CN114256638A - 一种平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法 - Google Patents

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CN114256638A CN202111476939.1A CN202111476939A CN114256638A CN 114256638 A CN114256638 A CN 114256638A CN 202111476939 A CN202111476939 A CN 202111476939A CN 114256638 A CN114256638 A CN 114256638A
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Abstract

本发明涉及微波辐射计领域，特别涉及一种平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法。辐射计包括：平面正交天线阵列、公共噪声源、第一和第二定标开关、相关体制接收机和复相关器；其中，平面正交天线阵列包括：空间正交排布的第一平面子阵和第二平面子阵，其中，所述第一平面子阵和第二平面子阵包括：独立馈电系统，并具有相同的相位中心和相同的波束指向，用于同时观测同一目标的辐射信号，并分别输出独立的观测信号。本发明提供的平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法，通过两个平面正交天线阵列相关，实现空间窄波束，简化定标方案，解决定标开关前馈线损耗与天线损耗引入的噪声干扰，降低系统复杂程度和实现成本。

Description

一种平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法
技术领域
本发明涉及微波辐射计领域，特别涉及一种平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法。
背景技术
被动微波遥感辐射计是实现地球遥感观测的重要手段之一，其通过接收观测目标的辐射信号得到目标区域的亮度和温度分布，从而进一步分析目标的各种物理特性。微波辐射计观测中，天线阵列大小决定了观测空间分辨率，接收机性能影响着系统的稳定性和灵敏度，两者都是辐射计系统的重要组成部分。目前辐射测量技术主要有单通道的传统接收机架构测量系统和多通道的相关接收机架构测量系统。相比于单通道的传统架构的辐射计，相关架构辐射测量系统包含两个独立的接收机和一个复相关器，在完成基本测量的同时可以通过相关器得到观测目标信号的相关信息，实现更多信号的测量，当前新体制新概念辐射计大多都是基于相关体制的设计架构。
基于相关体制的辐射测量技术从射电天文学开始发展，如干涉测量技术，并将其运用到了地球遥感中，即干涉式综合孔径微波辐射计技术(参考文献[1]:C.S.Ruf,C.T.Swift,A.B.Tanner and D.M.Le Vine,“Interferometric synthetic aperturemicrowave radiometry for the remote sensing of the earth”,IEEE Trans.GRS,Vol.26,No.5,pp.597-611,Sep.1988)。干涉式综合孔径技术将大孔径天线分散成若干个小孔径天线，单独测量这些小孔径天线的信号并进行相关，实现观测场景亮温的空间频率域测量，之后通过傅里叶变换得到实际的场景亮温分布，完成目标遥感。干涉式综合孔径微波辐射计将小孔径天线稀疏阵列和相关体制接收机结合起来，实现了遥感观测空间分辨率的极大提高，同时解决了机械扫描和大孔径天线的设计难的问题。
