CN108732567A - 用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构及该阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构及该阵列，多发多收阵列包括一发射阵列和一接收阵列；阵元分布结构包括第一分布结构和第二分布结构；第一分布结构为发射阵元的分布结构、第二分布结构为接收阵元的分布结构或反之；第一分布结构包括共线并等间隔分布的N2个子阵，各子阵包括共线并等间隔分布的N1个阵元，各子阵中相邻阵元间的距离为D1，相邻子阵间的中心距离为D2，第一分布结构中的所有阵元共线；第二分布结构包括共线并等间隔分布的N3个阵元，第二分布结构中相邻阵元间的距离为D3；N1≥2，N2≥2，N3＞N1，D3=N1×D1，D2=N1×D3。本发明改善了多发多收阵列对目标的照射条件，提高了成像质量，并降低了成像结果中的栅瓣水平。

Description

用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构及该阵列

技术领域

本发明属于多发多收阵列技术领域，特别涉及一种用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构及该阵列。

背景技术

在阵列雷达成像中，采用多发多收阵列可以降低阵元数目，缩短数据获取时间，增大照射范围等。但是，在近场条件下，采用多发多收阵列会导致成像结果中出现栅瓣，栅瓣的出现会显著影响后续对成像结果的解译。

在近场多发多收阵列雷达成像中，多发多收阵列的阵元分布结构直接决定成像结果中栅瓣的水平和位置，因此，如何设计多发多收阵列的阵元分布结构，使得成像结果中的栅瓣水平尽可能地低，是一个关键问题。

现有多发多收阵列的阵元分布结构主要有以下两种：

第一种为稀疏周期阵结构，如图1（图1是10发10收的稀疏周期阵结构）所示。在这种阵元分布结构中，发射阵列由两个发射子阵组成，每个发射子阵由M1个间隔为T1的发射阵元组成；接收阵列由M2个间隔为T2的接收阵元组成，相邻接收阵元的间隔为T2=M1×T1；两个发射子阵间的中心距离为M2×T2，所有的发射阵元分布在同一条直线上，所有的接收阵元分布在同一条直线上，发射阵列平行于接收阵列，发射阵列的中心点与接收阵列的中心点的连线垂直于发射阵列和接收阵列。在这种阵元分布结构中，上述发射阵元的分布结构和接收阵元的分布结构是可以互换的。

第二种为均匀稀疏阵结构，如图2（图2是10发11收的均匀稀疏阵结构）所示。在这种阵元分布结构中，发射阵元和接收阵元都是等间隔分布的，发射阵列的长度等于接收阵列的长度，但是发射阵元的间隔不等于接收阵元的间隔，所有的发射阵元分布在同一条直线上，所有的接收阵元分布在同一条直线上，发射阵列平行于接收阵列，发射阵列的中心点与接收阵列的中心点的连线垂直于发射阵列和接收阵列。

第一种阵元分布结构中，发射阵元分布在接收阵列的两端（或接收阵元分布在发射阵列的两端），使得多发多收阵列对部分目标会存在不充分的照射，降低成像质量。

第二种阵元分布结构中，接收阵元和发射阵元均为均匀分布，可以得到对目标较充分的照射，但是成像结果的栅瓣水平略高。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构及该阵列，通过采用两个及以上均匀分布的子阵，改善了多发多收阵列对目标的照射条件，提高了成像质量，并降低了多发多收阵列成像结果中的栅瓣水平。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，所述多发多收阵列包括一发射阵列和一接收阵列，所述发射阵列包括多个发射阵元，所述接收阵列包括多个接收阵元；所述阵元分布结构包括第一分布结构和第二分布结构；

第一分布结构为发射阵元的分布结构、第二分布结构为接收阵元的分布结构；或者第一分布结构为接收阵元的分布结构、第二分布结构为发射阵元的分布结构；

其特点是第一分布结构包括沿同一直线等间隔分布的N2个子阵，各子阵包括沿同一直线等间隔分布的N1个阵元，各子阵中的相邻阵元间的距离为D1，相邻子阵间的中心距离为D2，第一分布结构中的所有阵元都分布在同一直线上；

