CN101841084A - 一种减缓混叠的8mm波段综合孔径辐射计天线阵列布局方法 - Google Patents

Abstract

一种减缓混叠的8mm波段综合孔径辐射计阵列布局方法，用于8mm波段综合孔径辐射计的天线阵列布局，以减缓采用常规阵列布局时成像的混叠效应。这种阵列布局的主要特点是：它基于常规Y形阵列布局，并在常规Y行阵列每臂的反向延长线上，与中心天线单元相距1.5倍天线单元间隔的距离上，再布置一个相同大小的均匀线性阵列。该阵列布局比常规的Y行阵列布局，由于信号在空间频上的采样间隔变为原来的一半，因此极大地减缓了反演成像的混叠程度。

Description

一种减缓混叠的8mm波段综合孔径辐射计天线阵列布局方法

技术领域

本发明涉及一种减缓混叠的8mm波段综合孔径辐射计天线阵列布局方法，属于微波辐射计技术。

背景技术

在综合孔径微波辐射计的系统设计中，天线阵列的布局是其中一项关键的技术，因为它直接决定了辐射计系统在信号空间频域内的采样位置，从而在很大程度决定了辐射计系统点扩散函数的特性。

综合孔径辐射计的成像原理是基于空间频域采样信号与场景亮温图像之间的傅立叶变换关系。根据奈奎斯特采样定律，只有当采样信号的间隔不大于工作频率的半波长时，反演图像才不会出现混叠。当综合孔径辐射计的工作频率较低时，工作波长较长，半波长大于或与天线单元尺寸相当，此时通常采用的天线阵列布局方式有T形、U形、十字形和Y形等，其中Y形阵列被认为是最优的阵列布局形式，因为它在信号空间频域内的采样为六边形分布，在相同的无混叠视场范围的要求下，具有最高的采样效率。然而随着辐射计工作频率的提高，波长变短，受接收机及单元天线物理尺寸的限制，单元天线孔径可能远大于半波长，如果再采用常规阵列布局，即使将天线单元紧挨在一起也无法满足无混叠成像的采样间隔要求。例如对8毫米波段辐射计系统，其接收机单元的横截面尺寸最小约为20mm×20mm(根据目前国内的工艺水平)，天线尺寸约24mm×24mm，此时采用常规的阵列布局将不可避免的引起成像的严重混叠。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对8mm波段综合孔径辐射计的天线单元电尺寸(电尺寸为天线尺寸相对工作波长的比值，在8mm波段最小电尺寸约为3)过大，采用常规阵列布局将使反演图像出现严重混叠的问题，提供一种减缓混叠的8mm波段综合孔径辐射计天线阵列布局方法，以减缓采用常规阵列布局时成像的混叠效应。

本发明的技术解决方案：一种减缓混叠的8MM波段综合孔径辐射计阵列布局方法，这种阵列布局的主要特点是：它基于常规Y形阵列布局，并在常规Y行阵列每臂的反向延长线上，与中心天线单元相距1.5倍天线单元间隔的距离上，再布置一个与所述Y形阵列每臂相同大小的均匀线性阵列，该阵列布局比常规的Y行阵列布局，由于信号在空间频域采样点间隔变为原来的一半，因此极大地减缓了反演成像的混叠程度；所述的均匀线性阵列的结构与Y形阵列中每臂的线性阵列结构相同，所述Y形阵列由三个相同大小的一维线性阵列构成，臂与臂之间夹角为120度，

本发明的原理：通常抗混叠的阵列布局的基于规则Y形阵列。规则Y形阵列由3个相差120°的一维均匀线性阵列组成，相邻两天线之间的间隔为d，如图1所示，其形成的空间频域采样点分布如图2所示。本发明在规则Y形阵列每臂的反向延长线上相隔1.5d的位置处，再放置一个相同的一维均匀线性阵列就得到了抗混叠的天线阵列布局，如图3所示，其形成的空间频域采样点分布如图4所示。

