CN108254740B - 基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法，包括以下步骤：设置每一个阵元的发射波形；设定空域每点处的波形表达式；将M个波形相加在一起，得到阵元发射方向图表达式；设置M个阵元的阵元间距；对阵元发射方向图进行仿真，得到阵元发射方向图。本发明很好地解决了距离和角度耦合的问题，通过改变阵元的间距的方法，使得阵列成为一个非均匀的线性频率分集阵列，大大改善了聚焦的效果，降低了聚焦的误差，弥补了传统频率分集阵列的缺陷。

Description

基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法

技术领域

本发明涉及波束综合技术，具体涉及一种基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法。

背景技术

相控阵雷达能够提供方向上的增益以用来在感性的角度上检测微弱的目标，并且能够在其他区域抑制旁瓣的高度。但是，相控阵的缺陷在于它的方向图仅仅只有角度维，而没有距离维。

为了克服上述缺陷，研究者们提出了频率分集阵列(frequency diverse arrayFDA)，它包含了角度，距离，时间，近年来得到了深入地研究。但是，传统的频率分集阵列由于距离和角度的耦合，在目标目标区域的聚焦效果呈“S”形，所以聚焦的误差很大。为了克服这个问题，解距离角度耦合成为了最关键的问题。距离和角度的耦合是由于线性递增的阵元间距和线性递增的频偏而导致的，目前解耦合主要使用线性递增的阵元间距和非线性递增的频偏量。上述方法在理论上比较容易实现，但是在实际情况中，要使得每一个频偏量有非线性地递增是一个不容易实现的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法，包括以下步骤：

步骤1，设置每一个阵元的发射波形；

步骤2，设定空域每点处的波形表达式；

步骤3，将M个波形相加在一起，得到阵元发射方向图表达式；

步骤4，设置M个阵元的阵元间距；

步骤5，对阵元发射方向图进行仿真，得到阵元发射方向图。

进一步的，步骤1具体为：

第m个阵元发射的信号形式为：

s_m(t)＝exp(j2πf_mt) (1)

公式中，f_m＝f₀+m△f，f₀表示发射信号的载频，m△f表示第m个阵元的发射信号的频偏量，1≤m≤M，M表示阵元个数。

进一步的，步骤2具体为：

发射信号在给定远场的目标区域(r,θ)处的表达式为：

其中，r和θ分别表示目标区域的距离和角度，r_m＝r-mdsin(θ)，c表示电磁波传输的速率，d表示阵元间的间距。

进一步的，步骤3具体为：

假设所有阵元的幅度为1，在远场处各阵元发射信号相加后得到方向图的表达式为：

进一步的，步骤4具体为：

采用非均匀的阵元间距去解除距离和角度的耦合，第m个阵元到原点的距离为：

d_m＝d_b*m²/2

公式中d_b表示基础长度量；

则阵元发射方向图公式为：

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明提供了一种基于频率分集阵列雷达的波束综合方法，该方法是通过改变阵元间距，使阵列成为非均匀的线性阵列，以此来解决距离和角度存在的耦合问题，改善在期目标域的聚焦效果；传统的频率分集阵列在目标区域的聚焦效果呈“S”形，旁瓣较大，误差也很大，本发明相较于传统的频率分集阵列能够压低旁瓣，降低误差，聚焦效果更好。

附图说明

图1为本发明基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法流程图。

图2为频率分集阵列的构造图。

图3为传统频率分集阵列方向图。

图4为基础长度量d＝λ/4的频率分集阵列方向图。

图5为基础长度量d＝λ/2的频率分集阵列方向图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出一种基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法，传统的频率分集阵列由于距离和角度存在耦合，在目标区域的聚焦呈“S”形，而本发明能够解决频率分集阵列的角度-距离耦合使得其在目标区域的聚焦效果呈椭圆形，大大改善了FDA聚焦的效果。

频率分集阵列是由M个阵元天线组成的非均匀线性阵列。其中第m个阵元发射的信号形式为：

s_m(t)＝exp(j2πf_m0t) (1)

公式中，f_m＝f₀+m△f，f₀表示发射信号的载频，m△f表示第m个阵元的发射信号的频偏量，发射信号在给定远场的目标区域(r,θ)处的表达式为：

其中，r和θ分别表示目标区域的距离和角度，r_m＝r-mdsin(θ)，c表示电磁波传输的速率，d表示阵元间的间距。

假设所有阵元的幅度为1，在远场处各阵元发射信号相加后得到方向图的表达式为：

表达式中第一项对信号的聚焦效果没有影响，是可以忽略的，对聚焦有影响的是求和符号后相乘的两项。传统的FDA在目标区域聚焦的效果并不好，在距离上有周期性，且在目标区域由于距离和角度存在耦合，聚焦效果呈“S”型。由公式(3)我们可以推导得出，为了能够在目标区域聚焦，我们要使得