第二分布结构包括沿同一直线等间隔分布的N3个阵元，第二分布结构中的相邻阵元间的距离为D3；

其中，N1≥2，N2≥2，N3＞N1，D3=N1×D1，D2=N1×D3。

作为一种优选方式，D1的取值范围为0.5λ～1.3λ，λ为电磁波的波长且λ = c / f，c为电磁波的传播速度，f为多发多收阵列的工作频率。

作为一种优选方式，N1的值为5～10。

作为一种优选方式，第一分布结构中阵元分布的直线与第二分布结构中阵元分布的直线不共线，且第一分布结构中阵元分布的直线和第二分布结构中阵元分布的直线均垂直于第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点之间的连线。

进一步地，第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点之间的距离小于等于L1且小于等于L2；其中，L1为第一分布结构中所有阵元组成的阵列的长度，且L1=(N2-1)×D2+(N1-1)×D1；L2为第二分布结构中所有阵元组成的阵列的长度，且L2=(N3-1)×D3。

作为另一种优选方式，第一分布结构中阵元分布的直线与第二分布结构中阵元分布的直线共线。

进一步地，第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点为同一点。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种多发多收阵列，包括一发射阵列和一接收阵列，所述发射阵列包括多个发射阵元，所述接收阵列包括多个接收阵元；所述多发多收阵列中的阵元按照所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构分布。

作为一种优选方式，所述发射阵元和接收阵元为喇叭天线。

与现有技术相比，本发明通过采用两个及以上均匀分布的子阵，改善了多发多收阵列对目标的照射条件，提高了成像质量，并降低了多发多收阵列成像结果中的栅瓣水平。

附图说明

图1为现有稀疏周期阵阵元分布结构图。

图2为现有均匀稀疏阵阵元分布结构图。

图3为本发明实施例一阵元分布结构图。

图4为本发明实施例二阵元分布结构图。

图5为对比试验一采用的三种阵元分布结构图。

图6为对比实验一中三种阵元分布结构对应的成像点展布函数。

图7为图6中三种成像点展布函数的最大值投影图。

图8为对比试验二采用的三种阵元分布结构图。

图9为对比实验二中三种阵元分布结构对应的成像点展布函数。

图10为图9中三种成像点展布函数的最大值投影图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的实例，对本发明作进一步的描述。

本发明用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构中，所述多发多收阵列包括一发射阵列和一接收阵列，所述发射阵列包括多个发射阵元，所述接收阵列包括多个接收阵元；所述阵元分布结构包括第一分布结构和第二分布结构。

第一分布结构为发射阵元的分布结构、第二分布结构为接收阵元的分布结构；或者第一分布结构为接收阵元的分布结构、第二分布结构为发射阵元的分布结构。也即，发射阵元的分布结构与接收阵元的分布结构是可以互换的：当第一分布结构为发射阵元的分布结构时，第二分布结构为接收阵元的分布结构。当第一分布结构为接收阵元的分布结构时，第二分布结构为发射阵元的分布结构。

第一分布结构包括沿同一直线等间隔分布的N2个子阵，各子阵包括沿同一直线等间隔分布的N1个阵元，各子阵中的相邻阵元间的距离为D1，相邻子阵间的中心距离为D2，第一分布结构中的所有阵元都分布在同一直线上。

第二分布结构包括沿同一直线等间隔分布的N3个阵元，第二分布结构中的相邻阵元间的距离为D3。

其中，N1≥2，N2≥2，N3＞N1，D3=N1×D1，D2=N1×D3。

由上述关系可知，第一分布结构中各阵元组成的阵列的长度为L1=(N2-1)×D2+(N1-1)×D1。第二分布结构中阵元组成的阵列的长度为L2=(N3-1)×D3。L1和L2由成像分辨率和目标大小所决定。

D1的取值范围为0.5λ～1.3λ，λ为电磁波的波长且λ = c / f₀，c为电磁波的传播速度，f₀为多发多收阵列的工作频率。

N1的值为5～10。

由前述可知，本发明提供的一种用于近场多发多收阵列成像的阵元分布结构由参数N1，N2，N3，D1确定。即给定一组参数N1，N2，N3，D1时，本发明提供的阵元分布结构唯一确定。N2和N3的取值决定于L1和L2，L1和L2根据实际应用需求选取。

