CN107046182B

CN107046182B - 用于改进的角分辨率的曲形传感阵列

Info

Publication number: CN107046182B
Application number: CN201710057231.XA
Authority: CN
Inventors: O.比亚勒; I.比利克
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2037-01-26
Also published as: US20170222332A1; US10381743B2; CN107046182A

Abstract

本发明涉及用于改进的角分辨率的曲形传感阵列。公开一种用于对于天线阵列遍及整个视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿着曲面定位的多个天线单元。方法包括为在多个天线单元中的第一天线单元沿着曲面选择位置，并且为在天线阵列上的剩下的多个天线单元中的每个计算后续的位置，其中后续的位置相对于第一天线单元的位置确定，并且其中后续的位置表示对视场中的所有角度取得最大角分辨率的位置。

Description

用于改进的角分辨率的曲形传感阵列

本申请要求于2016年1月28日提交的美国临时专利申请号62/287,995的权益，其全部内容通过引用的方式特此并入本文中。

技术领域

本发明总的涉及用于雷达探测系统的天线阵列，更具体地，涉及在整个视场中具有高角分辨率的曲形天线阵列。

背景技术

雷达是目标探测系统，其使用由天线发射并接收的无线电波来确定目标的距离、角度和/或速度。最为经常地，雷达利用由多个天线单元或传感器构成的天线阵列，所述多个天线单元或传感器被布置且相互连接以形成阵列。天线阵列可能由于它们设计成使天线辐射方向图集中朝向特定方向而是定向的。辐射方向图的方向由波束主瓣给出，所述波束主瓣沿辐射功率主体传播的方向被指向。天线阵列的方向性和增益可用天线的归一化场强度和阵列因子来表述，这是天线阵列理论的基本原理且在技术领域中为人熟知。

就方向性和增益而言，天线阵列的效率取决于天线阵列的设计和几何形状。天线阵列一般设计成带有高的角分辨率的最优方向性。然而，角分辨率与天线孔径的大小和阵列中的天线单元的数目成比例。高角分辨率要求大的孔径以及大量的天线单元，这增加了天线的成本。此外，由于出现在稀疏间隔的天线阵列中的模糊，孔径的大小和单元的数目受天线单元间距限制。这些模糊一般是栅瓣的结果，栅瓣指的是在辐射方向图旁瓣在幅值上变得显著较大且接近主瓣的水平时发生的空间混叠效应。栅瓣沿未预期的方向辐射，并且与波束主瓣相同或几乎相同。

在大多数的现代雷达系统中，天线阵列是构造成沿特定方向引导辐射天线图的主瓣的相控阵。连接到每个天线单元或单元群的移相器构造成使从天线单元发出的信号移相以便提供相长和/或相消干涉，从而沿期望的方向引导波束同时抑制在未期望的方向上的那些波束。具有窄波束宽度的相控阵天线有利地具有高的空间分辨率。然而，由于主瓣在它从视轴（即，端射角）被引导超过60°时的增益衰减，平面相控阵的扫描范围（即，视场）一般限制于120°（向左60°和向右60°）。在端射扫描角中的增益衰减和减弱的角分辨率部分是因为栅瓣的出现。

发明内容

根据本发明的实施例，提供用于对于天线阵列遍及视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿曲面定位的多个天线单元。方法包括为多个天线单元中的第一天线单元沿着曲面选择位置，并计算对于天线阵列上剩下的多个天线单元的每个的后续的位置，其中，后续的位置相对于第一天线单元的位置被确定，并且其中，后续的位置表示对于视场中的所有角度取得最大角分辨率的位置。

根据本发明的另一实施例，提供用于对于天线阵列遍及视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿曲面定位的多个天线单元。方法包括确定在视场中的角度的范围，和基于角分辨率函数的最大值的自变量（argument of the maximum）运算确定对于多个天线单元中的每个在曲面上的位置，其中多个天线单元中的每个的位置表示对视场中的角度的范围取得最大的角分辨率的位置。

根据本发明的另一个实施例，提供天线阵列，其包括具有给定曲率的曲面和沿着曲面布置的具有不均匀间距的多个天线单元，其中多个天线单元中的每个的位置通过最大化对于给定视场中的所有角度的角分辨率函数而确定。

本发明提供如下技术方案：

1. 一种用于对于天线阵列遍及视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿着曲面定位的多个天线单元，所述方法包含下列步骤：