除了基于多通道阵列式相关架构的干涉式综合孔径微波辐射计外，相关接收机架构在其他新体制辐射计当中也有广泛应用，实现了具有极化测量、谱测量和稳定度提升优点的用于观测目标的系统。在全极化辐射测量中使用直接相关型全极化辐射计(参考文献[2]:N.Skou,B.Laursen and S.Sobjaerg,"Polarimetric radiometer configurations:potential accuracy and sensitivity,"in IEEE Transactions on Geoscience andRemote Sensing,vol.37,no.5,pp.2165-2171,Sept.1999,doi:10.1109/36.789613.)测量技术，可以通过有两个极化通道接收机接收到的水平极化和垂直极化信号的相关结果得到全部的Stokes参数，完成全极化测量。相比于组合型全极化辐射计，直接相关型全极化辐射计的结构更为简单，在功耗、尺寸、重量、系统复杂性和造价方面有明显的优势。此外，相关体制也被应用于单通道接收机架构当中，通过自相关谱仪的形式实现微波谱辐射计设计。在测量湖泊冰袋或积雪厚度应用中，宽带自相关辐射测量(WiBAR)(参考文献[3]:S.Mousavi,R.D.De Roo,K.Sarabandi,A.W.England,S.Y.E.Wong and H.Nejati,"Lakeicepack and dry snowpack thickness measurement using wideband autocorrelationradiometry",IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.,vol.56,no.3,pp.1637-1651,Mar.2018.)为冰雪厚度测量提供了一种新方法，并在近些年得到快速发展。该技术对干雪堆或淡水湖冰袋低损耗层状表面多径微波发射的微波传播时间τ延迟进行测量，从而得到湖泊冰袋或积雪厚度参数。相对于主动遥感，宽带自相关辐射测量具有全天候、低功耗和低成本的优势。除了以上的相关接收及架构的辐射计系统，在对于如何提高辐射计的性能上，参照相关体制提出了一种伪相关辐射计的设计方案，通过两个输入信号的连续比较和差分，提高系统整体稳定性(参考文献[4]:Andrews,M.,et al."The Ultra-WidebandSoftware Defined Microwave Radiometer(UWBRAD)for Ice sheet subsurfacetemperature sensing:Calibration and campaign results."IGARSS 2017-2017IEEEInternational Geoscience and Remote Sensing Symposium IEEE,2017.)。
此外，对于相关体制辐射测量的天线阵列设计，干涉式综合孔径辐射计采用一维或二维稀疏阵列，在其他的相关体制辐射计中，如全极化辐射计和自相关辐射计，一般采用真实孔径阵列设计。除了上述的天线阵列，Mills等人提出的一种由两个长天线组成的“十”字阵列的特殊天线设计形式(参考文献[5]:Mills,B.Y.,and A.G.Little."A High-resolution Aerial System of a New Type."Australian Journal of Physics 6.3(1953))，并将之与相关体制接收机连用，通过两个线阵天线的空间正交扇形波束方向图的相关形成二维窄波束观测，极大的降低了天线设计难度以及成本。在Mills十字阵的基础上，David Le Vien等人在提出通过将两个线阵改造为相控体制，从而进一步实现二维空间波束电扫描(参考文献[6]:D.M.Le Vine,The sensitivity of synthetic apertureradiometers for remote sensing applications from space,Radio Sci.,vol.25,no.4,pp.441–453,1990.)。
基于多通道阵列式相关架构的干涉式综合孔径辐射计通过干涉测量实现高分辨率和大视场成像的同时，会增加系统的设计复杂程度和定标难度。而其他的相关体制辐射计，如全极化辐射计和自相关辐射计，一般采用真实孔径阵列设计，存在大天线设计难度高以及定标时其馈线自身损耗引入的亮温难以校正的问题。Mills cross天线阵可以通过相关信号消除天线端引入的非相关信号，但天线阵仅仅是两个线阵交叉组成，其阵列因子相乘得到的相关方向图副瓣较大，主波束效率低，对系统观测灵敏度产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决Mills cross天线阵副瓣大、主波束效率低的问题，同时解决定标开关之前的天线及其馈线自身损耗引入的亮温难以校正的问题，从而提出一种平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法。本发明提供的一种平面正交天线阵列及其辐射计和其探测方法，通过两个平面正交天线阵列的相关，实现空间窄波束，简化定标方案，降低系统复杂程度和实现成本。
