CN106450703A - 一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列 - Google Patents

一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，所述的圆环天线阵列采用圆环阵列(3)，所述的圆环阵列(3)包括：在同一圆环上以等角距排列的若干个圆弧形子阵(1)，所述的角矩为任意两个相邻的圆弧形子阵之间的夹角，所述的圆弧形子阵(1)上分布有至少两个天线单元(2)，且每一个圆弧形子阵(1)均采用相同结构的天线单元(2)排布。本发明的上述圆环天线阵列利用若干个相同的圆弧型子阵，按照等角距的排列方式，拼接成整体的圆环阵列，提高了系统的可靠性和模块性，同时降低系统的成像周期，进而提高了工作效率。

Description

一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列
技术领域
本发明涉及干涉式微波辐射计天线阵列设计领域，尤其涉及一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列。
背景技术
干涉式微波辐射计，又称综合孔径微波辐射计，将射电天文学中“孔径综合”的思想引入地球遥感领域，近几十年来在星载、机载对地观测中取得成功应用。通过相关接收、空间频率域测量等技术，干涉式微波辐射计可有效解决传统微波辐射计口径有限、空间域机械扫描困难等问题，利用小尺寸天线接收到的信号进行孔径合成，从而获得足够的空间分辨率。在保证成像时间及图像指标的前提下，为尽可能降低系统的复杂度，可利用稀疏天线阵列通过旋转完成分时采样，在牺牲时间分辨率的前提下降低系统成本，从而用相对简单的系统获得较高空间分辨率的图像。
对于干涉式微波辐射计系统设计，天线阵列的排列优化是一项关键技术。天线阵列的排布决定了可见度函数的采样分布，而可见度函数采样分布情况对图像的重建质量有很大影响。对于一维干涉式微波辐射计而言，其天线阵列为一维线阵(参考文献：吴季、阎敬业等，一维综合孔径微波辐射计，中国专利，申请号：200720169818.1，授权号：CN201138358Y)，阵列的排列优化简单，目前已有“贪心迭代算法”、“循环差集算法”、“蚁群优化算法”等方法对一维干涉式微波辐射计天线阵列的设计问题，针对最小冗余的优化目标，给出最优的排列方案。
对于二维干涉式微波辐射计，其常用的天线阵列有Y型阵列，圆环阵列(参考文献：C.Zhang,H.Liu,J.Wu,et al.Imaging Analysis and First Results of theGeostationary Interferometric Microwave Sounder Demonstrator:IEEETRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,2015,Volume 53,No.1,pp.207-218.)等设计。其中圆环阵列由于其旋转对称性等特点，其在稀疏阵列旋转分时采样二维干涉式微波辐射计的应用中更具有优势。圆环阵列旋转分时采样二维干涉式微波辐射计，其天线单元将在一个二维圆环上进行排布。而当天线数目较多，阵列规模较大时，天线阵列的排列优化问题将变得非常复杂。对于普通的最小冗余排布方法，即在整个圆环上自由排布以追求最小冗余的天线排布方案，其天线排布设计将变得非常复杂，不利于整体系统的模块化管理；并且系统必须经过半圈的旋转采样完成对一幅图像可见度函数的采样，这样系统的成像速率将变得很慢。
发明内容
本发明的目的在于，为简化上述旋转分时采样稀疏阵列二维干涉式微波辐射计的天线阵列设计问题，从而提出了一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，该圆环天线阵列利用若干个相同的圆弧型子阵，按照等角距的排列方式，拼接成整体的圆环阵列，提高了系统的可靠性和模块性，同时降低系统的成像周期，进而提高了工作效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，所述的圆环天线阵列采用圆环阵列设计，该圆环阵列包括若干个圆弧形子阵。所有圆弧形子阵在一个圆环上以等角距排列，即任意两个相邻圆弧形子阵之间的夹角均相同，构成圆环阵列。所述圆弧形子阵中分布有至少两个天线单元，且每一个圆弧形子阵均采用相同结构的天线单元排布。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的任意两个相邻圆弧形子阵之间的夹角(角距)为β，有β＝2·θ+α；其中，θ表示圆弧形子阵的圆心角，α为所有圆弧形子阵中距离最短的两个天线单元相对于阵列中心点的张角。
