CN100392425C - 一种应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于宽带信号激励下的波束形成系统。该波束形成系统采用冲激脉冲激励一线性阵列，通过配置线阵各阵元的非等幅激励电流幅度、相位及阵元之间非等距的相对位置来调整方位向分辨率的波束形成系统。传统的基于窄带信号的波束形式技术不能适用于此系统。本发明通过配置线阵各阵元的激励电流幅度，相位和阵元之间的相对位置来提高波束形成系统的方位向分辨率，旁瓣电平等主要性能。当线阵各阵元关于线阵中心位置对称分布，采用从中心到边缘递增的激励模式时，波束形成系统压缩了主瓣也降低了副瓣电平，使线阵的空间能量辐射特性更趋于理想的δ函数，从而较大程度的提升了波束形成性能。

Description

一种应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统

技术领域

本发明专利涉及一种应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，是雷达系统中超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统实现，用于高分辨多目标定位。

背景技术

超宽带(UWB)雷达可提供目标的更多的特征，在民用、环境和国防等应用领域正在成为越来越重要的探测手段。例如，地下目标探测、冰层探测、空间目标(隐身目标)的探测与识别、反恐怖防空雷达网以及医疗成像。这一雷达体制的一个发展方向是采用阵列天线技术，利用波束形成提高系统的方位分辨力和系统发射功率。然而，UWB/冲激雷达从发射、接收到信号处理都基于瞬态电磁特性，窄带雷达波束形成的理论和算法不能用于超宽带阵列天线的分析。鉴于UWB雷达系统中较多采用线性阵列，以下考虑线阵的波束形成。

对一N元线阵，设阵元间距相等，均为d，则其阵因子函数表示为 $f\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·e^{\mathrm{jk}\·\mathrm{id}\·\cos \mathrm{\θ}}$ ，I_i表示第i个阵元上的激励电流，j表示虚数单元，k＝2π/λ表示波数，λ表示激励信号的波长，θ表示线阵的相位中心和空间某点形成的射线与线阵轴向之间的夹角。当激励信号为窄带信号时，可以通过调整阵元间距和各阵元上激励电流的幅度、相位得到期望的方向图。窄带信号激励下的线阵的方位向分辨率为δ＝R·θ_B，R表示线阵与目标间的距离，θ_B＝aλ/D表示线阵的波束宽度，a是与线阵加权或阵子上电流有关的常数，λ为波长，D为线阵长度。可见：方位向分辨率是与频率有关的。当激励信号的带宽逐渐增大时，对于确定的阵元间距和激励电流幅度，线阵方向图是随频率变化的。不同的频率分量对应不同的波束宽度，高频分量对应的波束宽度窄，低频分量对应的波束宽度宽。而超宽带信号是指相对带宽η≥25％的信号。因此，对于超宽带信号激励下的线阵，单色方向图已失去了意义。

对某一确定的线阵，在超宽带信号激励下，相当于超宽带信号通过一空域色散系统，在不同的空间角θ上，各个频率分量的相对相位不再保持不变，因此接收到的时域信号是畸变的，信号形式及辐射能量与空间角θ的关系变得模糊。线阵的空间分辨率不同于窄带信号激励下的分辨率表示。

发明内容

为了充分发挥超宽带信号和阵列处理技术各自的优势，本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的上述不足，提出一种新的超宽带线性阵列天线实现方式，提供一种应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，很大程度上提高线阵的方位向分辨率，减少阵列天线的旁瓣，以满足高分辨多目标定位的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，该波束形成系统是采用冲激脉冲激励的一线性阵列，通过配置线阵各阵元的非等幅激励电流幅度、相位及阵元之间非等距的相对位置来调整方位向分辨率的波束形成系统，即超宽带非等间距非等幅激励线阵波束形成系统。这是在分析了线阵在超宽带冲激信号激励下的辐射特性；讨论了这一信号体制的波束形成机理。设线阵的激励信号为超宽带信号s_i(t)，其频谱为S(jω)，则线阵辐射方向图随频率的变化可用未归一化的方向图来表示，即 $f\left(\mathrm{\θ}\right|\mathrm{\ω})=S\left(\mathrm{j\ω}\right)\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\mathrm{j\ω}{x}_n\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_0}{c}}$ 。ω表示角频率，X_n表示第n个阵元的空间位置(即横向位置)，θ₀表示空间角度，c＝3×10⁸m/s表示光速。对于某一特定的空间角θ₀，信号s_i(t)在此方向上的辐射相当于通过一滤波器 $H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\mathrm{j\ω}{x}_n\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_0}{c}}$ ，时域中即相当于信号多个延迟的叠加，即： $s_r\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i(t-\frac{{\cos \mathrm{\θ}}_0}{c}\·x_n)$ ；用非等间距非等幅激励线阵代替等间距等幅激励线阵提高方位向分辨率压低旁瓣的方法，从而实现宽带信号激励下的波束形成系统实现。阵元间距和各阵元激励电流的幅度，相位可以通过求解一最优化问题得到，即

