CN102608599A - 一种超宽带多发多收阵列配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于等效协同阵原理的超宽带多发多收阵列配置方法。技术方案是：首先，根据给定的成像分辨率和余瓣、栅瓣指标设计满足要求的均匀间隔协同阵，确定等效协同阵的孔径长度；然后计算协同阵阵元个数；再根据发射和接收阵元的数量，计算接收阵元的个数；最后，计算阵列中发射阵元和接收阵元的位置。本发明可根据成像方位向分辨率和栅瓣、余瓣水平要求有效地优化配置等幅加权阵列，具有理论分析结果与成像结果一致度高的特点。

Description

一种超宽带多发多收阵列配置方法

技术领域

本发明属于超宽带雷达成像技术领域，是一种超宽带多发多收一维阵列配置方法。

背景技术

超宽带雷达成像与多发多收阵列技术相结合，可以有效地减少天线阵元个数，简化系统结构。对于相对带宽大于25％的超宽带信号，由于存在一些特殊的性质，其阵列设计不同于常规窄带阵列，在不同的应用场合需要设计恰当的阵列配置形式以满足成像要求。多发多收阵列配置就是根据成像要求设计发射、接收阵元个数以及阵元位置分布。而在超宽带条件下，阵列的拓扑结构、阵元数量及发射信号的形式都会影响阵列配置的结果，进而影响成像质量、参数估计和目标检测等后续处理，所以需要综合考虑信号形式及阵列自身对最后成像结果的影响。

阵列配置是超宽带雷达成像中的关键技术。为了优化阵列配置，常用的方法是根据发射信号的中心频率优化设计阵列方向图。这种方法没有有效考虑超宽带信号对配置结果的影响，最终的阵列配置与要求指标存在一定的差距，主要表现在：一是根据所配置阵列得到的成像图的分辨率、旁瓣水平与要求指标不一致；二是不能有效设计稀疏阵列。

发明内容

本发明提供一种基于等效协同阵原理的超宽带多发多收一维阵列配置方法，可根据成像方位向分辨率和栅瓣、余瓣水平要求有效地优化配置阵列，使配置的阵列完全满足设计的性能特点。

本发明的基本思路是：首先，根据给定的成像分辨率和余瓣、栅瓣指标设计满足要求的均匀间隔协同阵，然后根据发射和接收阵元的数量设计与协同阵等效的多发多收阵列。

本发明的技术方案包括以下处理步骤：

已知成像所要求的垂射方向角分辨率Δθ、最大余瓣水平RLs和最大栅瓣水平GLs、信号中心频率f_c、带宽B以及发射阵元个数N_t。

第一步，确定等效协同阵的孔径长度

根据垂射方向角分辨率Δθ、信号中心频率f_c和带宽B计算得到协同阵孔径长度为

$L=\frac{2C}{\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ\θ}}\sqrt{\frac{1-\sqrt{2}/2}{({f_c}^2/+6{+B}^2/48)}}---\left(1\right)$

其中C为电磁波传播速度。

第二步，计算协同阵阵元个数

协同阵阵元个数N的取值为同时满足条件1和条件2：

条件1： $N\≥\max (\frac{1}{\mathrm{RLs}},\frac{f_c+B/2}{\mathrm{GLs}\·B});$

条件2：N是N_t的整数倍。

第三步，计算接收阵元的个数

利用下式计算接收阵元个数为N_r：

N_r＝N/N_t。

第四步，计算阵列的阵元位置

利用下式计算接收阵元个数为N_r：

N_r＝N/N_t

计算发射阵元和接收阵元的位置如下：

$d_t\left(m\right)=(m-\frac{N_t+1}{2})\frac{N_r\·L}{N_t\·N_r-1}$ (2)

$d_r\left(n\right)=(n-\frac{N_r+1}{2})\frac{L}{N_t\·N_r-1}$

其中d_t(m)为第m个发射阵元与阵列中心的距离，其中m＝1，2，L，N_t；d_r(n)为第n个接收阵元与阵列中心的距离，其中n＝1，2，L，N_r。由此得到的发射、接收阵元位置即最后阵列配置的结果。

本发明的有益效果：本发明通过配置发射、接收阵元个数与阵元位置分布得到合适的多发多收一维阵列，技术方案的第一步实现成像对分辨率的要求，第二步实现成像对栅瓣和余瓣的要求。所得到的阵列配置有效地利用了超宽带信号的特性，最终根据第四步配置的阵元间距不局限于传统窄带阵列阵元间距限制，可在满足成像要求的前提下实现阵列的稀疏化，从而减少阵元数量，简化系统结构。

