CN107064888B - 一种大型共形相控阵天线激活区选择的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的大型共形相控阵天线激活区选择的方法,首先计算不同激活区张角下天线阵列增益；然后计算不同张角下单个阵元利用率，并对其求一阶导，确定最佳激活区张角范围；在该张角范围内分别对比各张角下阵列方向图栅瓣效应，最终选择阵元利用率变化较大且栅瓣效应较小的张角作为最佳激活区张角，能够有效剔除对目标区域贡献较小的无效阵元，大大提高了激活区单个阵元平均利用率；在大型共形相控阵天线情况下，本发明方法能够有效确定出最佳激活区张角。在该张角下，阵面性能达到相对最优：既可获得较高的阵元利用率又可使阵列方向图栅瓣效应降低，有效减小激活区区域，降低硬件成本，同时避免栅瓣等不良效应对后续信号处理的影响。

Description

一种大型共形相控阵天线激活区选择的方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，涉及一种大型共形相控阵天线激活区选择的方法。

背景技术

阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，它在雷达、声纳、通信、导航、地震监测、语音信号处理以及生物医学工程等得到了广泛的应用。目前研究的天线阵列一般是线性阵列(直线阵或平面阵)，不存在阵列激活区选择的问题。但为获得更好、更稳定的性能，共形相控阵成为新的研究热点并得到迅速发展。考虑到共形阵载体的“遮蔽效应”，随着波束指向的不同，某些角度的入射信号会产生“暗区”，即并不是所有的阵元都能接收到信号，可被照射到的阵元随着波束指向的不同而不同，因此需根据波束的指向的不同确定可照射的阵元，即确定阵列激活区。由几何光学意义确定激活区范围是一种比较常用的方法，它利用光的直线传播原理，将位于光束范围内的区域作为阵列激活区，此方法得到的通常是理想的最大有效区域，但该区域在波束形成中栅瓣现象较为明显，为后续信号处理带来影响。

在实际设计中，阵元本身的方向性也是不可或缺的考虑因素，通常阵元法向为最大辐射方向，随着偏离最大辐射方向角度的增加，其辐射场是逐渐减小的。当阵元法向与目标方向相差较大时，其在目标区域贡献较小，甚至可以忽略。采用传统几何光学意义确定激活区范围，不仅会包含许多贡献较小的无效阵元，降低阵元平均利用率，还会导致较为明显的栅瓣效应，进而影响后续信号处理。

发明内容

本发明为了解决在大型共形相控阵天线情况下，采用传统几何光学方法确定激活区导致的阵元利用率低、栅瓣效应明显等问题，提出了一种新的大型共形相控阵天线激活区选择的方法。

一种共形相控阵天线激活区阵元选择方法，具体步骤包括：

步骤一、计算共形相控阵天线在不同激活区张角下的天线阵列增益；

步骤二、根据步骤一得到的不同激活区张角下天线阵列增益，计算不同激活区域张角下单个天线阵元平均利用率，并对其求一阶导数；选择不大于最小一阶导数对应的张角β₀的角度范围作为最佳激活区张角范围；

步骤三、对比阵列栅瓣效应，确定最佳激活区张角：

首先在激活区张角为β₀的情况下进行数字波束形成得到阵列方向图，若栅瓣大于或等于设定值，则逐步减小张角，重新进行数字波束形成，直至得到栅瓣小于设定值为止，此时对应的张角即为最佳激活区张角；自此，完成了相控阵天线激活区的选择。

较佳的，所述步骤一具体包括如下步骤：

①针对天线阵列所接收的信号，建立信号模型：

假设共形阵天线采用半球面加柱面的形式，某一激活区张角β下阵元个数为N(β)，阵元为各向异性，其方向性系数为其中θ为俯仰角，为方位角，目标信号为来自方向的远场窄带信号，假设各阵元噪声为相互独立的、功率相等的高斯白噪声，则激活区阵列接收到的信号模型表示为：

式中，为目标信号的导向矢量，θ₀表示目标俯仰角，表示目标方位角；设以共形阵球心为原点建立三维直角坐标系，激活区各阵元坐标分别为(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,N(β)；各阵元坐标在目标来向的投影长度分别为λ为波长，则 为第i个天线阵元在的方向系数，[·]^T为矩阵转置，⊙为点乘运算，s₀(t)为目标信号的复包络，n(t)＝[n₁(t),n₂(t),…,n_N(β)(t)]^T为阵列噪声向量，n_i(t)为第i个天线阵元的噪声值；

对各天线阵元信号进行相位补偿，得到天线阵列输出信号为：

其中，

②计算天线阵列增益G：

较佳的，步骤二中对所述平均利用率求一阶导数的具体方法为：利用步骤一得到的不同张角下天线阵列增益，分别除以相应的激活区阵元数N(β)，即可得到不同张角下单个天线阵元平均利用率，其数学表达式为：

