CN106093882B - 环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计阵列排布方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计天线阵列排布方法：首先，对待放置天线阵列的平面进行正三角形栅格化，获得多个正三角形栅格；然后，选择任意一个正三角形栅格中的任意一个顶点为圆心O，根据待放置的天线单元个数n和圆的半径r0获得半径r1和r2；接着，以圆心O为圆心，分别以r1和r2为半径获得两个同心圆；接着，设置在所述两同心圆所夹的范围内且在正三角形栅格顶点处的位置为待放置天线单元的候选位置，通过优化目标函数从所述候选位置中获得n个位置作为放置天线单元的位置；最后，将天线单元设置在所述位置后形成所需的天线阵列。本发明可获取规则的空间频率域采样，更利于降低反演算法的计算复杂度及反演图像质量的提高。

Description

环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计阵列排布方法
技术领域
本发明属于微波遥感及探测技术领域，更具体地，涉及一种环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计阵列排布方法。
背景技术
干涉孔径综合技术已经广泛应用于射电天文和地球遥感领域。该技术采用稀疏小口径天线阵列和相关接收等技术获得“合成”孔径，与实孔径技术相比，在一定程度上解决了承载平台空间对微波辐射计尺寸约束问题，这一点在星载平台上尤为明显。经典的天线阵列排布形式有Y型、均匀圆环型等形式。Y型阵列对应规则的正六边形栅格空间频率域采样，易进行六边形快速反傅里叶变换，可其排布方式决定其没有较为完整的空间供其他仪器使用；均匀圆环阵虽有共形优势(有较为完整的空间供其他仪器使用)，但其对应不规则的空间频率域采样，以致不易使用反傅里叶变换，而需使用更为复杂的反演方法。
发明内容
针对现有的圆环天线阵列(Circular Array)不易进行六边形快速反傅里叶变换和Y型阵列没有共形优势的情况，本发明提出一种新的天线阵列排布方法，一方面它可以与平台实现共形，另一方面可以形成规则的空间频率域采样，因而有利于降低反演算法的计算复杂度及反演图像质量的提高。
本发明提供了一种环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计天线阵列排布方法，包括以下步骤：
S1：对待放置天线阵列的平面进行正三角形栅格化，获得多个正三角形栅格；
S2：在任意一个正三角形栅格中任意选择一个顶点作为圆心O；
并根据待放置的天线单元的个数n和圆的半径r0获得第一半径r1和第二半径r2；
S3：以所述圆心O为圆心，分别以所述第一半径r1和第二半径r2为半径获得第一同心圆和第二同心圆；
设置在所述第一同心圆与所述第二同心圆之间所夹的范围内且在正三角形栅格的顶点处的位置为待放置天线单元的候选位置，并通过优化目标函数从所述候选位置中获得n个位置作为放置天线单元的位置；
S4：将天线单元设置在所述位置后形成了所需的天线阵列。
更进一步地，在步骤S1中，所述正三角形栅格的边长n为待放置的天线单元的个数，n为大于等于2的正整数，r0为圆的半径，fix[·]表示向零取整。
更进一步地，在步骤S3中，所述第一半径所述第二半径fix[·]表示向零取整。
更进一步地，通过获得优化目标函数的极大值来从所述候选位置中获得n个位置作为放置天线单元的位置。
更进一步地，在步骤S3中，优化目标函数或过程的约束条件是形成的天线阵列所对应的空间频率域采样的“内部正六边形”不存在缺失的空间频率域采样点。形成的天线阵列所对应空间频率域采样的“内部正六边形”与拥有相同或相近单元天线个数的正三角形阵所对应空间频率域采样的“正六边形”是一致的。
更进一步地，在步骤S3中，因根据目标函数或的极大值来选取阵列单元天线位置，其中与辐射计灵敏度相关，而Nsam的大小决定空间频率域采样范围的大小，所以形成的天线阵列拥有最高的灵敏度或最大的空间频率域采样(因与Nsam这两个目标不一定能同时达到最大值)。不同的是，若采用目标函数则优化过程侧重辐射计灵敏度，即优化结果一定使天线阵列拥有最高的灵敏度，但不一定拥有最大的空间频率域采样范围；若采用目标函数则优化过程侧重空间频率域采样范围，即优化结果一定使天线阵列拥有最大的空间频率域采样范围，但不一定拥有最高的灵敏度。补充说明，空间频率域采样范围越大，反演图像含有更多的像素点，从而展示图像更多内容；辐射计灵敏度越高，反演图像清晰程度越高。
同时，拥有相同目标函数值的天线阵列排布可能不同，即目标函数不是自变量的单调函数。
补充说明，在平面上n个不同位置处各放置1根阵列单元天线，从中任选2根阵列单元天线，其中天线1的位置坐标为(x1,y1)，天线2的位置坐标为(x2,y2)，则它们在平面的相对位置为(u12,v12)(u12＝x2-x1,v12＝y2-y1),(u12,v12)对应一个空间频率域采样点，Nsam表示空间频率域采样点总数；显然，对于不同的2对天线，它们的相对位置可能一样，即对应于同一个空间频率域采样点。ri表示第i个空间频率域采样点对应的所有天线对个数。
本发明以均匀圆环天线阵(Uniform Circular Array，简称UCA)为基础，通过优化目标函数以获取其极大值的过程，在栅格化的平面内、均匀圆环阵(UCA)附近栅格顶点处选择阵列单元天线位置，进而形成天线阵列，得到规则的空间频率域采样。
附图说明
图1是正三角形阵以及对应的空间频率域采样，其中(a)为正三角形阵列；(b)为正三角形阵列对应的空间频率域采样；