作为上述技术方案的进一步改进，所述单个圆弧形子阵内部的天线单元两两构成的基线实现对长度小于等于2R·sin(θ/2)的基线的有效覆盖，即在单个圆弧形子阵内部的天线单元两两构成的基线中，最短基线长度为2R·sin(α/2)，将单个圆弧形子阵内部的天线单元两两构成的基线按照长度进行排列后，使得任意两个相邻的基线的长度差小于等于2R·sin(α/2)。
作为上述技术方案的进一步改进，所述圆环天线阵列以圆环阵列中所有的天线单元两两构成的基线进行干涉测量，其中，长度小于等于2R·sin(θ/2)的基线，由单个圆弧形子阵内部的天线单元两两构成的基线进行干涉测量，长度大于2R·sin(θ/2)的基线，由圆弧形子阵之间的天线单元两两构成的基线进行干涉测量，R表示圆环的半径，θ表示圆弧形子阵的圆心角。
作为上述技术方案的进一步改进，所述干涉式微波辐射计圆环天线阵列通过旋转分时采样实现的空间频率采样覆盖情况，与半径为R、任意两个相邻的天线单元张角为α的圆环满阵的空间频率域采样覆盖情况相同；所述半径为R、任意两个相邻的天线单元张角为α的圆环满阵，即指在半径为R的圆环上，按照角间距为α的方式在360°圆周角上进行天线单元排布的圆环阵列。
作为上述技术方案的进一步改进，所述圆环阵列通过旋转分时采样实现所有基线的测量，圆环阵列每旋转β度，完成一次对目标图像的测量。
本发明的一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列优点在于：
(1)本发明提供的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，将二维圆环天线阵列设计问题简化为圆弧子阵天线阵列设计问题，极大的简化了阵列设计的难度。
(2)本发明提供的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其整体天线阵列由若干个相同的圆弧形子阵组成，使得天线阵列具有很强的模块性，天线阵列的加工制造可分解为若干个相同模块的制造，从而降低了天线阵列的加工制造难度与维护难度。
(3)本发明提供的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，增强了系统的可靠性，由于所有圆弧形子阵的结构均相同，因此所有的天线单元在阵列中均具有冗余备份，使得系统的可靠性不依赖于任一单元。
(4)本发明提供的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，阵列每旋转β度，完成一次对目标图像的测量，由于β＜180°，因此该设计可降低系统成像时间，提升了系统的成像速率，进而提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明的一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列的结构示意图。
图2为图1中示出的圆环天线阵列瞬时空间频率域覆盖情况示意图。
图3为图1中示出的圆环天线阵列一个完整成像周期的空间频率域覆盖情况示意图。
图4为图1中示出的圆环天线阵列基线长度的排布情况示意图。
图5为图1中示出的圆环天线阵列基线冗余的排布情况示意图。
附图标识：
1、圆弧形子阵 2、天线单元 3、圆环阵列
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，所述的圆环天线阵列采用圆环阵列3，该圆环阵列3包括若干个圆弧形子阵1。所有圆弧形子阵1在一个圆环上以等角距排列，构成圆环阵列，所述的角矩为任意两个相邻的圆弧形子阵1之间的夹角。所述的圆弧形子阵1上分布有至少两个天线单元2，且每一个圆弧形子阵1均采用相同结构的天线单元2排布。
