CN112350067A - 一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线 - Google Patents

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向寅
丁泽刚
卢峄灵
龙腾
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Abstract

本发明提供了一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线，能够得到大角度的天线扫描结果，扩大了天线的探测范围，为后续目标检测、识别分析提供了更多的信息。本发明基于频率步进信号，在降低超大反射阵面系统的瞬时带宽的同时实现了高距离分辨率。频率步进信号的实现思路是发射一连串的窄带信号，每个窄带脉冲的载频是步进的，步进量是Δf，初始载频是f0，即第n个窄带脉冲的载频为fn＝f0+nΔf。信号接收机是对每个窄带脉冲分别采样接收，大大降低了后续处理的难度。通过发射N个脉冲得到总带宽为NΔf的宽带信号，对N个窄带回波的综合处理使距离分辨率提高至
Figure DDA0002709971550000011
即得到宽带信号下的高距离分辨率扫描结果，通过俯仰向和方位向扫描相结合的方法来实现。

Description

一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线
技术领域
本发明属于雷达天文技术领域，尤其涉及一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线。
背景技术
雷达天文是利用雷达向深空发射电磁波，分析天体的反射回波，探索天体的性质和结构的学科。
随着深空探索的深入，对天线的增益和分辨率的要求正在逐步提升。扩大天线的口径可以有效地增大天线的有效接收面积，进而提升天线的增益。反射面天线能够利用反射面的转动在一定程度上增加天线的口径，从而受到了广泛的研究和应用。
为了减小超大口径反射阵面天线的距离分辨率，采用发射宽带信号的方法。已知天线的距离分辨率
Figure BDA0002709971530000011
提高信号带宽B可以减小天线的距离分辨率。但由于发射宽带信号需要较高的系统瞬时带宽，提高了系统对硬件的要求，不易实现。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线，能够得到大角度的天线扫描结果，扩大了天线的探测范围，为后续目标检测、识别分析提供了更多的信息。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明的一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线，包括上位机、馈源、控制模块以及两个以上子反射面；
其中，每个子反射面都是相同的主动式平面反射面，配套有对应的俯仰转轴、方位转轴、前后运动台以及基座，其中，前后运动台安装在基座上；
方位向和俯仰向的两个以上子反射面组成二维大反射面；馈源放置在二维大反射面前方，馈源的波束正好覆盖天线的面积，馈源向二维大反射面发射频率步进信号；
上位机用于在馈源开始发射频率步进信号以及完成一个扫描角度后，向控制模块给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，直到扫描波束覆盖整个空域；
控制模块用于根据上位机给定的给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，计算各个频点下子反射面的俯仰、方位和前后的机械运动量并发送给俯仰转轴、方位转轴和前后运动台；
俯仰转轴、方位转轴和前后运动台接收控制模块发送的机械运动量对子反射面的俯仰旋转、方位旋转以及前后运动进行控制，完成一个扫描角度；
其中，所述俯仰、方位和前后的机械运动量计算方式具体如下：
子反射面俯仰转角θm：
Figure BDA0002709971530000021
子反射面方位转角φm：
Figure BDA0002709971530000022
子反射面前后步进量zm：
Figure BDA0002709971530000031
其中：
Figure BDA0002709971530000032
Figure BDA0002709971530000033
θ为反射波束俯仰角，φ为反射波束方位角，R为馈源距离反射面的距离，λc为不同频点下的波长。
其中，所述子反射面的方位转轴在基座上。
其中，所述子反射面的方位转轴在反射面上。
有益效果：
本发明基于频率步进信号，在降低超大反射阵面系统的瞬时带宽的同时实现了高距离分辨率。频率步进信号的实现思路是发射一连串的窄带信号，每个窄带脉冲的载频是步进的，步进量是Δf，初始载频是f0，即第n个窄带脉冲的载频为fn＝f0+nΔf。信号接收机是对每个窄带脉冲分别采样接收，大大降低了后续处理的难度。通过发射N个脉冲得到总带宽为NΔf的宽带信号，对N个窄带回波的综合处理使距离分辨率提高至
Figure BDA0002709971530000041
即得到宽带信号下的高距离分辨率扫描结果，通过俯仰向和方位向扫描相结合的方法，得到大角度的天线扫描结果，扩大了天线的探测范围，为后续目标检测、识别分析提供了更多的信息。
附图说明
图1为本发明超大反射阵工作模式示意图；
图2为本发明实验验证俯仰角2°方位角-20°时的二维方向图；
图3为本发明实验验证俯仰角2°方位角-20°时的三维方向图；
图4为本发明第一型子反射面设计，方位转轴在基座上；
图5为本发明第二型子反射面设计，方位转轴在反射面上。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明是一种基于频率步进信号实现超大口径反射面天线宽角度扫描的天线，包括上位机、馈源、控制模块以及多个子反射面。
其中，每个子反射面都是相同的主动式平面反射面，配套有对应的俯仰转轴、方位转轴、前后运动台以及基座，其中，前后运动台安装在基座上。子反射面可进行三个自由度的机械运动，分别由俯仰转轴、方位转轴和前后运动台来控制。其结构有两种设计方法，分别是如图4所示的方位转轴在基座上的第一型子反射面和如图5所示的方位转轴在反射面上的第二型子反射面。
方位向和俯仰向的多个子反射面组成二维大反射面。馈源放置在二维大反射面前方，馈源的波束正好覆盖天线的面积，馈源向二维大反射面发射频率步进信号；
