CN103616667B - 一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法，步骤1：根据成像的预定参数确定所需要成像的等效虚拟阵列阵元的数目及其阵元间隔，设虚拟阵列大小为M行N列，单元间隔为半波长；步骤2：按预定步骤设计初始矩形阵列；步骤3：计算二维阵列相应的等效相位中心误差δ₁；步骤4：将等效相位中心误差δ₁与所设定的等效中心误差δ作比较，若δ₁≤δ则进行步骤6；若反之则进行步骤5；步骤5：在二维阵列的基础上增加发射天线和接收天线按重新设计的步骤设计二维天线阵列；步骤6：阵列设计完成，进行二维或三维成像测试。采用上述方案，与十字形阵列相比能够显著的降低等效相位中心误差和占用空间面积，从而有效对目标进行二维成像。

Description

一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法

技术领域

本发明属于散射成像二维天线排布技术领域，尤其涉及的是一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法。

背景技术

研究和开发安全、有效、低成本的雷达成像技术是当今和未来社会的需要。成像技术能够使我们向内看到自己的身体内部，我们居住地球的内部，向外看到宇宙星空。它降低我们对不见和未知事物的恐惧和不安，增加了我们探索、解决问题的能力。阵列成像技术在成像方面潜力巨大，它有多个发射单元和接收单元，采用开关控制的工作形式，每次只有一对收发天线工作，有效的抑制天线之间的耦合，产生出远远多于实际天线数目的虚拟阵列单元，从而大大的节省阵列的硬件成本和建造难度。

根据单站雷达等效理论，具有一定距离的发射天线和接收天线可以等效为收发天线在其中心处的单站情况，具体等效关系示意图如图1所示。

设某一时刻有一对收发天线工作，照射的目标为p，发射单元1发射电磁波经过路线到达目标p，经p后的散射回波再经过路线被接收单元2接收。根据单站等效理论，等效相位中心3在发射单元与接收单元所在的直线上。发射单元1、接收单元2及目标p构成了一个三角形，等效相位中心3同时在该三角形角p的角平分线上，因此该角平分线与的交点即为所要求的等相位中心。设等效相位中心向量为根据三角形几何对应关系，则与之间有如下关系，公式一：

$p\stackrel{\→}{o}s=\frac{\stackrel{\→}{p}c}{\left(\frac{\left|r\stackrel{\→}{r}x\right|}{\left|r\stackrel{\→}{t}x\right|}+1\right)}$

实际应用中，等效相位中心被认为在发射单元与接收单元的中心处，即当目标距离收发单元较远时，此式近似成立，而在近场当此误差较大时则需要进行相位校准处理。定义等效相位中心误差为，公式二：

$err=\left|p\stackrel{\→}{o}s\right|-\frac{\left|\stackrel{\→}{p}c\right|}{2}$

以十字形天线阵列为例，假设要等效出32×32的虚拟阵列，设计发射天线与接收天线的排列方式(图略)，由32个发射天线和32个接收天线构成，排列在相互垂直的直线上，发射天线和接收天线单元间隔均为一个波长。其相应的等效阵列如图2所示。

由图2可见32发32收的十字形天线阵列可以等效出32*32个等效相位中心。根据公式2计算其相应的等效相位中心误差。天线阵列参数设置如下，工作频率18GHz，相邻发射和接收阵列单元间隔为一个波长，金属点目标位于与阵列平面垂直且过其中心的直线上，距离阵列中心距离为0.6m，以图2所示等效相位中心阵列的中心为坐标原点，过原点的水平直线为x轴，建立直角坐标系，最后计算每个等相位中心误差可知，十字形天线阵列的最大等效相位中心距离误差为0.00542/λ＝0.3265个波长，显然误差过大，将严重影响成像的性能。再看十字形阵列所占用的空间大小，经计算该阵列所占空间面积为480.5λ²。

由上面的分析可见，十字形天线阵列能够等效出标准的等间隔的矩形等效相位中心，满足二维成像技术中要求的等间隔采样，而且其充分利用了天线单元，有效节省了硬件成本，降低了成像数据处理的难度，但是其相应的等效相位中心过大(超过了0.3个波长)，占用空间也较大。

