CN106848555B - 一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线及其应用。包括低损耗介质板、布置在低损耗介质板上的周期结构和布置在低损耗介质板中心区域的馈源，低损耗介质板层叠布置，每块低损耗介质板上多个周期结构均匀间隔均布，随机照射口径天线的工作频率为等离子体频率附近。本发明依据人工介质在等离子体频率附近的特殊色散所具有的频率扫描特性和明显非线性，从而使压缩感知雷达在物理层上实现信息的压缩感知过程，具有结构简单，随机性能良好，天线口径辐射效率高等优点。

Description

一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线及其应用

技术领域

本发明涉及了一种随机照射口径天线，尤其是涉及了一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线及其应用。

背景技术

压缩感知理论在2006年以来被广泛研究，与传统的奈奎斯特采样定理相比，压缩感知方法只需要稀疏采样就可恢复原始信号，从而极大地降低了系统复杂性和信号处理时间。然而实现压缩感知方法的难点在于如何构造一个具有高度随机性的测量矩阵。将压缩感知技术的应用于雷达系统，这类雷达被称之为压缩感知雷达。由于压缩感知理论中的非相关测量过程能够有效地降低传统雷达成像系统的原始数据量，解决系统中超大数据量的采样、储存和传输问题，这将对高分辨率雷达成像产生重大影响。然而目前为止，大多数已有关于压缩感知雷达的研究都主要与算法有关。与其他基于压缩感知技术的应用相似，为了实现对原始信号的高度重建，需要在压缩感知雷达系统中引入随机性。理论上，这种随机性可以通过使用多种不同的方法，例如随机滤波、随机卷积等。

但是上述引入随机性的方法，难以通过硬件简单实现，因而无法大规模应用于实际。从天线的角度来看，这种随机性可以使用通过频率扫描天线或者相控阵天线构造随机照射口径天线来实现，从而使压缩感知雷达在物理层上实现信息的压缩感知过程。相控阵天线通过在时间序列上改变辐射波束，使目标可以在空间上被随机辐射照射来达到稀疏采样的目的。但是，相控阵天线的缺点在于造价昂贵、系统及其复杂。另外，时间域上的相位控制会限制其最终信号处理时间。而频率扫描天线在频率域上随机地改变辐射波束方向来实现空间上的随机辐照，从而避免了时域上的处理延时，尤其适用于对实时性要求高的压缩感知雷达系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线及其应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括低损耗介质板、布置在低损耗介质板上的周期结构和布置在低损耗介质板中心区域的馈源，

具体包括多块低损耗介质板，多块低损耗介质板层叠布置，并且在每块低损耗介质板上多个周期结构均匀间隔分布。

低损耗介质板的低损耗指的是介质损耗角正切小于0.02。

本发明的天线属于磁单轴人工介质结构，在沿天线表面的法向(图中的Z方向)磁导率各向异性。

所述随机照射口径天线的工作频率为等离子体频率附近，具体是指磁导率-频率曲线中在磁导率从0开始向1无限接近的频段中选取从磁导率为0处对应的频率到曲线斜率等于1频率作为工作频率。

所述周期结构为次波长的开路环形谐振器。

所述周期结构印制或者刻蚀在所述低损耗介质板上。

所述馈源采用单极子全向天线。

本发明天线在等离子频率附近的色散所具有明显的非线性。本发明天线的随机性来源于等离子频率附近的特殊色散所具有明显的非线性。

所述随机照射口径天线的出射波波束的角度具有随频率扫描变化的特性。

本发明随机照射口径天线在压缩感知雷达中的应用。

本发明所述的随机照射口径天线的随机性来源如下：

1)所述随机照射口径天线为一种磁单轴人工介质结构，它的相对有效介电常数和磁导率形式为：ε_r＝diag[ε_x，ε_y，ε_z]和μ_r＝diag[μ_x，μ_y，μ_z]。

假定在低损耗介质板法向的z方向上产生磁谐振，色散的等效磁导率满足洛伦兹模型。则磁导率的张量就可以简化为μ_r＝diag[1，1，μ_z]，其中μ_z满足洛伦兹模型：