其中频偏量△f和阵元间距d的线性增长产生了距离和角度的耦合的根本原因，要解耦合也就有了两种相应的方法：(1)采用非均匀的阵元间距(2)采用非线性的频偏量。本发明采用非均匀的阵元间距去解除距离和角度的耦合，所以，第m个阵元到原点的距离不是md，而变为：

d_m＝d_b*m²/2

公式中d_b表示基础长度量，本发明中使用平方函数去使阵元间距变为非均匀，于是方向图公式变为：

由于阵元间距在现实中比较容易调节，相较于调节阵元的频偏量更容易实现，所以，该方法会相对比较简便。从图4、图5所示仿真结果我们可以看出，目标区域聚焦呈椭圆形，相交于原来的“S”形，精度有了很大的提高，并且，由于是在阵元间距上进行了改变，增大了阵元的间距，所以角度维的精度得到了提高，这是在基础长度量d取了四分之波长的情况下得到的方向图，我们取阵基础长度量d为半波长时，可以发现，角度维的精度变得更高，但是由于阵元间的间距不能变得无限大，所以，取基础长度量的最大值为半波长。

本发明很好地解决了距离和角度耦合的问题，通过改变阵元的间距的方法，使得阵列成为一个非均匀的线性频率分集阵列，大大改善了聚焦的效果，降低了聚焦的误差。弥补了传统频率分集阵列的缺陷。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

FDA很好有效地解决了相控阵的局限性，在距离上也能够进行能量聚焦，在实际应用中能够得到广泛的应用，如微弱目标检测，微波无线输电，医学雷达等。但是，传统的频率分集阵列也有这很大的缺陷，虽然，它在角度和距离上都能够提供聚焦能力，但是由于角度和距离存在耦合的关系，也导致了在目标区域聚焦的效果呈“S”形，旁瓣电平高，误差大，聚焦效果不尽如人意。

传统频率分集线性阵列如图2所示，由M个阵元做成，第m个发射阵元的波形表达式为：

在远场目标区域(r,θ)处，方向图表达式为：

表达式中第一项与聚焦效果无关，影响聚焦效果的只有求和符号后相乘的两项，为了研究距离和角度存在耦合的原因，我们对公式进行变形：

表达式中f₀>>m△f，所以推导得出上式，我们可以看出为了使方向图在目标区域聚焦，

就要使得

当t固定为0时，线性递增的频偏量和线性的阵元间距导致了距离和角度存在耦合的关系，解耦合也就有了相应的两种方法(1)使用非均匀的频率分集阵列和线性递增的频偏量(2)使用均匀的频率分基阵咧和非线性递增的频偏量。本发明中选择了第一种方法，如上文所述，该方法不仅能够有效地改善方向图的聚焦效果，在实际应用中相较于调节各阵元的频偏量也较为简单实用。

所以，本发明中采用平方函数来

来替代原先的公式中的m，使得阵元间的间距各不相同，阵列变为非均匀的线阵，而频偏量依旧是一个恒值。将阵元间距带入方向图表达式中，最终得到的方向图表达式为：

设参数载频f₀为10Ghz，固定时间t在0的时候，c为光速，基础长度d_b为四分之波长，阵元数为10，距离为(0,50km)，角度为(-90°,90°)，目标区域为(25km，-30°)。

仿真一：仿真了传统的频率分集阵列的方向图，如图3，横坐标表示距离，纵坐标表示角度。从图中我们可以看出，能量聚焦呈“S”形，且周期性非常强，大大影响了聚焦的准确性，在实际中是无法应用于定位等实际应用中的。图中横坐标表示距离，纵坐标表示角度。

仿真二：仿真了非均匀阵元间距频率分集阵列的方向图，当基础长度d_b为四分之波长的时候，如图4，横坐标表示距离，纵坐标表示角度。从图中我们可以看出，在目标区域聚焦的效果已经得到很大的改善，呈椭圆形，并且消除了周期性，相较于传统频率分基阵列，聚焦性能已经得到了很大的提高。

仿真三：仿真了非均匀阵元间距的频率分集阵列，当基础长度d_b为半波长的时候，如图5，横坐标表示距离，纵坐标表示角度。从图中我们可以看出，距离维的精度虽然没有得到提高，但是角度维精度得到了提高，所以，从仿真中我们可以看出，阵元间距越大，角度维的精度越高。

综上所述，本发明提供了一种基于非均匀阵元碱韭的频率分集阵列雷达的波束综合技术，以非均匀的阵元间距解除距离和角度的耦合关系，在目标区域波束综合达到能量聚焦的效果，经仿真验证了其正确性和可行性，在雷达探测目标，能量传输，雷达成像等应用领域有着广泛的应用价值。

Claims (2)

1.一种基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设置每一个阵元的发射波形；具体为：

第m个阵元发射的信号形式为：

s_m(t)＝exp(j2πf_mt) (1)

公式中，f_m＝f₀+mΔf，f₀表示发射信号的载频，mΔf表示第m个阵元的发射信号的频偏量，1≤m≤M，M表示阵元个数；

步骤2，设定空域每点处的波形表达式；具体为：

发射信号在给定远场的目标区域(r,θ)处的表达式为：

其中，r和θ分别表示目标区域的距离和角度，r_m＝r-md sin(θ)，c表示电磁波传输的速率，d表示阵元间的间距；

步骤3，将M个波形相加在一起，得到阵元发射方向图表达式；

步骤4，设置M个阵元的阵元间距；具体为：

采用非均匀的阵元间距去解除距离和角度的耦合，第m个阵元到原点的距离为：

d_m＝d_b*m²/2

公式中d_b表示基础长度量；

则阵元发射方向图公式为：

步骤5，对阵元发射方向图进行仿真，得到阵元发射方向图。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀阵元间距的频率分集阵列雷达的波束综合方法，其特征在于，步骤3具体为：

假设所有阵元的幅度为1，在远场处各阵元发射信号相加后得到方向图的表达式为：

Images