CN105785362B - 一种三维成像雷达二维稀疏阵列的低栅瓣配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的三维成像雷达二维稀疏阵列的低栅瓣配置方法，其具有多个旋臂，能够抑制稀疏阵列引起的强栅瓣，提高成像雷达对虚假目标的抑制性能。该方法包括：根据给定的阵元总数确定每个旋臂所包含的阵元数以及总旋臂数Narm；然后根据Fibonacci阵列设计一支旋臂，阵元位置用极坐标(r,θ)表示，其中半径r是阵元序号的平方根的线性函数，阵元的角度θ随阵元序号线性增加；最后将此旋臂绕阵列中心旋转2πk/Narm(k＝1,...,Narm‑1)得到最终的阵列。本发明设计了具有旋转对称结构的多旋臂阵列，这种阵列在任意方向上投影重合的阵元数量都较少，能够很好地解决常规二维阵列配置方法的阵元遮蔽问题，从而得到栅瓣水平更低的方向图，有利于对目标的探测，抑制虚假目标。

Description

一种三维成像雷达二维稀疏阵列的低栅瓣配置方法
技术领域
本发明属于三维成像雷达领域，具体涉及一种可用于二维稀疏阵列配置的方法。
背景技术
为保证一定的方位向分辨率，雷达阵列必具备足够大的尺寸；另一方面，为节省三维成像雷达的成本和加速信号处理，雷达采用较少数量的天线。这样雷达阵列是稀疏的，天线间距大于半个波长，栅瓣将会出现，产生虚假目标，严重影响雷达性能。因此，抑制栅瓣成为稀疏阵列雷达需要迫切解决的问题。
栅瓣由各个天线发射的信号相干叠加形成，因此可以通过阵列配置，设计合适的阵元位置及阵元间距，破坏信号的相干性，达到抑制栅瓣的目的。常用的二维阵列配置方法有矩形阵列和Fibonacci阵列。
一、矩形阵列。
由于矩形阵列结构简单，容易实现，经常用于配置二维阵列。如文献：X.Zhuge andA.Yarovoy,Near-field ultra-wideband imaging with two-dimensional sparse MIMOarray.Proc.The Fourth European Conference on Antennas and Propagation,2010。
然而矩形阵列朝主轴及对角线方向上投影时，重合的天线过多，天线遮蔽效应严重，所得的一维阵列的阵元数较少，不能有效利用天线而产生较强的栅瓣。
二、Fibonacci阵列。
Fibonacci阵列由于阵元角度永不重复，相较于矩形阵列而言并不具备周期性，能够较好地抑制阵元遮蔽效应，具有更低的栅瓣水平。如文献：D.W.Boeringer,Phased arrayincluding a logarithmic spiral lattice of uniformly spaced radiating andreceiver elements.U.S.Patent:6433754,2001。
然而天线不是很多时，阵列并不充分满足Fibonacci阵列的统计特性，在某些方向上可能依旧有较为严重的阵元遮蔽效应，栅瓣水平较高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本发明的技术方案为：提供一种低栅瓣三维成像雷达二维稀疏阵列配置方法，包括多个旋臂，每个旋臂包含多个天线，所述配置方法具体包括以下步骤：
(1)首先根据已有的天线数量计算每个旋臂的天线数NEL以及旋臂的数量Narm；
(2)其次根据Fibonacci阵列设计一支旋臂，令第一个天线位于阵列中央，作为所有旋臂的公共阵元(根据实际情况，阵列中央可以不放置天线，不设置公共阵元)，其它天线根据Fibonacci阵设计；
(3)最后将上述根据Fibonacci阵列设计一支旋臂绕阵列中央旋转2πk/Narm(k＝1,…,Narm-1)得到最终的阵列，实现较低的栅瓣水平。
作为本发明的进一步细化，所述步骤(1)中，天线总数为(NEL-1)Narm+1；
所述步骤(2)中天线的位置用极坐标表示：
其中D表示阵列尺寸，φ是无理数，为一待定参数,在Fibonacci阵列中是黄金比例；
所述步骤(3)将已设计好的一支旋臂旋转2πk/Narm(k＝1,…,Narm-1)，使得旋臂均匀布满整个阵列。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