图2是本发明实施例的图形解释说明，圆点表示均匀圆环阵(UCA)所对应的39根天线排布位置，方框表示环状六边形栅格阵(CHLA)所对应的39根天线排布位置；
图3是利用差分进化算法获取的环状六边形栅格阵(CHLA)对应39根天线阵列的空间频率域采样。
图4是均匀圆环阵(UCA)对应39根天线阵列的空间频率域采样。
图5是地球场景图像。
图6是利用环状六边形栅格阵(CHLA)反演的地球图像。
图7是利用均匀圆环阵(UCA)反演的地球图像，(a)为使用Tikhonov方法反演出的图像；(b)为使用NUFFT方法反演出的图像；(c)为使用TSVD方法反演出的图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现上述目的，本发明提供一种环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计阵列排布方法(名为“环状六边形栅格阵”——Circular Hexagonal Lattice Array，简称CHLA)，包括下述步骤：
S1：对待放置天线阵列的平面进行正三角形栅格化，如图2所示；
S2：确定待排布的阵列单元天线个数n、和圆心O(在某一栅格顶点处)及圆的半径r0，如图2所示；
S3：在步骤S2基础上作两同心圆，半径分别为r1、r2，在这两同心圆所夹范围内，栅格顶点处为候选阵列单元天线位置，通过优化目标函数以获取其极大值的过程，在候选点中选出n个位置为阵列单元天线位置，将阵列单元天线安放于这些位置，形成所需天线阵列，如图2所示。
其中，fix[·]表示向零取整。
其中，在步骤S1中，正三角形栅格边长由步骤S2中的单元天线个数n及所述圆的半径r0确定，即栅格边长
其中，在步骤S3中，是通过优化目标函数或以获取其极大值的过程，在候选点中选取阵列单元天线位置，本实例是利用已有算法(差分进化算法)获取目标函数最大值。
为了进一步说明实施例，本发明运用差分进化算法来排布天线阵列，该算法属于进化优化技术，是具有鲁棒性的高效算法，并且被成功运用于许多工程问题。图3展示利用差分进化算法得出的对应于39根单元天线的环状六边形栅格阵(CHLA)的空间频率域采样，图4展示对应于39根单元天线均匀圆环阵(UCA)的空间频率域采样。
为了更进一步说明环状六边形栅格阵(CHLA)的性能，本实例通过环状六边形栅格阵(CHLA)与均匀圆环阵(UCA)对图5的地球场景图像反演清晰程度说明。在微波探测与遥感领域，反演图像的清晰程度是衡量反演效果的一个重要指标，为后续从图像中提取所需信息提供有利帮助。考虑实际接收到的空间频率域采样存在误差，仿真对图5的地球场景增加100k的接收机本底噪声后进行反演。
图6是环状六边形栅格阵(CHLA)直接利用反傅里叶变换的反演图像(因其具有规则的空间频率域采样)，环状六边形栅格阵(CHLA)反演图像能够分辨出陆地与海洋(浅颜色为陆地，深颜色为海洋)；图7是均匀圆环阵(UCA)分别用Tikhonov、NUFFT、TSVD方法反演的图像(因均匀圆环阵对应非规则空间频率域采样，不能直接利用反傅里叶变换)，通过与图5的比较，均匀圆环阵(UCA)反演图像不能分辨出陆地与海洋。同时，本实例运用MATLAB软件进行反演，环状六边形栅格阵(CHLA)用反傅里叶变换反演用时0.32秒，均匀圆环阵(UCA)用Tikhonov、NUFFT、TSVD方法反演用时分别为7.7秒、6.6秒和5.8秒，因而环状六边形栅格阵(CHLA)反演所需时间更少。
在本发明实施例中，反演成像接收的不是直接的“图像信号”，是“空间频率域采样信号”，通过“空间频率域采样信号”“反演”出所需的“图像信号”。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种环状基于正三角栅格的综合孔径辐射计天线阵列排布方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对待放置天线阵列的平面进行正三角形栅格化，获得多个正三角形栅格；
S2：在任意一个正三角形栅格中任意选择一个顶点作为圆心O；
并根据待放置的天线单元的个数n和待放置的天线均匀布置形成的阵列圆的半径r0获得第一半径r1和第二半径r2；
S3：以所述圆心O为圆心，分别以所述第一半径r1和第二半径r2为半径获得第一同心圆和第二同心圆；
设置在所述第一同心圆与所述第二同心圆之间所夹的范围内且在正三角形栅格的顶点处的位置为待放置天线单元的候选位置，并通过优化目标函数从所述候选位置中获得n个位置作为放置天线单元的位置；
S4：将天线单元设置在所述位置后形成了所需的天线阵列。
2.如权利要求1所述的综合孔径辐射计天线阵列排布方法，其特征在于，在步骤S1中，所述正三角形栅格的边长n为待放置的天线单元的个数，n为大于等于2的正整数，r0为圆的半径，fix[·]表示向零取整。
3.如权利要求1或2所述的综合孔径辐射计天线阵列排布方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第一半径所述第二半径 fix[·]表示向零取整。
4.如权利要求1或2所述的综合孔径辐射计天线阵列排布方法，其特征在于，通过获得优化目标函数的极大值来从所述候选位置中获得n个位置作为放置天线单元的位置。
5.如权利要求4所述的综合孔径辐射计天线阵列排布方法，其特征在于，所述优化目标函数或其中，i为空间频率域采样点的序号，i从1到Nsam，Nsam为空间频率域采样点的数目，ri为第i个空间频率域采样点对应的所有天线对个数。
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