上位机用于在馈源开始发射频率步进信号以及完成一个扫描角度后，向控制模块给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，直到扫描波束覆盖整个空域；
控制模块用于根据上位机给定的给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，计算各个步进频点下子反射面的俯仰、方位和前后的机械运动量并发送给俯仰转轴、方位转轴和前后运动台；
俯仰转轴、方位转轴和前后运动台接收控制模块发送的机械运动量对子反射面的俯仰旋转、方位旋转以及前后运动进行控制，完成一个扫描角度。
本发明的超大反射阵的工作模式如图1所示，由馈源向反射阵面发射频率步进信号，第N个脉冲的载频为fn＝f0+nΔf。根据波长和频率的关系，可以得到每个脉冲信号的波长
Figure BDA0002709971530000051
在相同的天线扫描角度下，信号的载频每步进一次，控制模块就要计算相对应的子反射面三自由度机械步进量，即对每个步进频点都计算反射面的俯仰、方位向转角和前后步进量。利用子反射面的俯仰、方位、前后步进量对子反射面俯仰、方位、前后进行控制，所有频点的三自由度俯仰、方位机械运动量对子反射面俯仰和方位向的控制完成后，即完成一个扫描角度上的天线功能。对下一个设定的天线扫描角度，重新计算各个频点下的机械步进量，通过子反射面机械步进量控制每个子反射面的机械步进，改变反射面天线的照射角度，重复此步骤，通过不断改变天线预设的照射角度，直到扫描角度覆盖整个探测范围，实现空域的宽角度扫描，得到高分辨率的回波信息。
以扫描角度俯仰角θ和方位角
Figure BDA0002709971530000052
为例，反射面的三自由度机械步进量角度计算方式具体如下：
子反射面俯仰转角θm：
Figure BDA0002709971530000061
子反射面方位转角φm：
Figure BDA0002709971530000062
子反射面前后步进量zm：
Figure BDA0002709971530000063
其中：
Figure BDA0002709971530000064
Figure BDA0002709971530000065
θ为反射波束俯仰角，φ为反射波束方位角，R为馈源距离反射面的距离，λc为不同频点下的波长。
实验验证：
本实验所用天线包括1个俯仰向、10个相同的方位向子反射面组成超大反射阵，扩大了反射面积。每个子反射面宽为2米，长为3米。馈源放置在反射面前方100米处，馈源向反射面发射频率步进信号，信号的中心频率为1.35GHz，步进间隔为0.5MHz，形成带宽为10M的宽带信号。在设定的反射角度下，对于每一个频点分别计算其对应的子反射面机械步进量，进行机械步进。接着对下一个设定的角度，分别计算每个频点下的机械步进量，进行机械步进。重复上述步骤，直到天线完成俯仰角0°～20°、方位角-20°～+20°的大角度扫描。
现举例说明，当设定的俯仰角为2°，方位角为-20°时，步进频点从1.345GHz，以0.5M为步进间隔，步进至1.355GHz，生成10M的宽带信号。在每个频点下的机械步进量，即俯仰转角θm、方位转角φm和前后步进量zm可以相应计算得出。表1展示了载频为1.345GHz、1.35Hz和1.355GHz时的机械步进量。
表1俯仰角2°，方位角-20°时各步进频点对应的机械步进量
Figure BDA0002709971530000071
Figure BDA0002709971530000081
Figure BDA0002709971530000091
图2和图3为俯仰角2°方位角-20°时的各频点对应的二维和三维的天线方向图。由图2和图3可知，各频点的方向图都在方位角为-20°时达到峰值。表明了在同一预设角度下，根据各频点计算出的机械步进量进行机械步进后，产生的天线方向图相同。
本发明通过发射频率步进信号，得到带宽为10MHz的宽带信号，相较于带宽为1MHz的信号，其距离分辨率从150米提升至15米，大大改进了距离分辨率。
本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于频率步进的超大反射阵宽角扫描天线，其特征在于，包括上位机、馈源、控制模块以及两个以上子反射面；
其中，每个子反射面都是相同的主动式平面反射面，配套有对应的俯仰转轴、方位转轴、前后运动台以及基座，其中，前后运动台安装在基座上；
方位向和俯仰向的两个以上子反射面组成二维大反射面；馈源放置在二维大反射面前方，馈源的波束正好覆盖天线的面积，馈源向二维大反射面发射频率步进信号；
上位机用于在馈源开始发射频率步进信号以及完成一个扫描角度后，向控制模块给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，直到扫描波束覆盖整个空域；
控制模块用于根据上位机给定的给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，计算各个频点下子反射面的俯仰、方位和前后的机械运动量并发送给俯仰转轴、方位转轴和前后运动台；
俯仰转轴、方位转轴和前后运动台接收控制模块发送的机械运动量对子反射面的俯仰旋转、方位旋转以及前后运动进行控制，完成一个扫描角度；
其中，所述俯仰、方位和前后的机械运动量计算方式具体如下：
子反射面俯仰转角θm：
Figure FDA0002709971520000011
子反射面方位转角φm：
Figure FDA0002709971520000012
子反射面前后步进量zm：
Figure FDA0002709971520000021
其中：
Figure FDA0002709971520000022
Figure FDA0002709971520000023
θ为反射波束俯仰角，φ为反射波束方位角，R为馈源距离反射面的距离，λc为不同频点下的波长。
2.如权利要求1所述的超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，所述子反射面的方位转轴在基座上。
3.如权利要求1所述的超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，所述子反射面的方位转轴在反射面上。
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