对于多个天线单元中的第一天线单元沿着曲面选择位置；和

对于在天线阵列上的剩余的多个天线单元中的每个计算后续的位置，其中后续的位置相对于第一天线单元的位置确定，并且其中后续的位置表示对视场中的所有角度取得最大角分辨率的位置。

2. 如方案1所述的方法，其中任意选择第一天线单元沿着曲面的位置。

3. 如方案1所述的方法，其中基于在天线阵列中的天线单元的数目和曲面的几何形状来选择第一天线单元沿着曲面的位置。

4. 如方案1所述的方法，其中计算后续的位置包括将最大值的自变量运算应用于角分辨率函数。

5. 如方案1所述的方法，其中角分辨率函数基于以下中的一个或多个：输入信号的波长、天线阵列的长度、天线单元的数目、天线单元之间的距离、在天线阵列和目标之间测量的倾斜距离瞄准、天线阵列的曲率半径和/或输入信号的到达角。

6. 如方案1所述的方法，其中角分辨率函数基于-3dB波束宽度、天线阵列的长度和输入信号的波长。

7. 如方案1所述的方法，其中对于剩下的多个天线单元中的每个计算后续的位置包括：对视场中的每个角度估算最大角分辨率函数。

8. 如方案1所述的方法，其中多个天线单元被以不均匀的距离分隔开。

9. 如方案1所述的方法，其中天线阵列的曲面是凹的。

10. 如方案1所述的方法，其中天线阵列的曲面是凸的。

11. 如方案1所述的方法，其中天线阵列是一维直线阵列。

12. 如方案1所述的方法，其中天线阵列是二维平面阵列。

13. 一种用于对于天线阵列遍及视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿着曲面定位的多个天线单元，所述方法包含下列步骤：

确定在视场中的角度的范围；

基于角分辨率函数的最大值的自变量运算确定对于多个天线单元中的每个在曲面上的位置，其中多个天线单元中的每个的位置表示对视场中的角度的范围取得最大角分辨率的位置。

14. 如方案13所述的方法，其中角分辨率函数基于以下中的一个或多个：输入信号的波长、天线阵列的长度、天线单元的数目、天线单元之间的距离、在天线阵列和目标之间测量的倾斜距离瞄准、天线阵列的曲率半径和/或输入信号的到达角。

15. 如方案13所述的方法，其中角分辨率函数基于-3dB波束宽度、天线阵列的长度和输入信号的波长。

16. 一种天线阵列，其包含：

具有给定曲率的曲面；和

沿着所述曲面布置的具有不均匀间距的多个天线单元，其中多个天线单元中的每个的位置通过对于给定视场中的所有角度最大化角分辨率函数而确定。

17. 如方案18所述的天线阵列，其中所述曲面的曲率是凹的。

18. 如方案18所述的天线阵列，其中所述曲面的曲率是凸的。

19. 如方案1所述的方法，其中所述天线阵列是一维直线阵列。

20. 如方案1所述的方法，其中天线阵列是二维平面阵列。

附图说明

下文中将结合附图描述本发明的一个或多个实施例，其中同样的标记指示同样的单元，并且其中：

图1图示根据本发明的实施例的示例性天线阵列；

图2图示根据本发明的实施例的另一示例性天线阵列；

图3图示流程图，其描绘了根据本发明的实施例的用于遍及整个视场优化天线阵列的角分辨率的方法；和

图4图示流程图，其描绘了根据本发明的实施例的用于遍及整个视场优化天线阵列的角分辨率的另一方法。

具体实施方式

下面描述的系统和方法涉及遍及整个视场（FOV）优化天线阵列的角分辨率。所公开的方法利用凹形天线阵列和凸形天线阵列的曲率来在整个FOV中取得最大角分辨率，同时最小化阵列中的天线单元的数目。在一个实施例中，方法包括基于角分辨率函数、阵列面的几何形状和在阵列中的单元的数目来确定对于给定的阵列的最优单元构造。

图1图示根据本发明的至少一个实施例的示例性天线阵列10。天线阵列10包括沿着天线阵列10的凸曲面18布置的多个天线单元12_a-N。每个天线单元12_a-N在阵列10上的位置由位置P_1-N给出，其中P_i(x_i, y_i, z_i)表示第i个天线单元在阵列10上的位置。每个天线单元12_a-N在阵列上的位置P由所公开的方法以下面的方式确定，即利用阵列面18的曲率并最大化遍及整个视场（FOV）的角分辨率。如本领域普通技术人员所理解的，FOV根据天线阵列10的几何构造变化。对于图1中所示的凸曲形阵列10，FOV响应阵列曲率半径r_a和阵列10的总长L而变化。输入的入射信号14的到达角θ以垂直于阵列单元的平面的轴线（即，侧对着阵列）作为参照并在从π/2到-π/2（90°到-90°）的角度范围变化。由输入信号14形成的波阵面16垂直于由输入信号14所指示的平面波的方向。假设在波阵面16上的所有点具有相等的幅值和相位值。天线单元12_a-N被以距离d_1-M空间分隔开，所述距离d_1-M根据每个天线单元12_a-N在凸曲面18上的排布而变化。距离可直接沿着阵列面在单元之间测量，或者可基于在天线单元之间的距离测量，因为它们的位置被投射到垂直于阵列侧边的轴线上。