在一种方案中，第一分布结构中阵元分布的直线与第二分布结构中阵元分布的直线不共线，且第一分布结构中阵元分布的直线和第二分布结构中阵元分布的直线均垂直于第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点之间的连线。发射阵元分布的直线平行与接收阵元分布的直线。第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点之间的距离小于等于L1且小于等于L2。

在另一种方案中，第一分布结构中阵元分布的直线与第二分布结构中阵元分布的直线共线。第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点为同一点。

本发明还提供了一种多发多收阵列，包括一发射阵列和一接收阵列，所述发射阵列包括多个发射阵元，所述接收阵列包括多个接收阵元；所述多发多收阵列中的阵元按照所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构分布。

所述阵元分布结构与接收阵元及发射阵元所采用的天线种类是无关的，所述发射阵元和接收阵元可以是但不局限于喇叭天线。

所述阵元分布结构与多发多收阵列的数据采集方式是无关的，发射阵元发射的信号经目标反射后可以被部分或全部接收阵元所接收。

图3中示出一种用于近场多发多收阵列成像的阵元分布结构，包括第一分布结构和第二分布结构，其中第一分布结构为发射阵元的分布结构，第二分布结构为接收阵元的分布结构。

在第一分布结构（在本实施例中，第一分布结构为发射阵元的分布结构）中，N1（在本实施例中，N1=5）个阵元（在本实施例中，第一分布结构中的阵元为发射阵元）沿直线等间隔分布组成一个子阵（在本实施例中，第一分布结构中的子阵为发射子阵），N2（在本实施例中，N2=2）个发射子阵沿直线等间隔分布。

在发射阵元的分布结构中，组成发射子阵的发射阵元相邻间的距离为D1（在本实施例中，D1=2 mm），相邻发射子阵间的中心距离为D2（在本实施例中，D2=50 mm）。所有发射阵元都分布在同一条直线上。

在第二分布结构（在本实施例中，第二分布结构为接收阵元的分布结构）中，N3（在本实施例中，N3=10）个阵元（在本实施例中，第二分布结构中的阵元为接收阵元）沿直线等间隔分布，相邻接收阵元间的距离为D3（在本实施例中，D3=10 mm）。

图4中示出另一种用于近场多发多收阵列成像的阵元分布结构，包括第一分布结构和第二分布结构，其中第一分布结构为接收阵元的分布结构，第二分布结构为发射阵元的分布结构。

在第一分布结构（在本实施例中，第一分布结构为接收阵元的分布结构）中，N1（在本实施例中，N1=5）个阵元（在本实施例中，第一分布结构中的阵元为接收阵元）沿直线等间隔分布组成一个子阵（在本实施例中，第一分布结构中的子阵为接收子阵），N2（在本实施例中，N2=8）个接收子阵沿直线等间隔分布。

在接收阵元的分布结构中，组成接收子阵的接收阵元相邻间的距离为D1（在本实施例中，D1=2 mm），相邻接收子阵间的中心距离为D2（在本实施例中，D2=50 mm）。所有接收阵元都分布在同一条直线上。

在第二分布结构（在本实施例中，第二分布结构为发射阵元的分布结构）中，N3（在本实施例中，N3=40）个阵元（在本实施例中，第二分布结构中的阵元为发射阵元）沿直线等间隔分布，相邻发射阵元间的距离为D3（在本实施例中，D3=10 mm）。

发射阵元分布的中心点与接收阵元分布的中心点之间的距离为10 mm。

为验证本发明的有益效果，采用成像点展布函数比较不同多发多收阵列的成像性能。成像点展布函数可以看作是阵列对理想点目标的成像结果，可以反映成像分辨率、栅旁瓣水平、栅旁瓣位置等，是公知的评价阵列成像性能的重要指标。

