实现rfid标签读取，这就意味着rfid标签读写器只在某一相对固定高度识别范围内的rfid标签，偏上的天线无法读取偏下的标签，偏下的天线又无法读取偏上的标签，使得各个天线无法相互配合实现特定区域的精准读取。2、通道门外部开放的环境复杂，可能摆放了并未通过通道门的部分货品，但传统rfid通道门仅仅通过设置射频发射功率来调整读写距离，这使得功率调整小了虽然能防止通道门外的标签被意外读取，但也会造成通道门内场强变弱，无法读全通道门内所有标签，但加大功率则会造成通道门外标签被误读。3、从阵列赋形算法上来说，传统阵列赋形算法主要针对平面阵列，很少涉及3d立体阵列，且大量研究均针对天线阵列远场，很少基于通道门内近场。4、传统阵列多目标优化往往采用对目标函数加权求和的方式进行适应度值设计，其最大的问题是加权值的选取具有极大的主观性，不合理的选择会严重影响算法收敛。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，解决了现有技术存在的不足。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，所述多目标聚焦赋形方法包括：

3、步骤一、在rfid智能通道门的两侧面和顶部均安装若干个rfid天线，实现天线3d阵列布局；

4、步骤二、通过3d阵列矢量合成技术对阵列坐标进行平移和旋转，以合成3d阵列方向图；

5、步骤三、基于改进的分段适应度函数的多目标优化算法对合成的3d阵列方向图进行优化。

6、所述步骤二中的阵列坐标平移步骤包括：

7、设空间中有一阵列单元n，辐射方向图为表示球坐标下的坐标角度，阵列相位的参考点为坐标原点o，设向量r(xn,yn,zn)为参考点o到阵列单元n的向量，其表示为r0为参考点o到远场目标方向的单位向量，其表示为其中，rn为参考点o到阵元n的向量长度，θn，为阵元n相对参考点o的坐标角度，θ0、为远场目标相对参考点o的坐标角度；

8、通过点积法计算得到阵列单元n相对于参考点o到远场目标的相对相位为其中，(·)表示向量点乘；

9、得到阵列单元n的方向图表达为其中，λ为工作波长，gn为第n个单元的单元方向图，an为第n个单元的馈电幅度，ψn为第n个单元馈电相位。

10、所述步骤二中的阵列坐标旋转步骤包括：

11、通过旋转公式对方向图进行三次旋转，实现空间的坐标旋转，其中，ix,iy,iz分别代表以x、y、z为轴旋转α度；

12、对电场矢量的两个切向方向矢量eθ,进行旋转得到ex,ey,ez，再进行逆旋转得到在新的方向上的eθ,

13、所述步骤三具体包括以下内容：

14、a1、确定rfid智能通道门上所有rfid天线的馈电幅度和馈电相位，设定馈电幅度和馈电相位的取值范围，并将馈电幅度和馈电相位作为待优化参数；

15、a2、确定rfid天线的馈电幅度和馈电相位矩阵，并区分天线的聚焦区域和非聚焦区域；

16、a3、根据个体的适应度值进行选择和淘汰，并对被选择的个体的基因进行交叉重组和变异以产生新的基因型，得到完备的子代种群，完成第一次迭代；

17、重复a2步骤，将新得到种群对应的待优化参数重新与实际问题结合，根据目标函数和适应度函数得到子代的适应度函数值，完成新一轮的自然选择、交叉重组和基因变异，初始种群在一次次迭代中不断进化，直到满足优化要求或者达到设定的最大优化代数后结束迭代，返回最优一代的待优化参数，得到本次优化算法的优化结果。

18、所述确定rfid天线的馈电幅度和馈电相位矩阵，并区分天线的聚焦区域和非聚焦区域具体包括：

19、将馈电幅度的初始种群设为矩阵x，将馈电相位的初始种群设为矩阵y，将矩阵x和矩阵y进行结合，并根据欧拉公式将馈电幅度和馈电相位处理为矩阵b＝x*(cos(y)+j*sin(y))；

20、将各rfid天线仿真或者实测的近场电场数据导入，将所有电场数据按照x、y、z方向分别处理为复数形式的矩阵ex，ey，ez，得到矩阵a＝b*(ex+ey+ez)t；

21、将矩阵a分成聚焦区域和非聚焦区域，第一目标使聚焦区域的功率密度远高于非聚焦区域，取样区域的幅值大小等于功率密度大小，计算分段自适应度函数，并优先考虑聚焦区域和非聚焦区域功率相差设定值以上，第二目的为聚焦区域的功率尽量等幅，区域内波导尽量小。

22、所述计算分段自适应函数具体包括：

23、将适应度函数以目标的误差范围为界限分为两段，第一段为在误差范围外，此时fitness＝c1*fitnessi，第二段为在误差范围内，此时fitness＝c2*fitnessi，i表示每个目标的编号，fitnessi表示单个目标对应的适应度函数值；

24、当c2大于c1时，该目标函数的适应值在达到误差范围后相比于原未分段时更大，在总适应度函数中占比更大，起到对该优化目标的加速收敛的作用；

25、当c2小于c1时，该目标函数的适应值在达到误差范围后相比于未分段时更小，是其他目标函数对应的适应值在总适应度函数中占比更大，以平衡各个优化目标。

26、本发明具有以下优点：

27、1、3d的天线阵列布局，天线辐射方向图的法向不同，提升了天线数量和可控的自由度，为优化算法进行聚焦优化提供了足够的优化空间。

28、2、采用分段自适应函数，将优化目标定义为两种可分解优先级的目标，优先考虑聚焦区域和非聚焦区域功率相差10db以上，次要目标为聚焦区域的功率尽量等幅，区域内波动尽量小，从而大大提升了聚焦区域的群读能力，大大降低了非聚焦区域的误读率。

29、3、可实现读取范围可调，通过调节天线的幅度相位，使读取范围可控。

技术特征：

1.一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，其特征在于：所述多目标聚焦赋形方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，其特征在于：所述步骤二中的阵列坐标平移步骤包括：

3.根据权利要求2所述的一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，其特征在于：所述步骤二中的阵列坐标旋转步骤包括：

4.根据权利要求1所述的一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，其特征在于：所述步骤三具体包括以下内容：

5.根据权利要求4所述的一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，其特征在于：所述确定rfid天线的馈电幅度和馈电相位矩阵，并区分天线的聚焦区域和非聚焦区域具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，其特征在于：所述计算分段自适应函数具体包括：

技术总结本发明涉及一种三维分布式阵列天线近场多目标聚焦赋形方法，属于无线通信领域，所述多目标聚焦赋形方法包括：在RFID智能通道门的两侧面和顶部均安装若干个RFID天线，实现天线3D阵列布局；通过3D阵列矢量合成技术对阵列坐标进行平移和旋转，以合成3D阵列方向图；基于改进的分段适应度函数的多目标优化算法对合成的3D阵列方向图进行优化。本发明采用分段自适应函数，将优化目标定义为两种可分解优先级的目标，优先考虑聚焦区域和非聚焦区域功率相差10dB以上，次要目标为聚焦区域的功率尽量等幅，区域内波动尽量小，从而大大提升了聚焦区域的群读能力，大大降低了非聚焦区域的误读率。技术研发人员：欧阳骏,赵东升,李顺,李靖,袁鸣受保护的技术使用者：成都德杉科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9