基于上述结构的圆环天线阵列，所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其圆环阵列3的半径为R，其阵列中心为点O，使得圆环阵列3中所有天线单元2均位于圆心为O，半径为R的圆环上。
所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其圆弧形子阵1的形状是：半径为R，圆心角为θ的一段圆弧。所有圆弧形子阵1的圆心与圆环阵列3的阵列中心点O重合，所有圆弧形子阵1的半径等于圆环阵列3的半径R。各圆弧形子阵1中天线单元2的数目相同。每个圆弧形子阵1中均采用相同结构的天线单元2排布设计。所有圆弧形子阵1在圆环阵列3中采用等角距排列，即任意两个相邻圆弧形子阵1之间的夹角均相同，相邻圆弧形子阵1之间的夹角为β，有β＝2·θ+α。其中，θ表示圆弧形子阵1的圆心角，α为所有圆弧形子阵1中距离最短的两个天线单元2相对于阵列中心点O的张角。
所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其以圆环阵列中所有的天线单元两两构成的基线进行干涉测量，其中，长度小于等于2R·sin(θ/2)的基线，由单个圆弧形子阵1内部的天线单元2两两构成的基线进行干涉测量实现，长度大于2R·sin(θ/2)的基线，由圆弧形子阵1之间的天线单元2两两构成的基线进行干涉测量实现，R表示圆环的半径，θ表示圆弧形子阵1的圆心角，且圆环阵列3通过旋转分时采样实现所有基线的测量，圆环阵列3每旋转β度，完成一次对目标图像的测量。
另外，所述单个圆弧形子阵1内部的天线单元2两两构成的基线能够实现对长度小于等于2R·sin(θ/2)的基线的有效覆盖，即在单个圆弧形子阵1内部的天线单元2两两构成的基线中，最短基线长度为2R·sin(α/2)，将单个圆弧形子阵1内部的天线单元2两两构成的基线按照长度进行排列后，使得任意两个相邻的基线的长度差小于等于2R·sin(α/2)。
基于上述结构的圆环天线阵列，该圆环天线阵列经旋转分时采样后，对空间频率域的覆盖情况，与半径为R、任意两个相邻的天线单元2张角为α的圆环满阵对空间频率域的覆盖相同。所述的半径为R、任意两个相邻的天线单元张角为α的圆环满阵，即指在半径为R的圆环上，按照角间距为α的方式在360°圆周角上进行天线单元排布的圆环阵列。
综上所述，本发明是在我们早期提出的圆环天线阵干涉式辐射计的基础上(参考文献：吴季、刘浩等，一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，中国专利，申请号：201110163880.0，授权号：CN102253387B)，提出了一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，在该圆环天线阵列中，利用若干个相同的圆弧形子阵组成整体的圆环阵列，将二维圆环天线阵列设计问题简化为圆弧子阵天线阵列设计问题，从而大大降低了二维天线阵列设计的复杂性。同时利用该设计，增强了系统的可靠性和模块化特性，降低了阵列结构的实现难度与维护难度，并提升了系统的成像速率。
实施例一：
本实施例针对一种适用于地球同步轨道对地观测的干涉式微波辐射计，采用上述基于循环子阵结构进行天线阵列设计。利用本实施例，可以在地球同步轨道上(约36000Km)上对地球大气以优于50Km的空间分辨率在53GHz频段进行成像观测。
本实施例中的天线阵列如图1所示，阵列中所有天线单元均工作在53GHz，阵列直径为600λ，阵列最短基线约3.2λ。该阵列为旋转分时采样圆环阵列，在一次采样积分周期内阵列转动角度为1°。其圆环阵列3可分割为8个圆弧形子阵1。每个圆弧形子阵1均具有相同的结构,每个圆弧形子阵1中均分布有10个天线单元2。其中，以圆弧形子阵中最左边两个天线单元构成阵列最短基线，其相对阵列中心的张角为α。圆弧形子阵中10个天线单元的位置按照最小冗余的优化原则进行设计，10个天线单元的位置相对于圆弧形子阵最左侧天线单元的张角依次为[0,α,3α,6α,13α,20α,27α,31α,35α,36α]。圆弧形子阵其相对阵列中心的张角为θ＝36α，相邻圆弧形子阵之间的夹角为β，有β＝2·θ+α＝73α。
根据传统的圆环天线阵列设计方法，需利用模拟退火等算法根据最小冗余等优化原则在整个二维圆环上完成天线阵列的排布，其运算过程复杂并且耗时很长。而本实施例中的二维干涉式微波辐射计的圆环天线阵列，通过8个一维圆弧形子阵拼接而成，圆弧型子阵内部的天线阵列设计可通过简单的差集思想得到，从而降低了阵列优化设计的难度。其圆环阵列可分为8个相同的圆弧形子阵，从而降低了阵列的加工制造难度，且更易于后期使用的维护。