$\left\{\begin{array}{cc}\min & {2\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{HE}}\\ s.t.& d_i\&Element;\{{2\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{HE}}(d_1,d_2\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;d_i\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;d_N)<{2\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{HE}}(d_a,d_a\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;d_a\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;d_a)|\}{d}_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中， $d_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i}{N}$ 表示与非等间距线阵长度相等的等间距线阵的阵子间距，θ_HE表示半功率波瓣宽度，d_i表示非等间距线阵第i个阵元的空间位置(即横向位置)。

本发明的有益效果是，可以提高波束形成系统的方位向分辨率，从而提高多目标定位的精度。系统实现上只需调整各阵元的激励电流幅度和阵元间距，易于实现。

附图说明

通过参考下面实施例附图的说明，可以更好地理解本发明，以下均以六元阵为例，但本技术并不局限于六元阵，而是对任意数目的线阵均适用。

图1示出了等间距等幅激励线阵；

图2示出了图1所示的线阵的空间辐射特性；

图3示出了图1所示的线阵的能量方向图；

图4示出了与图1等长，但阵元间距不等的线阵；

图5示出了图4所示的线阵的空间辐射特性；

图6示出了图4所示的线阵的能量方向图；

图7示出了与图1等长，但各阵元激励电流幅度不等的线阵；

图8示出了图7所示的线阵的空间辐射特性；

图9示出了图7所示的线阵的能量方向图；

图10为实施例示出长L＝29λ₀(超宽带非等间距非等幅激励)的六元线阵；

图11示出了图10所示的线阵的空间辐射特性；

图12示出了图10所示的线阵的能量方向图；

图13为奇数阵元线阵的最优配置

图14为偶数阵元线阵的最优配置

为了便于分析，将阵列波束形成系统的各阵元视为理想情况，各阵元间没有互耦，宽带激励信号同时激励各阵元。图1示出了等间距等幅激励的六元阵，激励信号取为单周波

，中心频率为f₀＝2GHz。阵元间距为4λ₀，其中λ₀表示激励信号中心频率对应的波长。此时线阵为一边射阵。窄带信号激励下，当阵子间距d≥λ时，栅瓣进入可见空间，方向性系数急剧下降。图2示出了s_i(t)激励图1所示线阵的空间辐射特性，横坐标表示时间，纵坐标表示方位。角度θ表示空间辐射方向与线阵的中垂线的夹角。从图2可以看出，θ＝0时线阵左半部分和右半部分的阵元相对于中垂线对称分布，因此接收到的信号是原始发射信号的同相叠加，此时幅度最强。随着θ角的增大，空间辐射特性也随之改变。各阵元发射的信号不再保持同相，到达空间接收点的时间也不相同。当θ＝90°时，此时各阵元的发射信号相对时延最大，空间辐射特性最差。图3为图2对应的能量辐射特性，每一θ角对应的接收信号的能量随着θ的改变而改变，是关于θ的对称分布。由图3可以看出：线阵的能量辐射特性主瓣宽度较大，旁瓣电平较高。为了提高线阵作为波束形成系统的性能，即是要提高其方位向分辨率，具体上讲就是压窄主瓣宽度，降低旁瓣电平。图4示出了与图1等长但不等间距的线阵，阵元放置关于线阵中心位置对称，各阵元间距分别为(5λ₀，4λ₀，2λ₀，4λ₀，5λ₀)，总线阵长度仍为20λ₀。图5和图6分别示出了此线阵的空间辐射特性和能量方向图。非等间距线阵与等长的等间距线阵相比，空间干涉区域变大，旁瓣电平变低，但半能量波瓣宽度并不变。实际上，干涉临界角θ_IR满足min(d_i)×cosθ_IR＝λ₀。对等间距线阵而言，当 $\mathrm{\&theta;}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{d}\right)$ 时，各阵元的远区辐射信号同时开始干涉；而对非等间距线阵而言，当 $\mathrm{\&theta;}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\min \left(d_i\right)}\right)$ 时，已经有脉冲开始产生干涉。能量方向图是将线阵的空间辐射特性在时间维进行了压缩，无法体现空间某点接收信号的瞬态特性，因此等长线阵的半能量波瓣宽度保持不变。图7示出了与图1同样配置的线阵，但各阵元不再是等幅等相激励，各阵元激励电流幅度分别为 $(\frac{1}{3},\frac{2}{3},\mathrm{1,1},\frac{2}{3},\frac{1}{3})$ 。图8和图9示出了图7的非等幅激励线阵的空间辐射特性和能量方向图。非等幅激励线阵与等幅激励线阵相比，非干涉区域中线阵的相对辐射能量增大；锥削分布的激励模式在展宽主瓣的同时提高了副瓣电平，而从中心到边缘递增的激励模式压缩了主瓣也降低了副瓣电平，使线阵的空间能量辐射特性更趋于理想的δ函数。因此，超宽带信号激励下，为提高线阵的方位向分辨率并降低副瓣，可以综合考虑阵元间距和各阵元幅度加权系数。