其中，ω₀，ω_p和γ分别表示谐振频率、等离子频率和阻尼频率。磁导率μ_z与频率的变化关系曲线显示了明显的非线性特性。

2)z轴方向的满足谐振条件，则其中k_z为z方向波矢分量，为介质板表面反射系数的相位，h是介质板的厚度，整数m表示不同的辐射模式。

假定辐射角θ_r定义为孔径法线和自由空间中波矢k₀的夹角角度，表达式如下：

对于每一个θ_r对应了多个频率，则不同辐射角θ_r处区域的电场值为混合了多种辐射模式的总电场，由不同频率、相位和幅度电场的叠加得到。

对于不同的θ_r，其电场的频率、幅度和相位也不同。

因此，θ_r和μ_z之间的关系具有明显的非线性特性。

本发明的有益效果是：

本发明能够使压缩感知雷达在物理层上实现信息的压缩感知过程。

本发明具有结构简单，制备方便，随机性能良好，天线口径辐射效率高等优点。

附图说明

图1是本发明随机照射口径天线示意图。

图2是本发明实施例的辐射场分析模型。

图3是本发明实施例磁导率μ_z与频率的变化关系曲线图。

图4是本发明实施例的不同辐射模式。

图5是本发明实施例的远场电场分布仿真结果。

图6是本发明实施例的测量矩阵自相关仿真结果。

图7是本发明实施例的远场电场分布实测结果。

图8是本发明实施例的测量矩阵自相关实测结果。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。

本发明中的随机照射口径天线为一种磁单轴人工介质结构，它的相对有效介电常数为：ε_r＝diag[ε_x，ε_y，ε_z]，ε_x，ε_y，ε_z分别表示介电常数在x、y、z轴方向上的分量；磁导率形式为：μ_r＝diag[μ_x，μ_y，μ_z]，μ_x，μ_y，μ_z分别表示磁导率在x、y、z轴方向上的分量。其中z轴沿天线表面的法向，x、y轴分别沿天线中周期单元阵列的两个相垂直方向。

该人工介质结构示意图如图，1所示，在多层低损耗介质板上均排列有开口环形谐振器周期结构，这种周期结构可以产生色散的等效磁导率，满足洛伦兹模型。图1左上角显示了亚波长开口环形谐振器的几何形状，开口环形谐振器由两个方向的开口环组成，开口环的开口方向平行且相反。对于这种结构，在z方向上可以产生磁谐振，所以产生等效的色散μ_z，但是对于μ_x和μ_y，由于不会在x和y方向上产生磁谐振，因此可以看作为自由空间的磁导率。因此，如果将线电流源放在x方向上介质板的中心，磁导率的张量就可以简化为μ_r＝diag[1，1，μ_z]，其中μ_z满足洛伦兹模型：

其中，ω₀，ω_p和γ分别表示谐振频率、等离子频率和阻尼频率，i表示复数的虚部。

另外，此结构没有连通的金属柱结构，不会产生色散的等效介电常数，可以认为此结构的等效介电常数为1。该开口环形谐振器磁谐振单元的谐振频率由尺寸决定，并周期性的印刷在低损耗介质板上。

图2为由单极子激励的随机照射口径天线辐射场的分析模型。图3为磁导率μ_z与频率的变化关系曲线，灰色部分显示了强烈的非线性特性。对天线口径进行相位匹配，得到色散方程，如下所示：

其中，k₀为是自由空间中的波矢，k_y和k_z是介质板中y方向和z方向的波矢分量。

如图2所示，当入射波的波矢量k_i沿着色散方程的椭圆曲线移动时，空气中辐射波的波矢量k₀将随频率变化指向不同的方向。由于单极子馈电，在介质板的顶部和底部表面将会发生多次反射，因此，对于不同的k_i和不同的频率存在不同的辐射模式。

若z轴方向的满足谐振条件，则：

其中，为介质板表面反射系数的相位，h是介质板的厚度，整数m表示不同的辐射模式。假定辐射角θ_r定义为孔径法线和波矢k₀的夹角角度，表达式如下：

如图4所示，显示了多种辐射模式中的五种不同阶数的辐射模式。在灰色区域中包含有多种不同辐射模式，对于每一个θ_r对应了多个频率。除了完全满足地谐振条件的频率外，对于一些曲线侧边的频率，也存在较弱振幅的辐射。

因此，如果测量不同辐射角θ_r处区域的电场，那么实际结果是混合了多种辐射模式的总电场，由不同频率、相位和幅度电场的叠加得到。

对于不同的θ_r，其电场的频率、幅度和相位也不同。根据公式(4)可知，θ_r和μ_z之间的关系具有明显非线性特性，同时根据公式(1)可知频率和μ_z的关系也是非线性的，因此上述多种模式混合的电场满足压缩感知雷达的随机性要求。

在压缩感知中，自相关函数可以被用于评估天线口径辐射场的随机性。这种自相关函数也反映了压缩感知方法中测量矩阵的随机性和秩。在不同的实际应用过程中，该矩阵可以通过直接测量观察空间区域的电磁场信息得到。