为实现上述发明目的，本发明的一种平面正交天线阵列，其特征在于，所述阵列包括：空间正交排布的第一平面子阵和第二平面子阵，其中，所述第一平面子阵和第二平面子阵包括：独立馈电系统，并具有相同的相位中心和相同的波束指向，用于同时观测同一目标的辐射信号，并分别输出独立的观测信号。
作为上述装置的一种改进，在平面正交天线阵列中，所述第一平面子阵为扩展后的第一一维子阵列Tx，所述第二平面子阵为扩展后的第二一维子阵列Ty；其中，
所述第一一维子阵列和第二一维子阵列的相位中心重合，并且空间正交排布，组成一个十字正交阵列；
基于相关辐射计和搭载平台的要求信息，所述第一一维子阵列Tx包括2M个天线单元，其单元间隔为dx；第二一维子阵列Ty；所述第二一维子阵列Ty包括2N个天线单元，其单元间隔为dy；其中，
所述第一一维子阵列Tx和所述第二一维子阵列Ty中，每个所述天线单元基于与相位中心的距离进行编号；其中，由近到远依次编号分别为：x±1,x±3,…,x±(2M-1)和y±1,y±3,…,y±(2N-1)，其中‘±’表示位于相位中心两侧；
以所述第一一维子阵列的每个天线单元xi为基点，所述第一一维子阵列Tx的垂直方向上，每隔所述天线间隔dy的距离，天线单元xi的两侧分别添加mi个所述天线单元，形成所述扩展后的第一一维子阵列，作为第一平面子阵；其中，xi为第i个所述第一一维子阵列的天线单元，mi为以天线单元xi为基点，在一侧添加的所述天线单元个数，i＝±1,±3,…±(2M-1)；
以所述第二一维子阵列的每个单元天线yj为基点，所述第二一维子线阵列Ty的垂直方向上，每隔所述天线间隔dx的距离，天线单元yj的两侧分别添加nj个天线单元，形成扩展后的第二一维子阵列，作为所述第二平面子阵；其中，yj为第j个所述第二一维子阵列的天线单元，nj为以单元天线yj为基点，在一侧添加的所述天线单元个数，j＝±1,±3,…±(2N-1)。
作为上述装置的一种改进，所述第一和第二一维子阵列包括：均匀分布的偶数个所述天线单元；所述十字正交阵列具有中心对称特性。
作为上述装置的一种改进，分别以第i和第j个天线单元为基点，添加的天线单元总个数2mi和2nj为偶数，并且分别对称的分布在第i和第j个天线单元的两侧，；所述mi和nj满足以下关系：
m±(2M-1)≤m±(2M-3)≤…≤m±1≤N
n±(2N-1)≤n±(2N-3)≤…≤n±1≤M
其中，i＝±1,±3,…±(2M-1)，N为所述第一一维子阵列Tx水平方向上的总天线个数的一半，M为第二一维子阵列Ty水平方向上的总天线个数的一半。
作为上述装置的一种改进，所述平面正交天线阵列的形状包括：多边形。
作为上述装置的一种改进，所述空间正交排布的第一和第二平面子阵的方向图相乘为所述平面正交天线阵列的方向图：具体过程包括：
基于第一和第二平面子阵，获得两个平面子阵的方向图f1(ξ,η)和f2(ξ,η):
Figure BDA0003393818410000041
其中，
Figure BDA0003393818410000042
是单个天线单元方向图；N0、M0为两个平面子阵的天线单元；(ul,vl)＝(Dxl,Dyl)/λ、(uk,vk)＝(Dxk,Dyk)/λ，其中λ为平面正交天线阵列的工作波长，(Dxl,Dyl)、(Dxk,Dyk)为天线单元与相位中心的距离；(ξ,η)＝(sin(θ)cos(φ),sin(θ)sin(φ))表示方向余弦，其中θ和φ为天线单元观测方向的俯仰角和方位角，此处上标1j是虚数符号。通过两个平面子阵的方向图相乘，获得正交相关阵列的乘积方向图：
F(ξ,η)＝f1(ξ,η)·f2(ξ,η)
其中，f1(ξ,η)和f2(ξ,η)分别为所述第一和第二平面子阵的方向图。
两个子阵的乘积方向图在空间中形成的是笔形波束，在不同的方向上都有较窄的波束宽度，提高了天线的空间分辨率；同时相比于Mill’s cross阵列，该正交阵列提高了主波束效率并降低了副瓣电平，极大的提高了阵列性能。