图2图示根据本发明的另一实施例的另一示例性天线阵列20。天线阵列20包括以距离d'_1-M空间分隔开的多个天线单元12'_a-N。天线单元12'_a-N沿着凹曲面22被布置在位置P'_1-N处，其中P'_i(x_i, y_i, z_i)表示第i个天线单元在阵列20上的位置。在天线单元12'_a-N之间的距离d'_1-M根据每个天线单元12_a-N在曲面22上的排布而变化，其以所公开的方法阐述的方式来确定，所述方法利用阵列面22的曲率并遍及整个视场（FOV）最大化角分辨率。如同图1中所示的凸形天线阵列10一样，凹形天线阵列20的视场取决于凹面22的半径r_a。然而，由于凹形的几何形状，天线阵列20具有较窄的FOV且一般具有比具有凸面的天线阵列更厚的天线深度。

以下描述的方法和方法论与图1和2中所示的天线阵列构造有关，然而，本领域普通技术人员领会的是：所示的特定的布置仅是示例性的，并且在很多方面，为了容易说明已经被简化。例如，尽管图1和2图示了示例性的一维线阵列，但是本领域普通技术人员领会的是：本文中所公开的构思和方法可被应用于带有任何几何构造的任何适合的曲形天线阵列，所述几何构造包括但不限于其它的线阵列构造、二维平面阵列和/或共形阵。

图3图示用于对于具有曲面的天线阵列遍及整个视场（FOV）优化角分辨率的示例方法100。阵列面可以是如以上图1和2中所图示的凸形的或凹形的。所公开的方法100在阵列的曲面上为每个天线单元确定最优位置，使得对于那个给定的阵列几何形状，角分辨率遍及整个FOV是不变的且被最大化。为了容易说明，以下描述的方法100参照图1中所示的凸曲面阵列10，但方法100对图2中所示的凹面阵列20同样适用。

如本领域技术人员所理解的，角分辨率指的是在相同距离处的两个相同目标可被区分开的最小角间距。雷达的角分辨率特性一般由天线波束宽度确定，所述天线波束宽度由-3dB角度θ_3db表示，所述-3dB角度θ_3db由在天线辐射方向图的主波束上的半功率（-3dB）点定义。为了定义角分辨率的目的，天线辐射方向图的半功率点（即，-3dB波束宽度）通常被规定为天线波束宽度的界限。因此，如果在相同距离处的两个同样的目标被分开超过天线波束宽度，则它们在角度上被分辨。波束宽度θ_3db越小，天线的方向性越高且角分辨率越好。如本领域普通技术人员所理解的，存在许多不同方法来以天线阵列的波束宽度表述角分辨率。一般而言，波束宽度θ_3db是基于以下的一个或多个：输入信号14的波长λ、天线孔的全长L、天线单元的数目N、天线单元之间的距离d、在天线和目标之间测量得的倾斜距离瞄准、天线阵列的曲率半径和输入信号14的到达角度θ。

方法100在步骤102处通过定义选择的设计参数开始，所述设计参数可包括但不限于：天线单元的数目N、对于给定阵列面的几何形状和用于阵列分辨率的度量。在步骤104处，在给定的阵列面上为所有可能的阵列构造定义网格（即，对于给定数目N的天线单元在阵列面上的所有可能的天线单元位置）。如本领域技术人员所领会的，网格可表示空间上的二维面或空间上的三维体积。此外，本领域普通技术人员进一步领会的是，可能的阵列构造的数目和布置可根据已知的方法凭经验得到。

在步骤106处，在定义的网格上对于每种可能的阵列构造计算角分辨率的度量。在步骤108处，基于步骤102中定义的设计参数的具有在整个FOV上的最优角分辨率的阵列构造通过最小化角分辨率的度量来确定。换句话说，通过选择达到最小分辨率度量的阵列构造来确定对于给定阵列曲率的最优天线单元位置。