设计了具有旋转对称性的多旋臂阵列，具有同心圆结构，且任意相邻两圆所围成圆环的面积相等。因栅瓣水平由最强栅瓣决定，旋转对称阵列在任意方向投影所得的一维阵列的结构差异不大，包含较多的阵元，整体栅瓣水平较低，因而能够有效抑制栅瓣。
附图说明
图1是矩形阵列结构图。
图2是Fibonacci阵列结构图。
图3是多旋臂阵列的阵列结构图，方块阵元表示旋臂的一支。
图4是矩形阵列的方向图。
图5是Fibonacci阵列的方向图。
图6是多旋臂阵列的方向图。
图7是矩形阵列的等高方向图。
图8是Fibonacci阵列的等高方向图。
图9是多旋臂阵列的等高方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
本发明提供一种低栅瓣三维成像雷达二维稀疏阵列配置方法，在本次实施中包含36个天线，发射的信号的频率为0.5-3.0GHz,阵列尺寸D＝2m，所述配置方法具体包括以下步骤：
(1)首先根据已有的天线数量计算每个旋臂的天线数NEL以及旋臂的数量Narm；
(2)其次根据Fibonacci阵列设计一支旋臂，令第一个天线位于阵列中央，作为所有旋臂的公共阵元，其它天线根据Fibonacci阵设计；
(3)最后将上述根据Fibonacci阵列设计一支旋臂绕阵列中央旋转2πk/Narm(k＝1,…,Narm-1)得到最终的阵列，实现较低的栅瓣水平。
所述步骤(1)中，天线总数36＝(6-1)×7+1，设置每个旋臂的天线数NEL＝6以及旋臂的数量Narm＝7；
所述步骤(2)中天线的位置用极坐标表示：
其中D表示阵列尺寸，用模拟退火算法对φ选取一个较优值,因整个阵列是φ的以1/Narm为周期的周期函数，仿真时设置φ在0与1/Narm之间，本例中为0.0466；
所述步骤(3)将已设计好的一支旋臂旋转2πk/Narm(k＝1,…,Narm-1)，使得旋臂均匀布满整个阵列。
为便于比较，本例也给了矩形阵列和Fibonacci阵列的结果，其中，图1-3中的矩形阵列尺寸2m×2m，Fibonacci阵列和多旋臂阵列半径为1m。信号的频率为0.5-3.0GHz，因此阵列是稀疏的。图4-6给出了阵列前方10m处的方向图，为了便于观察图4-6，图7-9给出了-3dB和-19dB波束的等高方向图。矩形阵列-3dB波束比其它两个的更窄，这是矩形阵列尺寸更大的缘故。比较-19dB波束可以发现，矩形阵列在主轴及对角线方向上的栅瓣很强，Fibonacci阵列在某些方向上栅瓣较强，而多旋臂阵列的栅瓣水平最低。事实上，三种阵列的栅瓣水平分别为-13.8dB,-16.7dB,-18.6dB。
仿真结果表明，本发明提出的多旋臂阵列具有旋转对称性，使得阵列朝任意方向投影时重合的阵元都较少，抑制了阵元遮蔽效应，得到阵元数量更多的一维阵列，实现了较低的栅瓣水平。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则的内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种低栅瓣三维成像雷达二维稀疏阵列配置方法，其特征在于，包括多个旋臂，每个旋臂包含多个天线，所述配置方法具体包括以下步骤：
(1)首先根据已有的天线数量计算每个旋臂的天线数NEL以及旋臂的数量Narm；
(2)其次根据Fibonacci阵列设计一支旋臂，令第一个天线位于阵列中央，作为所有旋臂的公共阵元，其它天线根据Fibonacci阵列设计；
(3)最后将上述设计的旋臂绕阵列中央旋转2πk/Narm得到最终的阵列，实现较低的栅瓣水平，其中，k＝1,……,Narm-1。
2.根据权利要求1所述的低栅瓣三维成像雷达二维稀疏阵列配置方法，其特征在于，
所述步骤(1)中，天线总数为(NEL-1)Narm+1；
所述步骤(2)中天线的位置用极坐标表示：
其中D表示阵列尺寸，φ是无理数，为一待定参数；
所述步骤(3)将已设计好的一支旋臂旋转2πk/Narm，使得旋臂均匀布满整个阵列，其中，k＝1,……,Narm-1。
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