为实现本发明的再一目的，本发明提供一种平面正交阵列相关辐射计，基于上述平面正交天线阵列实现，所述辐射计包括：平面正交天线阵列、公共噪声源、第一定标开关、第二定标开关、相关体制接收机和复相关器；其中，
所述公共定标源，在定标观测时，用于输出噪声信号S0；所述噪声信号S0经功分器公分后，形成第一分工信号S01和第二分工信号S02，并分别传输至第一和第二定标开关；
所述平面正交天线阵列，包括：空间正交排布的第一平面子阵和第二平面子阵；在探测目标时，用于同时观测并接收同一目标的辐射信号s1和s2，并分别输出独立的第一和第二观测信号a1和a2；
所述第一和第二定标开关在所述平面正交天线阵列和公共噪声源之间进行周期性转换；在定标观测时，用于分别接收所述第一分工信号S01和第二分工信号S02，并输出第一和第二定标开关信号c1和c2，其中
Figure BDA0003393818410000051
所述第一和第二定标开关，在探测目标时，用于接收经馈线损耗的第一和第二观测信号b1和b2，并输出第一和第二定标开关信号c1和c2；所述相关体制接收机，包括：两个独立的接收通道，用于分别接收第一和第二定标开关信号c1和c2，进行放大滤波处理，形成两个接收信号d1和d2，并输入到所述复相关器；
所述复相关器，基于所述两个接收信号d1和d2，用于进行相关运算，并输出两路所述观测信号的相关结果。
为实现本发明的再一目的，本发明提供一种平面正交阵列相关辐射计的探测方法，基于平面正交阵列相关辐射计实现，本发明提供的平面正交相关辐射计由平面正交相关阵列的两个正交、同相位的平面子阵接收辐射信号，传输到两通道接收机，最终输出两个信号的相关结果，因此，该体制辐射计观测方案，可以解决定标开关之前的天线及其馈线自身损耗引入的亮温难以校正的问题并简化定标难度，包括以下步骤：
步骤1)通过所述平面正交天线阵列的第一平面子阵和第二平面子阵，同时观测并接收同一目标的辐射信号s1和s2，并分别输出独立的第一和第二观测信号a1和a2；
步骤2)通过所述第一和第二定标开关在对应的定标平面处接收损耗的第一和第二观测信号b1和b2，并输出第一和第二定标开关信号c1和c2；
步骤3)通过所述相关体制接收机，通过两个独立的接收通道分别接收第一和第二定标开关信号c1和c2，进行放大滤波处理，形成第一和第二输出信号d1和d2，并输入到所述复相关器；
步骤4)所述复相关器，基于所述两个输出信号d1和d2，进行相关运算，并输出两路所述观测信号的相关结果Ca。
作为上述方法的一种改进，所述探测方法还包括：所述第一和第二定标开关周期性转换至公共噪声源进行定标观测；其中，所述公共噪声源用于输出噪声信号S0；所述噪声信号S0经功分器公分后，形成第一分工信号S01和第二分工信号S02，并分别传输至第一和第二定标开关进行定标。平面正交相关辐射计系统通过两个定标开关实现目标观测和系统定标观测，以定标开关前侧为定标平面，分析定标平面获得系统信号传递方程。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：所述平面正交天线阵列的第一平面子阵和第二平面子阵同时观测同一目标源，接收到目标辐射信号分别为s1和s2，输出两个观测信号a1和a2分别为：
Figure BDA0003393818410000061
Figure BDA0003393818410000062
其中，η1和η2分别为天线辐射效率，na1和na2分别为两个平面子阵自身辐射噪声。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中损耗的第一和第二观测信号b1和b2分别为：
Figure BDA0003393818410000063
Figure BDA0003393818410000064
其中，β1和β2分别为第一和第二定标开关之前馈线的损耗，n1和n2分别为第一和第二定标开关之前馈线自身的辐射噪声。
因为na1、na2、n1、n2为定标开关之前引入的噪声，因此无法通过公共噪声源定标过程进行标定，但平面正交相关辐射计系统通过两个平面正交子阵的两个观测信号相关实现目标观测，两个正交子阵单独观测，因此定标平面前引入的噪声信号na1、na2、n1、n2之间互不相关，即
