CN106785488A - 基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法，该设计方法将干涉式微波辐射计的天线阵列划分为若干个稀疏子阵，所有子阵具有相同的物理尺寸，在多频嵌套天线阵列设计中，相同频段的子阵采用相同的天线单元排布设计，不同频段的子阵嵌套排布，形成总的多频天线阵列。本发明的上述设计方法，将传统的以天线单元为单位的天线阵列优化设计简化为以模块化子阵为单位的天线阵列优化设计，极大的简化了阵列设计难度，尤其是简化了多频嵌套天线阵列的优化设计难度。降低了天线阵列的加工制造难度，提高了产品的可靠性。

Description

基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法

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，特别是一种基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法。

背景技术

干涉式微波辐射计的思想来源于射电天文领域的干涉式测量概念。其直接测量的是目标的空间频谱信息，然后再通过傅立叶变换，反演得到目标的亮温信息。在近年来，干涉式微波辐射计在对地观测领域取得了成功应用。

对于干涉式微波辐射计的系统设计，天线阵列排布的优化是一项关键技术。天线阵列的排布直接决定了可见度函数的采样分布，从而直接影响到最终的图像重建质量。由于其测量方式是目标的空间频率域采样，在对扩展目标进行成像观测时(例如对地观测)，特别强调空间频率域采样的连续性，即要求测量基线具有连续性。

对于一维干涉式微波辐射计(吴季、阎敬业等，发明名称：一维综合孔径微波辐射计，中国专利申请号：200720169818.1，授权公布号：CN201138358Y)而言，其阵列排布优化相对简单，通常采用“模拟退火算法”(顾益辉，基于模拟退火算法的综合孔径稀疏天线阵设计，硕士论文，2010)，“循环差集算法”等方法进行一维天线阵列设计，得到最小冗余方案，以利用最少的单元数获得最长测量基线。但在其他某些应用领域，例如星载应用中，也会在最小冗余排布方案的基础上，增加额外的天线单元以满足星载方案的可靠性需求(武林，刘浩等，发明名称：一种一维干涉式微波辐射计的天线阵列设计方法，中国专利申请号：201610518499.4)。

然而，对于多频、多单元嵌套排布的一维综合孔径辐射计，若采用传统的以天线单元为单位的天线阵列优化设计方法，其阵列优化设计难度将大大增加，因为在天线阵列设计过程中不仅要保证各频段天线单元满足稀疏阵列设计要求(基线连续)，而且还要保证各频段的天线单元的物理位置没有干涉，在频段较多(例如三频段以上)、天线单元数量较多的情况下，采用传统方法进行多频嵌套天线阵列优化设计将是几乎不可能完成的任务。

发明内容

本发明的目的在于，为了极大降低多频天线阵列排布的优化设计难度，提供一种针对多频、多天线单元的一维干涉式微波辐射计的天线阵列设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法。该设计方法包括：

步骤1)根据需求确定各频段天线阵列物理长度、最长基线、最短基线及天线阵列内包含的子阵数量，进而确定子阵的物理长度；

步骤2)根据各频段天线阵列最短基线及子阵的物理长度确定子阵内两两天线单元所构成的最长基线数值，并以探测灵敏度所要求的口面系数比和子阵内测量基线连续为条件，设计获得子阵内天线单元的稀疏阵列排布结构；

步骤3)根据各频段天线阵列最长基线确定天线阵列内两两子阵所构成的最长基线数值，并以由子阵形成的测量基线连续为条件，设计获得各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构；

步骤4)步骤4)根据步骤3)中的各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构，整体移动天线阵列的相对位置，同时对各频段子阵位置的干涉情况进行分析，如果各频段之间的子阵均未处于同一物理位置，则将得到不干涉的多频嵌套子阵排布结构作为干涉式微波辐射计天线阵列；若通过移动无法得到不干涉的多频嵌套子阵排布结构，则根据步骤3)重新设计各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构，并重复步骤4)，直到搜索出不干涉的多频嵌套子阵排布结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述子阵的物理长度l为：

l＝L/M

其中，M表示天线阵列内包含的子阵数量，L表示各频段天线阵列物理长度。

本发明的一种基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法优点在于：

(1)本发明提供的天线阵列设计方法，将传统的以天线单元为单位的天线阵列优化设计简化为以模块化子阵为单位的天线阵列优化设计，极大的简化了阵列设计难度，尤其是简化了多频嵌套天线阵列的优化设计难度。