关于在步骤102中被定义且在步骤104中被计算的角分辨率的度量，本领域普通技术人员领会的是，与角分辨率有关的任何度量可被实施来确定对于给定面几何形状的最优的天线单元定位。在一个实施例中，角分辨率的度量可涉及已知的波束形成技术，例如Bartlett波束形成器，如以下所详细描述的。

在步骤104的一个例子中，令P(θ,θ₀)是当目标到达角度θ₀时对于可能的阵列天线构造的每一个在角度θ的波束形成谱，其中波束形成谱由以下给出：

其中d是在给定的阵列构造中的天线单元之间的间距，λ是所发射信号的波长，N是天线单元的数目，x是输入信号向量。令B（θ₀）是围绕目标到达角度θ₀为中心的波束形成谱中的主瓣的3dB宽度（以角度单位的宽度）（即，P(θ₀+Δ,θ₀)≥.5P(θ₀,θ₀)。因此，对于给定的天线构造的分辨率度量Λ由以下给出：

其中Ω是所期望的视场，A是预设的，S是对于FOV中的任何θ的在波束形成谱P(θ,θ₀)中的主峰瓣P(θ₀, θ₀)和最大第二峰值之间的分配量，其经常被称为最大旁瓣水平。最小化在整个可能的阵列构造的集合中的μ_Λ得到在整个FOV上具有好的分辨率质量的阵列。

用于对于具有曲面的天线阵列遍及整个视场（FOV）优化角分辨率的替代方法200被示出在图4中。方法200在步骤202处通过在阵列10的凸曲面18上为第一天线单元12_a选择位置P₁而开始。在一个实施例中，第一天线单元12_a的位置P₁用作参考位置并且被任意选择，但可基于特定阵列的几何形状和/或被用于阵列10的天线单元的数目N来选择。在步骤204处，对于所期望的FOV中的所有角度定义表示入射信号14到达角度的角度θ，在一个实施例中该角度θ是180°并且以垂直于阵列单元的平面的轴线作为参照，因此从-90°到90°变化。

在步骤206 处，每个天线单元12_i在阵列10的曲面18上的位置P_i基于角分辨率函数的最大值的自变量确定。经常以缩写arg_xmaxf(x)标记的最大值的自变量（argument ofthe maximum）是已知的数学运算，其产生使函数获得它的最大值的给定自变量的点或点集。在该情况下，函数是角分辨率函数，并且最大值的自变量被用于计算每个天线单元12_i的位置P_i，以产生对于给定的阵列10的遍及FOV中的所有角度θ的最大角分辨率。简单来说，方法100利用最大值的自变量运算来“搜索”在整个所期望FOV上取得最大分辨率的天线单元位置。

在一个实施例中，用于计算天线单元12_i在阵列10的曲面18上的位置的角分辨率函数由以下给出：波束宽度θ_3db=0.866λ/(Nd)，其中λ是入射信号14的波长，N是天线单元的数目，d是天线单元之间的距离。本领域普通技术人员领会的是，以上列举的角分辨率函数仅是示例性的，并且角分辨率方程、方程的变量和这些变量之间的关系可根据天线阵列的几何形状和其它的应用特定标准而变化。

在一个非限制性的例子中，根据所公开的方法200用于优化对于给定的天线曲率的天线单元位置的简化算法由以下给出：

P_1=第一天线单元的位置；

　For Theta = -90 : 90; //在所期望FOV中的角度；

　　For i = 2 : N; //N是在阵列中的天线单元的数目；

　　P_i = arg{max{Angular_Resolution}}; //计算取得最大分辨率的天线单元位置；

End

以上阐述的示例性算法迭代“For”循环，直至对于指定的FOV角分辨率函数对阵列中所有的N个天线单元收敛到最大值。如本领域技术人员会领会的，以上的算法可以以许多不同的方法来执行。例如，在一个实施例中，阵列10中每个天线单元12_i的位置P_i基于第一单元和任何其它先前计算的天线单元的位置独立地确定。换句话说，最大值的自变量函数作为迭代循环执行，并且考虑先前定位的单元的位置，独立地且顺序地每次为一个天线单元产生定位，直至阵列中每个天线单元的定位已被确认。在另一实施例中，天线单元的位置被计算为解的集合，使得位置P_i是对于FOV中的所有角度θ获得最大角分辨率的天线单元位置的集合。