附图说明

图1为本发明处理流程示意图；

图2为多发多收一维阵列与对应协同阵的示意图；

图3为实例中所配置的多发多收一维阵列与对应协同阵的示意图；

图4是图3所配置阵列的峰值幅度方向图；

图5是利用图3所配置阵列进行仿真成像的结果。

具体实施方式

本发明提出的超宽带多发多收一维阵列配置方法分为三步，如图1所示，包括三个步骤：第一步，确定等效协同阵的孔径长度；第二步，计算协同阵阵元个数；第三步，计算接收阵元的个数；第四步，计算阵列的阵元位置。

图2为多发多收一维阵列与对应协同阵的示意图。其中，(a)是多发多收一维阵列阵元分布，“*”代表发射阵元，“o”代表接收阵元；(b)是等效的协同阵，“·”代表协同阵阵元。

下面结合一个实例对本发明做进一步解释。

对于一个有2个发射阵元的多发多收阵列，发射步进频率信号，频率为1.5GHz～2.5GHz，步进频率间隔2MHz，用本发明配置多发多收一维阵列以满足垂射方向角分辨率为1°，栅瓣小于-20dB，余瓣小于-20dB的要求。

按下面步骤实施：

根据要求，垂射方向角分辨率Δθ＝1·π/180，最大余瓣水平RLs＝-20dB＝0.1，最大栅瓣水平GLs＝-20dB＝0.1；发射信号中心频率f_c＝2GHz，带宽B＝1GHz；发射阵元个数N_t＝2。

第一步，计算和协同阵孔径长度

得到L＝7.14米；

第二步，计算协同阵阵元个数。

超宽带阵列时域波束形成的余瓣水平RL＝1/N，所以对于要求的余瓣水平RLs，阵元个数需要满足N≥1/RLs，得到N≥10；栅瓣幅度的最大值为

所以对于要求的栅瓣幅度GLs，阵元个数需要满足得到N≥25。最终的协同阵阵元个数N的取值满足

即N≥max(10，25)；并且满足N是N_t的整数倍，所以N满足要求的最小值为N＝26。

第三步，计算接收阵元的个数。

利用下式计算接收阵元个数为：N_r＝N/N_t＝26/2＝13。

第四步，计算阵列的阵元位置。

根据(2)式计算出等效的多发多收一维阵列阵元位置分布，即得到阵列配置结果。以阵列中心为一维坐标轴的坐标原点，两个发射阵元位置分别为-1.856，1.856，13个接收阵元位置分别为-1.714，-1.428，-1.142，-0.857，-0.571，-0.286，0，0.286，0.571，0.857，1.142，1.428，1.714，阵元位置单位均是米，发射、接收阵元及等效协同阵阵元位置分布如图3所示。图3中各种符号代表的含义与图2中相同。

图4是图3所配置阵列的峰值幅度方向图，从图中可以看出角分辨率为1°，栅瓣水平小于-20dB，余瓣水平小于-20dB，与要求指标一致。

图5是利用图3所配置阵列进行仿真成像的结果，(a)为整个观测区域的图像；(b)为局部放大图。点目标位于(0，105)，单位是米，从图中可以看出，栅瓣和余瓣水平都小于-20dB，计算出方位向角分辨率为

与要求指标一致。

以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，本发明中针对的一维阵列还可以扩展为二维面阵。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种超宽带多发多收阵列配置方法，应用于一维阵列，其特征在于，包括以下处理步骤：

已知成像所要求的垂射方向角分辨率Δθ、最大余瓣水平RLs和最大栅瓣水平GLs、信号中心频率f_c、带宽B以及发射阵元个数N_t；

第一步，确定等效协同阵的孔径长度；

根据垂射方向角分辨率Δθ、信号中心频率f_c和带宽B计算得到协同阵孔径长度L为：

$L=\frac{2C}{\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ\θ}}\sqrt{\frac{1-\sqrt{2}/2}{({f_c}^2/+6{+B}^2/48)}},$

其中C为电磁波传播速度；

第二步，计算协同阵阵元个数；

协同阵阵元个数N的取值为同时满足条件一和条件二：

条件一： $N\≥\max (\frac{1}{\mathrm{RLs}},\frac{f_c+B/2}{\mathrm{GLs}\·B});$

条件二：N是N_t的整数倍；

第三步，计算接收阵元的个数；

利用下式计算接收阵元个数为N_r：

N_r＝N/N_r；

第四步，计算阵列的阵元位置；

利用下式计算接收阵元个数为N_r：

N_r＝N/N_r

计算发射阵元和接收阵元的位置如下：

$d_t\left(m\right)=(m-\frac{N_t+1}{2})\frac{N_r\·L}{N_t\·N_r-1}$

$d_r\left(n\right)=(n-\frac{N_r+1}{2})\frac{L}{N_t\·N_r-1};$

其中，d_t(m)为第m个发射阵元与阵列中心的距离，m＝1，2，L，N_t；d_r(n)为第n个接收阵元与阵列中心的距离，n＝1，2，L，N_r。

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