Figure BDA0003393818410000065
从而消除了天线损耗与定标开关前馈线损耗引入的的噪声干扰，提高测量精度。
对于信号b1、b2，其相关结果：
Figure BDA0003393818410000066
中，<·>表示相关运算，‘*’表示共轭。
作为上述方法的一种改进，所述第一和第二定标开关输出信号c1和c2分别为：
Figure BDA0003393818410000071
Figure BDA0003393818410000072
其中，l1和l2分别为第一和第二定标开关的损耗，nl1和nl2分别为第一和第二定标开关的噪声信号。
作为上述方法的一种改进，所述第一和第二输出信号d1和d2分别为：
Figure BDA0003393818410000073
Figure BDA0003393818410000074
其中，gr1和gr2分别为所述相关体制接收机的两个接收通道的电压增益；nr1和nr2分别为所述相关体制接收机的两个接收通道的等效噪声信号；
Figure BDA0003393818410000075
和
Figure BDA0003393818410000076
分别为所述相关体制接收机的两个接收通道产生的相移，此处上标1j是虚数符号。
作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：
步骤4-1)获取观测目标时，所述相关体制接收机输出信号d1、d2的复相关输出Ca：
Figure BDA0003393818410000077
其中，nr1、nr2、nl1、nl2互不相关，且都与b1、b2不相关；则相关体制接收机输出信号d1、d2的复相关输出
Figure BDA0003393818410000078
其中，
Figure BDA0003393818410000079
Ta为定标后的天线视在温度，k为玻尔兹曼常数，
Figure BDA00033938184100000710
为所述相关体制接收机两个通道产生的相差，此处上标1j是虚数符号，
Figure BDA00033938184100000711
表示所述相关体制接收机的功率增益。
作为上述方法的一种改进，该辐射计可以只通过一个公共噪声源就可实现接收机系统定标，在两个定标开关接通公共噪声源时，可以得到定标观测时的接收机相关输出结果Co为：
Figure BDA0003393818410000081
其中，To是公共噪声源温度，系数
Figure BDA0003393818410000082
是由公共噪声源信号经功分器输入到两接收通道产生。根据以上分析，平面正交相关辐射计系统只需通过一个公共噪声源To即可实现参数G、Δφ的实时标定：
Figure BDA0003393818410000083
Δφ＝angle(Co)
其中，|·|表示取绝对值，angle(·)表示取相位。
则所述定标后的天线视在温度
Figure BDA0003393818410000084
其中，To是公共噪声源温度，Co为定标观测时所述相关体制接收机的输出相关结果，其中，
Figure BDA0003393818410000085
本发明的特点在于：
1、本发明提供的平面正交相关辐射计结构简单易于实现、降低成本；
2、平面正交天线阵列能够通过两个正交子阵正交波束相乘得到窄笔形波束，相比于正交十字阵列具有好的副瓣电平和主波束效率；
3、该系统通过信号相关消除了辐射计内部接收链路噪声对观测信号的影响，特别是消除了定标开关之前的天线、馈线等噪声信号的影响；
4、该辐射计系统只需一个公共噪声源即可实现实时内定标，简化了定标方案，减小了因定标观测而引起的接收机灵敏度损失。
附图说明
图1为本发明的平面正交相关辐射计系统框架示意图；
图2为本发明的微波辐射计的平面相关天线阵列设计方法的流程图；
图3为本发明的正交十字天线阵列；
图4为本发明的平面正交相关辐射计实时定标时序图；
图5为本发明在2M＝2N＝6时十字正交阵扩展得到的四边形相关天线阵列；
图6是N＝M扩展得到的四边形相关天线阵列相关方向函数的波束效率随N、M的变化曲线
图7是2M＝4、2N＝6时十字正交阵扩展得到的六边形相关天线阵列。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