基于上述结构的天线阵列，在静止时，其空间频率域覆盖情况如图2所示。在阵列转动角度β后，即完成一次成像所需的空间频率域采样，此时其空间频率域覆盖情况如图3所示。在本实施例中，由于圆环阵列包含8个圆弧形子阵，因此可得即阵列每旋转45°，即可得到一次成像。而在现有旋转分时采样干涉式微波辐射计中，天线阵列通常需要旋转180°才可完成一次成像，与现有技术相比，本发明的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列提高了成像速率，进而提高了整个系统的工作效率。
本实施例中的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，阵列以天线单元两两构成的基线进行干涉测量，其非零无冗余基线数目为292条。基线长度排布情况如图4所示，基线冗余排布情况如图5所示。由图5可知，所有基线的冗余数均大于等于8，既所有的天线单元在阵列中均有冗余备份，从而使得系统的可靠性不依赖于任一单元。
本发明提供的上述基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，主要应用于被动干涉式微波成像设备。此外，本发明提供的技术方案同样适用于其它电磁波段的被动遥感成像设备。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其特征在于，所述的圆环天线阵列采用圆环阵列(3)，所述的圆环阵列(3)包括：在同一圆环上以等角距排列的若干个圆弧形子阵(1)，所述的角矩为任意两个相邻的圆弧形子阵之间的夹角，所述的圆弧形子阵(1)上分布有至少两个天线单元(2)，且每一个圆弧形子阵(1)均采用相同结构的天线单元(2)排布。
2.根据权利要求1所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其特征在于，所述的角距为β，β＝2·θ+α；其中，θ表示圆弧形子阵(1)的圆心角，α为所有圆弧形子阵(1)中距离最短的两个天线单元(2)相对于阵列中心点的张角。
3.根据权利要求2所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其特征在于，所述单个圆弧形子阵(1)内部的天线单元(2)两两构成的基线实现对长度小于等于2R·sin(θ/2)的基线的有效覆盖，即在单个圆弧形子阵(1)内部的天线单元(2)两两构成的基线中，最短基线长度为2R·sin(α/2)，将单个圆弧形子阵(1)内部的天线单元(2)两两构成的基线按照长度进行排列后，使得任意两个相邻的基线的长度差小于等于2R·sin(α/2)。
4.根据权利要求2所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其特征在于，所述圆环天线阵列以圆环阵列(3)中所有的天线单元(2)两两构成的基线进行干涉测量，其中，长度小于等于2R·sin(θ/2)的基线，由单个圆弧形子阵(1)内部的天线单元(2)两两构成的基线进行干涉测量，长度大于2R·sin(θ/2)的基线，由圆弧形子阵(1)之间的天线单元(2)两两构成的基线进行干涉测量，R表示圆环的半径，θ表示圆弧形子阵(1)的圆心角。
5.根据权利要求2所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其特征在于，所述干涉式微波辐射计圆环天线阵列通过旋转分时采样实现的空间频率采样覆盖情况，与半径为R、任意两个相邻的天线单元(2)张角为α的圆环满阵的空间频率域采样覆盖情况相同；所述半径为R、任意两个相邻的天线单元(2)张角为α的圆环满阵，即指在半径为R的圆环上，按照角间距为α的方式在360°圆周角上进行天线单元排布的圆环阵列。
6.根据权利要求4所述的基于循环子阵的干涉式微波辐射计圆环天线阵列，其特征在于，所述圆环阵列(3)通过旋转分时采样实现所有基线的测量，圆环阵列(3)每旋转β度，完成一次对目标图像的测量。
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