用于散射成像的二维天线阵列的布置方式主要有曲线圆形和交叉十字形。

所谓曲线圆形是指二维阵列的发射天线和接收天线按一定曲线的形式离散的分布在一个标准的圆面，产生的等效相位中心虚拟阵列不等间隔且近似散乱的分布在标准圆内，这就为成像算法带来困难，因为成像需要对采样数据进行FFT变换，要求采样数据必须等间隔的分布，因此需要对曲线圆阵列的采样数据进行插值处理，增大数据处理难度，降低成像精度。

而交叉十字形二维阵列特点基于上述原因，其主要缺点是等效相位中心误差较大，占用空间面积较大，前者降低了成像的分辨率，后者不利于成像系统的小型化。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据成像的预定参数确定所需要成像的等效虚拟阵列阵元的数目及其阵元间隔，设虚拟阵列大小为M行N列，单元间隔为半波长；

步骤2：按预定步骤设计初始矩形阵列；

步骤3：计算二维阵列相应的等效相位中心误差δ₁；

步骤4：将等效相位中心误差δ₁与所设定的等效中心误差δ作比较，若δ₁≤δ则进行步骤6；若反之则进行步骤5；

步骤5：在二维阵列的基础上增加发射天线和接收天线按重新设计的步骤设计二维天线阵列；

步骤6：阵列设计完成，进行二维或三维成像测试；

所述步骤1中，预定参数为成像分辨率或旁瓣电平，所述步骤1中的M，N均为偶数，所述步骤2的预定步骤为：步骤21：将位于矩形四条边上的4个均匀线性阵列，其中一组对边上放置2个发射线性阵列，两个发射线性阵列的个数和阵元间隔相同，另外一组对边上放置2个接收线性阵列，两个接收线性阵列的个数和阵元间隔也相同；步骤22：将发射线性阵列和接收线性阵列的单元间隔设置为完全相同，且均为一个波长，单个发射线性阵列包含M/2个发射天线，单个接收线性阵列包含N/2个发射天线，两个发射线性阵列之间的间隔为N/2个波长，两个接收线性阵列之间的间隔为M/2个波长，所述步骤5中，重新设计的步骤为：设二维阵列已经包含n个完全相同的小矩形阵列，每个小矩形阵列的分布包含两个发射线性阵列和两个接收线性阵列，对每个小矩形阵列进行如下处理：增加一个发射线性阵列和一个接收线性阵列，二者组成相互垂直交叉的十字，放置时要求其中心位置与小矩形中心位置重合，与小矩形阵列组成一个标准的田字形阵列，然后进行步骤3。

采用上述方案，等效相位中心误差小和占用空间面积少，并且在高分辨率成像和节省硬件资源成本等方面有巨大优势，采用本发明设计的天线阵列可以有效的对目标进行二维或三维成像。

附图说明

图1为现有技术中发射天线和接收天线的等效关系示意图。

图2为现有技术中阵列等效相位中心示意图。

图3为本发明矩形式天线阵列的布局一种方式示意图。

图4为本发明矩形式天线阵列的布局另一种方式示意图。

图5为本发明方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明提供一种用于近场散射成像的二维天线阵列的布置方法如下：

步骤1：根据成像的要求参数，如成像分辨率、旁瓣电平等参数确定所需要成像的等效虚拟阵列阵元的数目及其阵元间隔，也就是确定将要等效的虚拟阵列的分布，设虚拟阵列大小为M行N列，单元间隔为半波长。

步骤2：设计初始矩形阵列，具体步骤为：1)设计由位于矩形四条边上的4个均匀线性阵列，其中一组对边上放置2个发射线性阵列，两个发射线性阵列的个数和阵元间隔相同，另外一组对边上放置2个接收线性阵列，两个发射线性阵列的个数和阵元间隔也相同。2)发射线性阵列和接收线性阵列的单元间隔完全相同均为一个波长，单个发射线性阵列包含M/2(N/2)个发射天线，单个接收线性阵列包含N/2(M/2)个发射天线，两个发射线性阵列之间的间隔为N/2(M/2)个波长，两个接收线性阵列之间的间隔为M/2(N/2)个波长。