具体实施方式

如图10为本发明一长L＝29λ₀的六元线阵的最优配置，激励信号仍取为中心频率f₀＝2GHz的单周波。通过求解式(1)，可得：最优的阵元间距和各阵元激励电流幅度分别为d_opt＝(1.99λ₀，1.41λ₀，22.2λ₀，1.41λ₀，1.99λ₀)，w_opt＝(1，0.6，0.1，0.1，0.6，1)。在这种情况下，线阵的主瓣宽度最小，提高了线阵的空间分辨力，降低了旁瓣干扰。与等间距等幅激励的线阵相比，其非干涉区域的副瓣电平提高了19.7％，干涉区域的副瓣电平减小了41.9％，半能量波瓣宽度减小了27.8％，较大程度上提示了线阵的波束形成性能。

如图10所示：阵元1，2之间的距离和阵元5，6之间的距离相等，均为1.99λ₀。λ₀为激励的宽带信号的中心频率对应的波长。阵元2，3之间的距离和阵元4，5之间的距离相等，均为1.41λ₀。阵元3，4之间的距离为22.2λ₀。阵元3，4的激励电流相对幅度为1，阵元2，5的激励电流相对幅度为0.6，阵元1，6的激励电流相对幅度为1。

Claims (5)

1.一种应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，其特征是该波束形成系统是采用冲激脉冲激励的一线性阵列，通过配置线阵各阵元的非等幅激励电流幅度、相位及阵元之间非等距的相对位置来调整方位向分辨率的波束形成系统，即超宽带非等间距非等幅激励线阵波束形成系统。

2.根据权利要求1所述的应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，其特征是线阵从中心到边缘递增的激励模式压缩主瓣、降低副瓣电平，使线阵的空间能量辐射特性更趋于理想的δ函数。

3.根据权利要求1所述的应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，其特征是线阵各阵元关于线阵的中心位置对称分布。

4.根据权利要求1或2或3所述的应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，其特征是阵元间距和各阵元激励电流的幅度，相位可以通过求解一最优化问题得到，即

$\left\{\begin{array}{cc}\min & 2{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{HE}}\\ s.t.& d_i\&Element;\{{2\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{HE}}(d_1,d_2...d_i...d_N)<{2\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{HE}}(d_a,d_a...d_a...d_a)|d_i\}\end{array}\right.$

其中， $d_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i}{N}$ 表示与非等间距线阵长度相等的等间距线阵的阵子间距，θ_HE表示半功率波瓣宽度，d_i表示非等间距线阵第i个阵元的空间横向位置。

5.根据权利要求4所述的应用于超宽带信号激励下线性阵列的波束形成系统，其特征是长L＝29λ₀的六元线阵的最优配置为激励信号取为中心频率f₀＝2GHz的单周波，最优的阵元间距和各阵元激励电流幅度分别为d_opt＝(1.99λ₀，1.41λ₀，22.2λ₀，1.41λ₀，1.99λ₀)，w_opt＝(1，0.6，0.1，0.1，0.6，1)。

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