现结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1：
本发明提供的平面正交相关辐射计是一种基于相关体制接收机架构的辐射计系统，包含平面正交天线阵列和相关接收机两部分，如图1示例为采用直接放大体制接收机的平面正交相关辐射计系统框架图，此外还可以采用超外差等接收机结构实现相关接收，所述方法如下：
(一)平面正交天线阵列是一种适用于相关接收机系统的波束合成相关天线阵列，设计流程如图2所示，该方法包括：
获取系统和搭载平台要求信息，确定阵列尺寸，计算天线单元间隔
基于获取的阵列信息，设计两个具有偶数天线单元的均匀分布一维子阵列，其阵列长度和天线单元间隔分别为Dx、dx和Dy、dy、天线单元数为2N、2M。令两个一维阵列相位中心重合且空间正交排布组成一个十字正交阵列。
图3为上述方法所得到的正交十字阵列，其相位中心与阵列中心重合，阵列单元均匀对称分布在相位中心两侧。以相位中心为原点，两个线阵列为x、y轴建立一个正交坐标系，坐标轴上单位距离对应
Figure BDA0003393818410000091
或
Figure BDA0003393818410000092
将天线单元按照与坐标系原点的距离进行编号，由近到远依次可编号为：
x±1,x±3,…,x±(2M-1),y±1,y±3,…,y±(2N-1)
则天线单元xi或yj的与相位中心的距离可表示为
Figure BDA0003393818410000093
或
Figure BDA0003393818410000094
下标表示天线单元在x轴或y轴上的坐标。
以每个天线单元为基点添加天线单元，具体的，对于x轴上的天线单元，选择坐标1处的天线为基点，在x轴垂直方向上每隔dy的距离在两侧添加天线单元，个数为m1；重复上述过程，分别以x轴上其他天线单元为基点，添加mi个天线单元，i为基点天线在x轴上的坐标。
参照x轴上的天线单元的扩展方法，分别以y轴上的2N个天线为基点，在其垂直方向上每隔dx的距离在两侧添加添加nj天线单元，j为基点天线的y轴坐标。
十字阵列扩展中，每个基点天线处添加的天线单元应对称分布在天线两侧。
对于同一坐标轴上关于原点对称的两个基点天线有：
mi＝m-i、nj＝n-j
对于不同位置上基点天线处添加的天线单元数进行规范：
m2M-1≤m2M-3≤…≤m1≤N
n2N-1≤n2N-3≤…≤n1≤M
对所得到的新的平面相关阵列进行判定，若天线性能不满足设计要求，重新在基点天线处添加单元天线，直至得到满足设计要求的天线阵列。
基于获得的平面正交天线阵列，其两个平面子阵合成两个波束信号：
Figure BDA0003393818410000101
Figure BDA0003393818410000102
两个合成波束信号相乘得到的窄的合成波束：
Figure BDA0003393818410000103
(二)参考图1所示的平面正交相关辐射计模型框图，分析辐射计的信号传输模型以及定标方案，所述方法如下：
在实现目标观测时，所述平面正交天线阵列的第一平面子阵和第二平面子阵同时观测同一目标源，接收到目标辐射信号为s1、s2，则输出两个观测信号a1、a2:
Figure BDA0003393818410000104
Figure BDA0003393818410000105
其中，η1、η2为天线辐射效率，na1、na2分别为两个平面子阵自身辐射噪声。
考虑馈线损耗，定标平面B处的信号b1、b2为：
Figure BDA0003393818410000106
Figure BDA0003393818410000107
其中，β1、β2为定标开关之前馈线的损耗的损耗；n1、n2为定标开关之前馈线自身的辐射噪声。平面正交相关辐射计系统通过两个定标开关实现目标观测和系统定标观测，以定标开关前测为定标平面，分析定标平面获得系统信号传递方程。在定标平面处接收到信号b1、b2，通过定标开关，在考虑定标开关损耗时，则观测信号通过定标开关可以得到平面C处的信号，输出的信号c1、c2为：
Figure BDA0003393818410000108
其中，l1、l2为定标开关以及定标开关损耗；nl1、nl2为定标开关的噪声信号。定标开关输出的信号c1、c2传输到相关接收机两个通道进行放大、滤波处理，输出d1、d2:
Figure BDA0003393818410000111