(2)本发明提供的天线阵列设计方法，其整体天线阵列由若干各子阵组成，且同一频段的子阵构成完全一致。天线阵列具有很强的模块性，天线阵列的加工可以以模块为单位进行批量制造，显著降低了天线阵列的加工制造难度，提高了产品的可靠性。

(3)模块化天线阵列允许系统采用模块化天线-接收机一体化设计，显著降低了整体系统的设计难度，缩短了硬件研制周期，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法操作流程图。

图2为本发明中的模块化子阵构成天线阵列的示意图。

图3为本发明中的各频段子阵内天线单元的排布示意图。

图4为利用本发明的设计方法设计完成的多频嵌套模块化阵列排布示意图。

图5为本发明中设计的多频嵌套模块化阵列的各频段非冗余基线分布图。

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模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法，该设计方法将干涉式微波辐射计的天线阵列划分为若干个稀疏子阵，所有子阵具有相同的物理尺寸，在多频嵌套天线阵列设计中，相同频段的子阵采用相同的天线单元排布设计，不同频段的子阵嵌套排布，形成总的多频天线阵列。该方法具体包括：

步骤1)根据系统顶层需求确定各频段天线阵列物理长度L、最长基线U_max及子阵数量M，进而确定子阵物理长度l＝L/M。如图2所示为M个子阵构成的总长为L的天线阵列。

步骤2)根据各频段天线阵列最短基线及子阵物理长度联合确定各频段子阵内两两天线单元所构成的最长基线数值u_max，再基于传统一维干涉式微波辐射计天线阵列优化方法(例如模拟退火算法)，并参考探测灵敏度所要求的口面系数比确定子阵内天线单元的稀疏阵列排布结构，确保子阵内测量基线连续。即首先得到初始的稀疏阵列排布结构，再根据探测灵敏度需求，进一步增加单元数量，形成最终的稀疏阵列排布结构。图3所示为各频段天线阵列子阵内的天线单元排布结构。假设子阵内各天线单元的物理位置为：

Ant＝[x₁,x₂,…x_n]

基线定义为天线两两之间归一化为波长的距离：

若要实现空间频率域的连续采样，则要求测量基线连续，即若将基线分布归一化为最短基线：

u＝u_kj/min(u)

则u需要满足u＝[0,1,2…max(u)]自然数分布，即认为基线连续。

步骤3)根据各频段天线阵列最长基线U_max确定天线阵列内以子阵为单位所构成的最长基线，并基于传统一维干涉式微波辐射计天线阵列优化方法，以由子阵形成的测量基线连续为条件，设计得到各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构；

步骤4)在固定各频段天线阵列内子阵相对位置不变的前提下，根据步骤3)中的各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构，整体调整不同频段天线阵列之间的相对位置：即以不同频段子阵为单位，同时左移或者右移不同频段子阵位置数个整数倍间距(例如初始位置为P＝[0 1 2 4],将其移动数个整数倍间距即为P-m(m为整数)，左移一位即变为P＝[-1 0 1 3],右移一位即便为P＝[1 2 3 5])，同时对各频段子阵位置的干涉情况进行分析(是否有不同频段之间的子阵处于同一物理位置)；若通过调整无法得到不干涉的多频嵌套子阵排布结构，则根据步骤3)重新设计各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构，重复步骤4)，直到输出不干涉的多频嵌套子阵排布结构。图4所示为基于模块化子阵设计方法设计完成的多频嵌套模块化阵列排布结构。