自相关函数χ(f,r)可以由下式计算：

χ(f,r)＝∫∫H(f',r')·H(f-f',r-r')dr'df' (5)

其中，f和r为工作频率和观察点位置，f′和r′为工作频率和观察点位置的积分变量，H为包含电磁场幅度和相位信息的测量矩阵。

图5所示为随机照射口径天线的远场电场分布仿真结果，清楚地显示了多种辐射模式，该分布符合图4所示的频率选择特性，不同模式的幅度和相位互相叠加，导致观察区域内产生随机变化的复杂电场。采用公式(5)来计算测量矩阵的自相关函数，计算结果如图6所示，该自相关图具有典型的图钉型图案，其中主瓣的1-dB宽度为2.5mm，旁瓣比主瓣低8.2-dB。

实施例制作的随机照射口径天线的金属周期结构印刷在大小为40cm×15cm厚度1mm的介电常数为4.6的FR4基板上，具体尺寸为a＝3.0mm，b＝3.75mm，c＝0.4mm，d＝0.4mm，e＝0.3mm。在x方向上以10mm的周期排列，共15个单元，在y方向上以6mm的周期排列，共82个单元，在z方向上以16mm的周期排列，共9个单元。实际测试在微波暗室中进行，工作频率9-11GHz，在实验样品中放置一个x方向极化的单极子天线作为馈源，单极子长度为中心频率波长的一半。

图7为微波暗室中测量的随机照射口径天线的远场辐射方向图，测量的远场分布与仿真基本一致，由于较低的品质因数，每个辐射模式的波束宽度被拓宽，导致一些相邻的模式混合在一起。

图8为测量矩阵H的自相关函数，与仿真结果相比，主瓣的形状仍为图钉型，1-dB主瓣宽度为1.6mm，具有4-dB的低旁瓣，表明照射区域辐射场具有良好的随机性能。

由此上述实施例可见，本发明依据人工介质在等离子体频率附近的特殊色散所具有的频率扫描特性和明显非线性，从而使压缩感知雷达在物理层上实现信息的压缩感知过程，具有结构简单，随机性能良好，天线口径辐射效率高等其突出显著的技术效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线，其特征在于：包括低损耗介质板、布置在低损耗介质板上的周期结构和布置在低损耗介质板中心区域的馈源，多块低损耗介质板层叠布置，并且在每块低损耗介质板上多个周期结构在x方向和y方向上均匀间隔分布；低损耗介质板的低损耗指的是介质损耗角正切小于0.02；

所述随机照射口径天线的工作频率为等离子体频率附近，具体是指磁导率-频率曲线中在磁导率从0开始向1无限接近的频段中选取从磁导率为0处对应的频率到曲线斜率等于1处对应的频率作为工作频率；

所述周期结构为次波长的开路环形谐振器；开路环形谐振器由两个方向的开口环组成，开口环的开口方向平行且相反；

所述随机照射口径天线的z方向磁导率μ_z满足洛伦兹模型：

其中，ω₀、ω_p和γ分别表示谐振频率、等离子频率和阻尼频率；

辐射角θ_r为孔径法线和自由空间中波矢k₀的夹角角度，表示为：

ε_r＝diag[ε_x，ε_y，ε_z]

μ_r＝diag[μ_x，μ_y，μ_z]

其中，ε_r表示随机照射口径天线的相对有效介电常数，μ_r表示随机照射口径天线的磁导率，h是介质板的厚度，m表示不同的辐射模式，为介质板表面反射系数的相位；ε_x，ε_y，ε_z分别表示介电常数在x、y、z轴方向上的分量，μ_x，μ_y，μ_z分别表示磁导率在x、y、z轴方向上的分量；其中z轴沿天线表面的法向，x、y轴分别沿天线中周期单元阵列的两个相垂直方向。

2.根据权利要求1所述的一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线，其特征在于：包括多块低损耗介质板，多块低损耗介质板层叠布置，并且在每块低损耗介质板上多个周期结构均匀间隔分布。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线，其特征在于：所述馈源采用单极子全向天线。

4.根据权利要求1所述的一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线，其特征在于：本发明天线在等离子频率附近的色散所具有明显的非线性。

5.根据权利要求1所述的一种用于压缩感知雷达的随机照射口径天线，其特征在于：所述随机照射口径天线的出射波波束的角度具有随频率扫描变化的特性。

6.权利要求1-5任一所述随机照射口径天线的应用，其特征在于：在压缩感知雷达中的应用。