然后对不同激活区张角下的天线阵元平均利用率求一阶导数，得到阵元平均利用率在不同张角下的变化情况，其数学表达式为：

式中β_i、β_i+1分别代表第i和第i+1个激活区张角，η_ele(β_i)和η_ele(β_i+1)分别代表第i和第i+1个激活区张角下天线阵元的平均利用率。

本发明具有如下有益效果：

本发明的选择方法，首先计算不同激活区张角下天线阵列增益；然后计算不同张角下单个阵元利用率，并对其求一阶导，确定最佳激活区张角范围；在该张角范围内分别对比各张角下阵列方向图栅瓣效应，最终选择阵元利用率变化较大且栅瓣效应较小的张角作为最佳激活区张角，能够有效剔除对目标区域贡献较小的无效阵元，大大提高了激活区单个阵元平均利用率；在大型共形相控阵天线情况下，所发明的激活区阵元选择方法能够有效确定出最佳激活区张角。在该张角下，阵面性能达到相对最优：既可获得较高的阵元利用率又可使阵列方向图栅瓣效应降低，有效减小激活区区域，降低硬件成本，同时避免栅瓣等不良效应对后续信号处理的影响。

附图说明

图1为本发明实施方式的信号处理流程图；

图2为实施例采用的共形阵天线形式(半球面加柱面)；

图3为实施例坐标角度示意图；

图4为实施例采用的单个阵元方向图；

图5为不同波束指向下天线阵列增益随张角的变化曲线；

图6为不同波束指向下阵元利用率随张角的变化曲线；

图7是不同波束指向下阵元利用率一阶导数随张角的变化曲线；

图8是不同激活区张角下天线阵列方向图在俯仰向的切面图；

图9是不同激活区张角下天线阵列方向图在方位向的切面图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种大型共形相控阵天线激活区阵元选择方法，处理流程如图1所示，其具体步骤包括：

步骤一、计算不同激活区张角下天线阵列增益，具体包括如下步骤：

①针对天线阵列所接收的信号，建立信号的模型：

假设共形阵天线采用半球面加柱面的形式，某一激活区张角β下阵元个数为N(β)，阵元为各向异性，其方向性系数为其中θ为俯仰角，为方位角，目标信号为来自方向的远场窄带信号，θ₀表示目标俯仰角，表示目标方位角；假设各阵元噪声为相互独立的、功率相等的高斯白噪声。则激活区阵列接收到的信号模型可表示为：

式中，为目标信号的导向矢量，θ₀表示目标俯仰角，表示目标方位角；设以共形阵球心为原点建立三维直角坐标系，激活区各阵元坐标分别为(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,N(β)；各阵元坐标在目标来向的投影长度分别为λ为波长，则 为各阵元在的方向系数，为第i个天线阵元在的方向系数，[]^T为矩阵转置，⊙为点乘运算，s₀(t)为目标信号的复包络，n(t)＝[n₁(t)，n₂(t)，…，n_N(β)(t)]^T为阵列噪声向量，n_i(t)为第i个天线阵元的噪声值；

在实际应用环境中，通常需要对各阵元信号进行相位补偿，从而使雷达主波束指向期望的信号方向，保证信号的无损接收。由常规波束形成原理可知，此处合适的阵元加权矢量就是期望信号的导向矢量，即

相位补偿后天线阵列输出为：

其中，

②计算天线阵列增益

天线阵列增益定义为阵列输出信噪比与单个阵元上的输入信噪比的比值，即

式中，SNR_array代表阵列输出信噪比，SNR_e代表单个阵元上的输入信噪比。

具体推导如下：

阵列输出的期望信号功率为

其中，E_(·)表示求数学期望，表示输入信号的功率；

阵列输出噪声功率为

表示噪声功率；

则天线阵列输出信噪比为

故天线阵列增益为

遍历不同的激活区张角，即可得到天线阵列增益随激活区张角的变化曲线。

步骤二、计算不同张角下单个阵元平均利用率，并对其求一阶导：

首先利用步骤一得到的不同张角下天线阵列增益，分别除以相应的激活区阵元数N(β)，即可得到不同张角下单个阵元平均利用率，其数学表达式为

然后对不同激活区张角下的阵元平均利用率求一阶导数，得到阵元平均利用率在不同张角下的变化情况，其数学表达式为

式中β_i、β_i+1分别代表第i和第i+1个激活区张角,η_ele(β_i)和η_ele(β_i+1)分别代表第i和第i+1个激活区张角下天线阵元的平均利用率。