本发明这种减缓混叠天线阵列布局的优点是：

(1)本发明形成的空间频域采样点之间的间隔是常规Y形阵列形成的空间频域采样点之间间隔的一半，因此在确定的天线尺寸的情况下，可以极大地减缓反演图像的混叠效应。以8mm波段综合孔径辐射计为例，天线的电尺寸为3，其10dB波束宽度约为40°，受天线方向图的加权作用，如果认为10dB以下的来波信号可以忽略，则场景为一视场范围为40°的圆形区域。当采用常规Y形阵列布局时，空间频域采样点之间的间隔为3倍波长，此时反演图像中只有约5°的无混叠成像区域；当采用减缓混叠的阵列布局时，空间频域采样点之间的间隔为1.5倍波长，40°的原始场景都可以无混叠成像。

(2)本发明形成的空间采样点的分布形式保持了常规Y形阵列布局形成的采样点的六边形采样方式，因此依然具有很高的采样效率及快速反演成像算法。

附图说明

图1为规则Y形阵列；

图2为规则Y形阵列形成的空间频域采样点分布；

图3为本发明的抗混叠阵列；

图4为本发明的抗混叠阵列形成的空间频域采样点分布。

图5为一个8mm波段potter喇叭天线的实测方向；

图6为仿真用的原始场景；

图7为采用常规Y形阵列布局，每臂20个天线单元，天线间隔为3倍波长时，对原始场景的仿真成像结果；

图8为采用本发明所述的天线阵列布局，每臂20个天线单元，天线间隔为3倍波长时，对原始场景的仿真成像结果；

图9为本发明所述天线阵列具体实施方式图。

具体实施方式

本发明的减缓混叠的综合孔径辐射计天线阵列的布局方法具体实现如下：

首先，构造规则Y形阵列。规则Y形阵三个相差120°的均匀线性阵列构成，在图9中这三个均匀线性阵列用蓝色实线表示，并分别标记为①、②、③，其中每个均匀线性阵列的天线单元间隔为d。

其次，在①、②、③均匀线性阵列的反向延长线上(在图9中以黑色虚线表示)，与Y形阵列中心相距1.5d的位置处，放置一个与Y形阵列每臂相同大小的一维均匀线性阵列，在图9中分别以④、⑤、⑥表示。

仿真结果表明：本发明考虑到potter喇叭天线的高方向性及低互耦的优点，假设实际的辐射计系统采用potter喇叭天线，其实测方向图如图5所示，其3dB波束宽度约为20°，10dB宽度为40°。辐射计需要成像的原始场景如图6所示，当采用常规Y形阵列布局，每臂20个天线单元，单元间隔为3倍波长时，其仿真成像结果如图7所示；当辐射计采用本发明所述的阵列布局，每臂20个天线单元，单元间隔为3倍波长时，其仿真结果如图8所示。对比图7和图8的仿真结果，可以看出：当采样常规Y形阵列布局时，由于天线单元的间隔太大，即使采用高方向性的potter喇叭天线，反演图像还是会出现很严重的混叠效果，在图7中体现在反演图像四周的亮度值升高，中间可正确成像的区域很小；而当采用本发明所述的天线阵列时，反演图像的混叠程度减小，可成像区域明显扩大。

本发明所述的阵列布局是在规则Y形阵列布局的基础上，通过不断的加入新的天线单元，通过不断的尝试得到的，尝试过程中，需要满足的约束有两个：一是新加入的天线单元与已有天线单元形成的采样点依然要分布在规则六边形上，这便于采用快速傅立叶变换来反演成像。二是最终所形成的天线阵列结构要相对简单，以便于实际应用。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员公知的现有技术。

本领域技术人员可以理解：在不背离本发明广义范围的前提下，可以对上述实施例进行改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例，其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。

Claims (1)

1.一种减缓混叠的8MM波段综合孔径辐射计阵列布局方法，其特征在于：在常规Y形阵列每臂的反向延长线上，与中心天线单元相距1.5倍天线单元间隔的位置处，再布置一个与所述Y形阵列每臂相同大小的均匀线性阵列，使得天线阵列形成的空间频域采样点间隔变为原来的一半，从而达到减缓成像混叠的目的；所述的均匀线性阵列的结构与Y形阵列中每臂的线性阵列结构相同，所述常规Y形阵列由三个相同大小的一维线性阵列构成，臂与臂之间夹角为120度。

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