实施例一

在本实施例中，观测频段分别为C波段(6.9GHz)，X波段(10.65GHz)，K波段(18.7GHz)，要求各频段天线阵列最长基线U_max＞350du，最短基线du＜0.6925λ，确定阵列长度为L＝10.248m，子阵长度为l＝0.488m，子阵数量M＝21，各频段子阵最长基线分别为C波段：u_max＝16；X波段：u_max＝26；K波段：u_max＝43。综合考虑基线连续及口面稀疏比的要求确定各频段天线阵列子阵内的天线单元排布结构如图3所示。

同时根据各频段天线阵列最长基线要求，确定各频段天线阵列内以子阵为单位的最长基线：C波段：u′_max＝20；X波段：u′_max＝13；K波段：u′_max＝7。根据子阵最长基线，设计完成的各频段天线阵列内子阵排布结构。再根据步骤4)，在固定各频段天线阵列内子阵相对位置不变的前提下，整体调整不同频段天线阵列之间的相对位置，对各频段之间的子阵位置的干涉情况进行分析，最终设计得到基于模块化子阵设计方法设计完成的多频嵌套模块化阵列排布结构如图4所示。图5所示为各频段非冗余基线分布情况，基线设计结果满足设计需求。

在本实施例中，所述的多频嵌套模块化阵列排布结构的具体设计步骤为：

1)进行各频段子阵内的天线单元排布：

采用模拟退火算法计算得到各频段天线阵列达到各自最长基线要求所需要的天线单元数量及具体的阵列排布结果为：

C波段：Pos_c＝[0 1 2 6 10 13 16]

X波段：Pos_x＝[0 1 4 10 16 18 21 23 25]

K波段：Pos_k＝[0 1 3 6 13 20 27 34 38 42 43]

2)确定各频段天线阵列内子阵数量

根据系统顶层指标需求确定各频段天线阵列内子阵最大间距：

C波段：

X波段：

K波段：

3)根据模拟退火算法及灵敏度需求确定各频段天线阵列内子阵的排布结构：

C波段：Pos′_c＝[0 1 2 6 7 11 17 18 19 20]；

X波段：Pos′_x＝[0 1 2 6 10 13]；

K波段：Pos′_k＝[0 2 4 6 7]；

4)得到初始的阵列嵌套排布为：

C	0	1	2				6	7				11						17	18	19	20
																						X	0	1	2				6	7			10			13
k	0		2		4		6

由上表可知，判断三个频段子阵初始嵌套排布结构存在干涉。为此，将X波段和K波段分别尝试右移数位，直到出现不存在干涉的结果：例如将X波段右移3位，K波段右移5位后的结果为：

C	0	1	2				6	7				11						17	18	19	20
																						X				3	4	5				9				13			16
K						5		7		9		11	12

继续右移K波段3位后的结果为：

C	0	1	2				6	7				11						17	18	19	20
																						X				3	4	5				9				13			16
K									8		10		12		14	15

由上表可知，判断得知此时的三个频段子阵嵌套排布无干涉情况，即以此排布结构作为输出结果。

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 (2)

1.一种基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法，其特征在于，包括：

步骤1)根据需求确定各频段天线阵列物理长度、最长基线、最短基线及天线阵列内包含的子阵数量，进而确定子阵的物理长度；

步骤2)根据各频段天线阵列最短基线及子阵的物理长度确定子阵内两两天线单元所构成的最长基线数值，并以探测灵敏度所要求的口面系数比和子阵内测量基线连续为条件，设计获得子阵内天线单元的稀疏阵列排布结构；

步骤3)根据各频段天线阵列最长基线确定天线阵列内两两子阵所构成的最长基线数值，并以由子阵形成的测量基线连续为条件，设计获得各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构；

步骤4)根据步骤3)中的各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构，整体移动天线阵列的位置，如果各频段之间的子阵均未处于同一物理位置，则将得到不干涉的多频嵌套子阵排布结构作为干涉式微波辐射计天线阵列，否则根据步骤3)重新设计各频段天线阵列内子阵的稀疏阵列排布结构。

2.根据权利要求1所述的基于模块化子阵的干涉式微波辐射计天线阵列的设计方法，其特征在于，所述子阵的物理长度l为：

l＝L/M

其中，M表示天线阵列内包含的子阵数量，L表示各频段天线阵列物理长度。