Figure BDA0003393818410000112
式中，gr1、gr2为接收机的电压增益；nr1、nr2表示接收机的噪声信号；
Figure BDA0003393818410000113
为接收机通道产生的相移。接收机接收到的信号d1、d2通过采样及相关运算，得到辐射计系统的相关输出：
Figure BDA0003393818410000114
式中〈·〉表示相关运算,‘*’表示取共轭。
相比于传统的辐射计系统，平面正交相关辐射计的两个接收信号由正交、同相位中心的两个子阵接收，并通过两个通道传输，因此信号接收过程中由定标开关、馈线损耗、接收机等引入的噪声信号之间是不相关的。在两个接收进行复相关运算时，由辐射计系统引入的非相关信号之间的相关为0，从而消除了接收机系统噪声的影响，可以建立辐射计系统相关输出与定标开关输入信号之间的关系。
具体地，观测目标辐射信号由平面正交天线阵列的两个正交子阵收集，并通过两个接收机通道接收，因此天线损耗、馈线损耗以及接收机引入的噪声信号之间非相关，因此可以得到观测目标时的相关输出结果为：
Figure BDA0003393818410000115
其中，
Figure BDA0003393818410000121
Ta为天线视在温度，k为玻尔兹曼常数，
Figure BDA0003393818410000122
为接收机通道产生的相差，1j是虚数符号，
Figure BDA0003393818410000123
表示接收机系统功率增益。
如图4所示为辐射计实时定标时序图，定标开关在天线和公共噪声源之间进行周期性转换对系统进行实时定标。辐射计定标时，得到定标时的辐射计相关输出为：
Figure BDA0003393818410000124
To为公共噪声源亮温，系数
Figure BDA0003393818410000125
是由公共噪声源信号经功分器输入到两接收通道产生。根据以上分析可知通过一个公共噪声源便可实现对辐射计系统内定标，其定标参数为：
Figure BDA0003393818410000126
Figure BDA0003393818410000127
其中，|·|表示取绝对值，angle(·)表示取相位。
定标后的天线视在温度Ta为：
Figure BDA0003393818410000128
辐射计最终的相关运算输出，仅与两个子阵方向图重叠覆盖视场部分的亮温有关；两个子阵天线自身损耗、馈线损耗及接收机噪声均为非相关噪声，对相关测量结果无贡献。在定标过程中，仅由一个公共噪声源便可完成接收机输入输出关系定标。因此，平面正交相关辐射计很好的解决定标开关之前的天线及其馈线自身损耗引入的亮温难以校正的问题，并同时简化了接收机的定标方案，减少了系统定标观测时长，见降低了因定标带来的灵敏度损失。
实施例2：
在本仿真实例中，天线单元为各向同性天线，天线间隔dx＝dy＝0.5λ，设计两个以为均匀分布阵列，单元数为2N＝2M＝2N0，并同相位中心组成一个正交十字阵列。在正交十字阵中，阵列两臂为Tx、Ty。如图2，对Tx、Ty的天线单元进行编号，x±1,x±3,…,x±(2M-1),y±1,y±3,…,y±(2N-1)。
基于上述天线单元编号，选择编号为x1的天线单元为基点，在线阵列Tx的垂直方向上每隔dy的距离在两侧添加天线单元，个数为m1；重复重复上述过程，依次以线阵列Tx上的其他天线单元为基点，添加mi个天线单元：
xi:mi＝2N0-|i|-1 i＝±1,±3,…,±(2N0-1)
参照线阵列Tx的扩展方法，分别以线阵列Ty上的天线单元yj为基点，在线阵列Ty的垂直方向上每隔dx的距离在两侧添加天线单元，个数为nj:
yj:nj＝2N0-|j|-1 j＝±1,±3,…,±(2N0-1)
通过上述过程完成对mills cross阵列天线的扩展，得到一个四边形相关天线阵列。当2N＝2M＝6时，扩展得到的四边形相关阵列如图5所示。
进一步分析获得的四边形相关天线阵列，通过两平面子阵的电压方向图获得相关方向图，计算得到的波束效率随N、M的变化曲线如图6所示，计算3dB波束宽度θ3dB为：
Figure BDA0003393818410000131
其中，di取dx或dy；
实施例3：