步骤3：计算所设计二维阵列相应的等效相位中心误差δ₁，计算公式为公式一及公式二。

步骤4：将步骤3得到的等效相位中心误差δ₁与所设定的等效中心误差δ作比较，若δ₁≤δ则进行步骤6，可以进行二维或三维成像了，反之则进行步骤5，重新设计天线阵列。

步骤5：重新设计二维天线阵列，方法是在原来的阵列的基础上增加发射天线和接收天线，具体如下：设进行5步骤之前已经设计的二维阵列已经包含n个完全相同的小矩形阵列，显然每个小矩形阵列分布类似与2步骤中的分布，包含两个发射线性阵列(包含M′/2个发射天线)和包含两个接收线性阵列(包含N′/2个接收天线)，对每个小矩形阵列进行如下处理：增加一个发射线性阵列(与小矩形一边上的发射线性阵列完全一样)和一个接收线性阵列(与小矩形一边上的接收线性阵列完全一样)，二者组成相互垂直交叉的十字，放置时要求其中心位置与小矩形中心位置重合，与小矩形阵列组成一个标准的田字形阵列。然后进行步骤3。

步骤6：阵列已经设计完成，进行二维或三维成像测试。

上述步骤中，步骤2中要求M，N均为偶数。

使用该本发明涉及的方法进行二维天线阵列设计的算例如下：

为便于与十字形平面阵列对比，采用本发明设计一种天线阵列其等效相位中心与图2所示的等效相位中心阵列一样，矩形式天线阵列的布局方案如图3所示：设发射天线10、11与接收天线20、21的排列方式为如图3所示的二维矩形式阵列，由32个发射天线和32个接收天线构成。其相应的等效阵列如图2所示。天线阵列参数设置如下，工作频率18GHz，相邻发射和接收阵列单元间隔为一个波长，金属点目标位于与阵列平面垂直且过其中心的直线上，距离阵列中心距离为0.6m，以图2所示等效相位中心的中心为坐标原点，过原点的水平直线为x轴，建立直角坐标系，最后计算每个等相位中心误差则明显减少。

由此可见，矩形式天线阵列的最大等效相位中心距离误差为0.00128/λ＝0.0771个波长，如果所要求的最大等效相位中心误差大于0.0771个波长，则说明该矩形阵列已经满足设计要求，具备成像测试的前提条件。

该阵列的等效相位中心误差与十字形阵列的相比有了明显的改善，不到其四分之一。与十字形阵列所占用的空间大小作比较，经计算该阵列所占空间面积为256λ²，节省了近一半的空间面积。

如果要求的最大等效相位中心误差小于0.0771个波长，如0.05个波长，使用该方法所设计的二维天线阵列分布设发射天线10、11、12与接收天线20、21、22的排列方式如图4所示相互垂直，天线阵列及目标参数设置与上面一样，计算每个等相位中心误差则明显减少。

可见矩形式天线阵列的最大等效相位中心距离误差为0.0007441/λ＝0.0448个波长，接近图3所示阵列等效相位中心误差的一半，小于所要求的最大等效相位中心误差，而且阵列所占用的空间面积却没有增大，说明该阵列已经满足设计要求可以进行二维成像测试试验了。

下面给出采用该方案的成像效果算例，试验对4个金属点目标进行二维成像，4个点目标的摆放坐标分别为(-0.2，-0.2)、(0.2，0.2)、(0.2，-0.2)、(-0.2，0.2)，与天线阵垂直距离0.6m.成像结果完全可以满足要求。

采用本发明的技术方案：1、在增加天线数量来减小等效相位中心误差时不增加天线阵列的占用面积。2、当等效相位中心误差不满足设定要求需要重新设计天线阵列时，按照步骤5所示的方法。3、当一个等效相位中心对应不止一对收发天线时，通过不同收发天线对的优化组合实现最小的等效相位中心误差。

实施例2

在上述实施例的基础上，进一步说明，一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：根据成像的预定参数确定所需要成像的等效虚拟阵列阵元的数目及其阵元间隔，设虚拟阵列大小为M行N列，单元间隔为半波长；