对比实验一：

在对比实验一中，分别采用如图5（1）所示的均匀稀疏阵、如图5（2）所示的稀疏周期阵和如图5（3）所示的本发明所述阵元分布结构。在相同仿真参数下，采用相同成像方法得到的二维成像点展布函数分别对应如图6（1）~ 6（3）所示。其中具体仿真参数为：发射信号的波形为步进频连续波，频率范围130-150GHz，频率步进间隔100MHz，理想点目标距离阵列中心0.3m。

图7为图6（1）~ 6（3）沿垂直于阵列向的最大值投影图。从图7可以看出，三种阵列的成像分辨率近似相同，均匀稀疏阵、稀疏周期阵和本发明所述阵元分布结构的成像点展布函数的最高栅瓣水平分别为-14.00dB、-22.63dB和-24.08dB，结果表明，本发明所述阵元分布结构的成像点展布函数的栅瓣水平最低。

对比实验二：

在实验二中，分别采用如图8（1）所示的均匀稀疏阵、如图8（2）所示的稀疏周期阵和如图8（3）所示的本发明所述阵元分布结构。仿真参数与实验一相同，三种阵列对应的二维成像点展布函数分别如图9（1）~ 9（3）所示。对比图9（1）~ 9（3）可以看出，本发明所述阵元分布结构的成像点展布函数的栅瓣水平要明显低于其余两个阵元分布结构。

图10为图9（1）~ 9（3）沿垂直于阵列向的最大值投影图。从图10可以看出，三种阵列的成像分辨率近似相同，均匀稀疏阵、稀疏周期阵和本发明所述阵元分布结构的成像点展布函数的最高栅瓣水平分别为-25.17dB、-25.67dB和-36.55dB，结果表明，本发明所述阵元分布结构的栅瓣水平最低。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，所述多发多收阵列包括一发射阵列和一接收阵列，所述发射阵列包括多个发射阵元，所述接收阵列包括多个接收阵元；所述阵元分布结构包括第一分布结构和第二分布结构；

第一分布结构为发射阵元的分布结构、第二分布结构为接收阵元的分布结构；或者第一分布结构为接收阵元的分布结构、第二分布结构为发射阵元的分布结构；

其特征在于，

第一分布结构包括沿同一直线等间隔分布的N2个子阵，各子阵包括沿同一直线等间隔分布的N1个阵元，各子阵中的相邻阵元间的距离为D1，相邻子阵间的中心距离为D2，第一分布结构中的所有阵元都分布在同一直线上；

第二分布结构包括沿同一直线等间隔分布的N3个阵元，第二分布结构中的相邻阵元间的距离为D3；

其中，N1≥2，N2≥2，N3＞N1，D3=N1×D1，D2=N1×D3。

2. 如权利要求1所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，其特征在于，D1的取值范围为0.5λ～1.3λ，λ为电磁波的波长且λ = c / f，c为电磁波的传播速度，f为多发多收阵列的工作频率。

3.如权利要求1所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，其特征在于，N1的值为5～10。

4.如权利要求1至3任一项所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，其特征在于，第一分布结构中阵元分布的直线与第二分布结构中阵元分布的直线不共线，且第一分布结构中阵元分布的直线和第二分布结构中阵元分布的直线均垂直于第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点之间的连线。

5.如权利要求4所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，其特征在于，第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点之间的距离小于等于L1且小于等于L2；其中，L1为第一分布结构中所有阵元组成的阵列的长度，且L1=(N2-1)×D2+(N1-1)×D1；L2为第二分布结构中所有阵元组成的阵列的长度，且L2=(N3-1)×D3。

6.如权利要求1至3任一项所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，其特征在于，第一分布结构中阵元分布的直线与第二分布结构中阵元分布的直线共线。

7.如权利要求6所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构，其特征在于，第一分布结构中阵元分布的中心点与第二分布结构中阵元分布的中心点为同一点。

8.一种多发多收阵列，包括一发射阵列和一接收阵列，所述发射阵列包括多个发射阵元，所述接收阵列包括多个接收阵元；其特征在于，所述多发多收阵列中的阵元按照权利要求1至7任一项所述的用于近场多发多收阵列雷达成像的阵元分布结构分布。

9.如权利要求8所述的多发多收阵列，其特征在于，所述发射阵元和接收阵元为喇叭天线。