用于先进雷达应用的混合 PSO–FPA 元启发式算法，用以同心圆天线阵列的超低旁瓣和高指向性合成

为拥挤频谱世界带来更清晰的雷达视野

从自动驾驶汽车到气象卫星与 5G 网络，现代雷达与无线系统都面临相同的挑战：如何像激光一样聚焦信号，同时不在不需要的方向上浪费能量。本文提出了一种新的计算算法，帮助工程师设计天线阵列，使其波束更为集中，同时大幅降低会导致干扰、窃听风险或雷达图像细节丢失的杂散辐射。

为什么圆形天线需要更智能的设计

许多先进雷达和通信系统使用同心圆天线阵列——将微小天线按同心环排列，像池塘的涟漪围绕中心点。这种几何结构天然提供了 360 度全方位覆盖，并允许通过电子方式在不移动硬件的情况下实现波束方向控制。缺点是这些阵列往往产生强烈的“旁瓣”，即远离主方向的弱波束。旁瓣既浪费功率，又可能接收或产生干扰。为抑制旁瓣并保持窄而强的主波束，需要精确设计多环中每个单元的间距和激励强度——这是一个具有大量可能配置且无简单解析解的复杂难题。

借鉴飞鸟与花朵的智慧

为了解决这一难题，作者采用了受自然启发的优化方法：模拟动物或植物在觅食或传播花粉时的行为的搜索策略。一种广为人知的方法是粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO），它模拟一群鸟通过共享各自发现逐步聚拢到有希望位置的过程。另一种是花粉传粉算法（Flower Pollination Algorithm，FPA），模仿传粉者既进行远距离跳跃到新花，也在附近短程移动的行为。单独使用时，每种方法各有优缺点——一种可能具有较强的全局探索能力但易陷入中等解，而另一种擅长局部精调但可能错过设计空间中的更好方案。

一种随学随进的混合搜索

本文的核心贡献是一种混合 PSO–FPA 算法，将这两种策略融合为自适应搜索引擎。在该方案中，候选天线设计同时被视为“花朵”和“鸟群”。“全局传粉”步骤借鉴了 PSO 的动量与对迄今为止最佳设计的吸引思想，帮助搜索更有目的地前进而非随机漫游。“局部传粉”步骤则对邻近设计进行精细调整，通过调优权重在尝试新思路与打磨已有优良解之间保持谨慎的平衡。该组合过程逐环调整每个环距中心的距离以及其单元的激励强度，同时最小化一个惩罚高旁瓣和过度波束展宽的代价函数。

新算法的成果

通过大量计算机仿真，作者在若干实际阵列布局上（含或不含中央天线元件）测试了该混合方法。在所有案例中，混合算法均稳定优于若干知名对手，包括标准 PSO、单独的花粉传粉算法、人工蜂群算法和鲸鱼优化算法。该方法将旁瓣电平降低到约 −45 分贝——比早期技术大约提升 38–42%——同时保持或改善了主波束的锐度和强度。在某些密集配置中，主波束增益可达约 13 分贝，且波束仅略有展宽。同样重要的是，这些改进来得很快，典型设计运行在标准台式机上在 12 秒内完成，所得波束图形仍保持高度对称和稳定。

对未来雷达与无线系统的影响

从非技术角度看，该研究展示了将两种受自然启发的思想结合，如何为雷达与通信工程师提供一个强大的“调节旋钮”。混合 PSO–FPA 算法就像自动设计器，探索数百万种同心圆阵列中微小天线的布置与激励方式，直到找到将大部分能量精确送往所需方向而几乎不向别处泄漏的模式。这意味着更清晰的雷达成像、更好的目标分辨以及在拥挤频谱中邻近系统之间更少的相互干扰。尽管实际部署仍需考虑制造公差与元件耦合等现实问题，这项工作为构建下一代更远、更精确且更高效的天线阵列提供了稳健的蓝图。

引用: Brahimi, M., Haouam, I., Bouddou, R. et al. A hybrid PSO–FPA metaheuristic algorithm for ultra-low sidelobe and high-directivity synthesis of concentric circular antenna arrays for advanced radar applications. Sci Rep 16, 7037 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36315-6

关键词: 天线阵列, 雷达系统, 波束形成, 优化算法, 无线通信