由上式计算得到一阶导数，其最小值点(通常为负值)意味着在该张角处β₀阵元利用率下降最大，故选择不大于该张角β₀的角度范围作为最佳激活区张角范围。

步骤三、对比阵列栅瓣效应，确定最佳激活区张角

对于共形阵列，激活区张角越大，天线阵列增益就越大，但栅瓣效应随之增强。为获的较大的阵列增益，此处首先在激活区张角为β₀(由步骤二得到的激活区范围最大值)的情况下进行数字波束形成得到阵列方向图，若栅瓣较大，则逐步减小张角，重新进行数字波束形成，直至得到栅瓣小于特定值为止，此时对应的张角即为最佳激活区张角。

自此，就完成了一种大型共形相控阵天线激活区的选择。

实施例

为了进一步说明本发明提出的一种大型共形相控阵天线激活区选择的方法，以下进行天线阵列增益、单个阵元利用率及其一阶导数、激活区阵列方向图等仿真，仿真采用半球面加柱面的共形阵天线形式(见图2)，约3万个阵元，其中坐标角度定义见图3，θ为俯仰角，为方位角，单个阵元方向图如图4所示。

图5是不同波束指向下天线阵列增益随张角的变化曲线。由仿真结果可知，当波束指向为(5°，270°)时，激活区在球面和柱面均有分布，波束指向为(85°，270°)时，激活区主要分布在球面上，但两者阵列增益均随着张角增大逐渐增大，最后趋于平缓，变化趋势相似。

图6是阵元利用率随张角的变化曲线。由仿真结果可知，不管波束指向为(5°，270°)还是(85°，270°)，阵元平均利用率均在较小张角范围内逐渐增大，在40°达到最大值，之后平均利用率值逐渐减小。

图7是阵元利用率一阶导数随张角的变化曲线，代表阵元利用率在不同张角下的变化情况。由仿真结果可知，虽然波束指向不同，但阵元利用率一阶导数值均在65°左右达到最小，意味着利用率值在此张角左右下降最多。因此激活区角度的选择受波束指向影响很小，不同波束指向下最佳张角值均应在65°附近。

经过上述仿真分析，应选择不大于65°的张角作为最佳张角值。图8和图9分别是不同激活区张角下天线阵列方向图在俯仰向和方位向的切面图，由仿真结果可知，尽管张角为65°时对应的栅瓣数量多于张角为60°的情况，但两者栅瓣值均低于-30dB，对后续信号处理影响较小。

综合图4～图9可以得到，在该阵面参数下，最佳激活区张角为65°。本发明所涉及的激活区阵元选择方案，既可得到较高的阵元利用率又可降低阵列方向图栅瓣效应的影响。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种共形相控阵天线激活区阵元选择方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一、计算共形相控阵天线在不同激活区张角下的天线阵列增益，具体包括如下步骤：

①针对天线阵列所接收的信号，建立信号模型：

假设共形阵天线采用半球面加柱面的形式，某一激活区张角β下阵元个数为N(β)，阵元为各向异性，其方向性系数为其中θ为俯仰角，为方位角，目标信号为来自方向的远场窄带信号，假设各阵元噪声为相互独立的、功率相等的高斯白噪声，则激活区阵列接收到的信号模型表示为：

式中，为目标信号的导向矢量，θ₀表示目标俯仰角，表示目标方位角；设以共形阵球心为原点建立三维直角坐标系，激活区各阵元坐标分别为(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,N(β)；各阵元坐标在目标来向的投影长度分别为λ为波长，则 为第i个天线阵元在的方向系数，[·]^T为矩阵转置，⊙为点乘运算，s₀(t)为目标信号的复包络，n(t)＝[n₁(t),n₂(t),…,n_N(β)(t)]^T为阵列噪声向量，n_i(t)为第i个天线阵元的噪声值；

对各天线阵元信号进行相位补偿，得到天线阵列输出信号为：

其中，

②计算天线阵列增益G：

步骤二、利用步骤一得到的不同张角下天线阵列增益，分别除以相应的激活区阵元数N(β)，即得到不同张角下单个天线阵元平均利用率，其数学表达式为：

然后对不同激活区张角下的天线阵元平均利用率求一阶导数，得到阵元平均利用率在不同张角下的变化情况，其数学表达式为：

式中β_i、β_i+1分别代表第i和第i+1个激活区张角，η_ele(β_i)和η_ele(β_i+1)分别代表第i和第i+1个激活区张角下天线阵元的平均利用率；

选择不大于最小一阶导数对应的张角β₀的角度范围作为最佳激活区张角范围；

步骤三、对比阵列栅瓣效应，确定最佳激活区张角：

首先在激活区张角为β₀的情况下进行数字波束形成得到阵列方向图，若栅瓣大于或等于设定值，则逐步减小张角，重新进行数字波束形成，直至得到栅瓣小于设定值为止，此时对应的张角即为最佳激活区张角；自此，完成了相控阵天线激活区的选择。