将理解的是，前面是本发明的一个或多个实施例的描述。本发明不限于本文中公开的特定的实施例，而是仅由以下的权利要求限定。此外，包含在前面描述中的叙述涉及特定实施例并且不应被解释成对本发明的范围的限制或对权利要求中用到的术语的定义的限制，除非术语或短语在以上被明确定义。对于本领域技术人员来说，各种其它的实施例及对所公开的实施例的各种的变化和修改将变得显而易见。所有这些其它的实施例、变化和修改意图进入所附权利要求的范围内。

如在本说明书和权利要求中所用到的，术语“例如”、“譬如”、“举例来说”、“比如”和“像”，以及动词“包含”、“具有”、“包括”和它们的其它动词形式，当结合一个或多个部件或其它项目的列表使用时，各自应被解释为开放结尾的，意思是列表不被认为是排除其它的、另外的部件或项目。其它术语应被解释为使用它们最广泛合理的意思，除非它们被用在要求不同解释的语境中。

Claims

1.一种用于对于天线阵列遍及视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿着曲面定位的多个天线单元，所述方法包含下列步骤：

对于多个天线单元中的第一天线单元沿着曲面选择位置；和

对于在天线阵列上的剩余的多个天线单元中的每个计算后续的位置，其中后续的位置相对于第一天线单元的位置确定，并且其中后续的位置表示对视场中的所有角度取得最大角分辨率的位置，

其中计算后续的位置包括将最大值的自变量运算应用于角分辨率函数。

2.如权利要求1所述的方法，其中任意选择第一天线单元沿着曲面的位置。

3.如权利要求1所述的方法，其中基于在天线阵列中的天线单元的数目和曲面的几何形状来选择第一天线单元沿着曲面的位置。

4.如权利要求1所述的方法，其中角分辨率函数基于以下中的一个或多个：输入信号的波长、天线阵列的长度、天线单元的数目、天线单元之间的距离、在天线阵列和目标之间测量的倾斜距离瞄准、天线阵列的曲率半径和/或输入信号的到达角。

5.如权利要求1所述的方法，其中角分辨率函数基于-3dB波束宽度、天线阵列的长度和输入信号的波长。

6.如权利要求1所述的方法，其中对于剩下的多个天线单元中的每个计算后续的位置包括：对视场中的每个角度估算最大角分辨率函数。

7.如权利要求1所述的方法，其中多个天线单元被以不均匀的距离分隔开。

8.如权利要求1所述的方法，其中天线阵列的曲面是凹的。

9.如权利要求1所述的方法，其中天线阵列的曲面是凸的。

10.如权利要求1所述的方法，其中天线阵列是一维直线阵列。

11.如权利要求1所述的方法，其中天线阵列是二维平面阵列。

12.一种用于对于天线阵列遍及视场优化角分辨率的方法，所述天线阵列具有沿着曲面定位的多个天线单元，所述方法包含下列步骤：

确定在视场中的角度的范围；

通过以下步骤确定对于多个天线单元中的每个在曲面上的位置：

基于视场和最大旁瓣水平，限定角分辨率度量；以及

最小化在整个可能的阵列构造的集合中的角分辨率度量，以便得到对于多个天线单元中的每个在曲面上的位置，其中多个天线单元的位置表示对视场中的角度的范围取得最大角分辨率的阵列构造。

13.如权利要求12所述的方法，其中角分辨率函数基于以下中的一个或多个：输入信号的波长、天线阵列的长度、天线单元的数目、天线单元之间的距离、在天线阵列和目标之间测量的倾斜距离瞄准、天线阵列的曲率半径和/或输入信号的到达角。

14.如权利要求12所述的方法，其中角分辨率函数基于-3dB波束宽度、天线阵列的长度和输入信号的波长。

15.一种天线阵列，其包含：

具有给定曲率的曲面；和

沿着所述曲面布置的具有不均匀间距的多个天线单元，其中多个天线单元中的每个在曲面上的位置通过对于给定视场中的所有角度最大化角分辨率函数而确定，其中：

在多个天线单元中的第一天线单元具有沿着曲面的一个位置；以及

剩余的多个天线单元中的每个具有沿着曲面的后续位置，其中剩余的天线单元的后续位置相对于第一天线单元的位置确定，并且其中后续位置通过将最大值的自变量运算应用于角分辨率函数而计算。

16.如权利要求15所述的天线阵列，其中所述曲面的曲率是凹的。

17.如权利要求15所述的天线阵列，其中所述曲面的曲率是凸的。

18.如权利要求15所述的天线阵列，其中所述天线阵列是一维直线阵列。

19.如权利要求15所述的天线阵列，其中天线阵列是二维平面阵列。