步骤2：按预定步骤设计初始矩形阵列；

步骤3：计算二维阵列相应的等效相位中心误差δ₁；

步骤4：将等效相位中心误差δ₁与所设定的等效中心误差δ作比较，若δ₁≤δ则进行步骤6；若反之则进行步骤5；

步骤5：在二维阵列的基础上增加发射天线和接收天线按重新设计的步骤设计二维天线阵列；

步骤6：阵列设计完成，进行二维或三维成像测试。

所述步骤1中，预定参数为成像分辨率或旁瓣电平。

进一步而言，所述步骤1中的M，N均为偶数。

所述步骤2的预定步骤为：步骤21：将位于矩形四条边上的4个均匀线性阵列，其中一组对边上放置2个发射线性阵列，两个发射线性阵列的个数和阵元间隔相同，另外一组对边上放置2个接收线性阵列两个发射线性阵列的个数和阵元间隔也相同；步骤22：将发射线性阵列和接收线性阵列的单元间隔设置为完全相同，且均为一个波长，单个发射线性阵列包含M/2(N/2)个发射天线，单个接收线性阵列包含N/2(M/2)个发射天线，两个发射线性阵列之间的间隔为N/2(M/2)个波长，两个接收线性阵列之间的间隔为M/2(N/2)个波长。

所述步骤5中，重新设计的步骤为：设二维阵列已经包含n个完全相同的小矩形阵列，每个小矩形阵列的分布包含两个发射线性阵列和两个接收线性阵列)，对每个小矩形阵列进行如下处理：增加一个发射线性阵列(与小矩形一边上的发射线性阵列完全一样)和一个接收线性阵列(与小矩形一边上的接收线性阵列完全一样)，二者组成相互垂直交叉的十字，放置时要求其中心位置与小矩形中心位置重合，与小矩形阵列组成一个标准的田字形阵列。然后进行步骤3。

上述中，所述两个发射线性阵列为包含M′/2个发射天线的阵列；所述发射线性阵列及所述接收线性阵开设置为相互交叉且相互垂直。

采用上述方案，等效相位中心误差小和占用空间面积少，并且在高分辨率成像和节省硬件资源成本等方面有巨大优势，采用本发明设计的天线阵列可以有效的对目标进行二维或三维成像。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于散射成像的二维天线阵列布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据成像的预定参数确定所需要成像的等效虚拟阵列阵元的数目及其阵元间隔，设虚拟阵列大小为M行N列，单元间隔为半波长；

步骤2：按预定步骤设计初始矩形阵列；

步骤3：计算二维阵列相应的等效相位中心误差δ₁；

步骤4：将等效相位中心误差δ₁与所设定的等效中心误差δ作比较，若δ₁≤δ则进行步骤6；若反之则进行步骤5；

步骤5：在二维阵列的基础上增加发射天线和接收天线按重新设计的步骤设计二维天线阵列；

步骤6：阵列设计完成，进行二维或三维成像测试；

所述步骤1中，预定参数为成像分辨率或旁瓣电平，所述步骤1中的M，N均为偶数，所述步骤2的预定步骤为：步骤21：将位于矩形四条边上的4个均匀线性阵列，其中一组对边上放置2个发射线性阵列，两个发射线性阵列的个数和阵元间隔相同，另外一组对边上放置2个接收线性阵列，两个接收线性阵列的个数和阵元间隔也相同；步骤22：将发射线性阵列和接收线性阵列的单元间隔设置为完全相同，且均为一个波长，单个发射线性阵列包含M/2个发射天线，单个接收线性阵列包含N/2个发射天线，两个发射线性阵列之间的间隔为N/2个波长，两个接收线性阵列之间的间隔为M/2个波长，所述步骤5中，重新设计的步骤为：设二维阵列已经包含n个完全相同的小矩形阵列，每个小矩形阵列的分布包含两个发射线性阵列和两个接收线性阵列，对每个小矩形阵列进行如下处理：增加一个发射线性阵列和一个接收线性阵列，二者组成相互垂直交叉的十字，放置时要求其中心位置与小矩形中心位置重合，与小矩形阵列组成一个标准的田字形阵列，然后进行步骤3。