在本仿真实例中，天线单元为各向同性天线作为，天线间隔dx＝dy＝0.5λ，设计两个以为均匀分布阵列，单元数2M<2N，并同相位中心组成一个正交十字阵列。在正交十字阵中，阵列两臂为Tx、Ty。如图3，对Tx、Ty的天线单元进行编号，x±1,x±3,…,x±(2M-1),y±1,y±3,…,y±(2N-1)。
基于上述天线单元编号，以Tx的天线单元xi为基点，在线阵列Tx的垂直方向上每隔dy的距离在两侧添加天线单元，个数为mi：
xi:mi＝2N-|i|-1 i＝±1,±3,…,±(2M-1)
参照线阵列Tx的扩展方法，分别以线阵列Ty上的天线单元yj为基点，在线阵列Ty的垂直方向上每隔dx的距离在两侧添加天线单元，个数为nj，若其y轴坐标j≤2N-2M+1时，在对应天线单元处添加：
yj:nj＝M-2 j＝±1,±3,…,±(2N-2M+1)
若基点天线y轴坐标满足2N-2M+3≤|j|≤2N-1时，添加的天线单元数目为：
yj:nj＝2N-|j|-1 |j|＝2N-2M+3,…,2N-1
通过上述过程完成对mills cross阵列天线的扩展，得到一个六边形相关天线阵列，当N＝4，M＝6时，扩展得到的六边形相关阵列如图7所示。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的平面正交相关辐射计结构简单易于实现、降低成本；平面正交天线阵列能够通过两个正交子阵正交波束相乘得到窄笔形波束，相比于正交十字阵列具有好的副瓣电平和主波束效率；平面正交阵列相关辐射计系统通过信号相关消除了辐射计内部接收链路噪声对观测信号的影响，特别是消除了定标开关之前的天线、馈线等噪声信号的影响；该辐射计系统只需一个公共噪声源即可实现实时内定标，简化了定标方案，减小了因定标观测时而引起的接收机灵敏度损失。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种平面正交天线阵列，其特征在于，所述阵列包括：空间正交排布的第一平面子阵和第二平面子阵，其中，所述第一平面子阵和第二平面子阵包括：独立馈电系统，并具有相同的相位中心和相同的波束指向，用于同时观测同一目标的辐射信号，并分别输出独立的观测信号。
2.根据权利要求1所述的平面正交天线阵列，其特征在于，所述第一平面子阵为扩展后的第一一维子阵列Tx，所述第二平面子阵为扩展后的第二一维子阵列Ty；其中，
所述第一一维子阵列和第二一维子阵列的相位中心重合，并且空间正交排布，组成一个十字正交阵列；
基于相关辐射计和搭载平台的要求信息，所述第一一维子阵列Tx包括2M个天线单元，其单元间隔为dx；所述第二一维子阵列Ty包括2N个天线单元，其单元间隔为dy；其中，
所述第一一维子阵列Tx和所述第二一维子阵列Ty中，每个所述天线单元基于与相位中心的距离进行编号；其中，由近到远依次编号分别为：x±1，x±3，…，x±(2M-1)和y±1，y±3，…，y±(2N-1)，其中‘±’表示位于相位中心两侧；
以所述第一一维子阵列的每个天线单元xi为基点，所述第一一维子阵列Tx的垂直方向上，每隔所述天线间隔dy的距离，天线单元xi的两侧分别添加mi个所述天线单元，形成所述扩展后的第一一维子阵列，作为第一平面子阵；其中，xi为第i个所述第一一维子阵列Tx的天线单元，i＝±1，±3，…±(2M-1)；
以所述第二一维子阵列的每个单元天线yj为基点，所述第二一维子线阵列Ty的垂直方向上，每隔所述天线间隔dx的距离，天线单元yj的两侧分别添加nj个天线单元，形成扩展后的第二一维子阵列，作为所述第二平面子阵；其中，yj为第j个所述第二一维子阵列Ty的天线单元，j＝±1，±3，…±(2N-1)。
3.根据权利要求2所述的平面正交天线阵列，其特征在于，分别以第i和第j个天线单元为基点，添加的天线单元总个数2mi和2nj为偶数，并且分别对称的分布在第i和第j个天线单元的两侧；所述mi和nj满足以下关系：
m±(2M-1)≤m±(2M-3)≤…≤m±1≤N
n±(2N-1)≤n±(2N-3)≤…≤n±1≤M
其中，i＝±1，±3，…±(2M-1)，N为所述第二一维子阵列Ty总天线个数的一半，M为第一一维子阵列Tx总天线个数的一半。
4.根据权利要求1所述的平面正交天线阵列，其特征在于，所述平面正交天线阵列的形状包括：多边形。
5.根据权利要求1所述的平面正交天线阵列，其特征在于，所述空间正交排布的第一和第二平面子阵的方向图相乘为所述平面正交天线阵列的方向图：具体过程包括：
基于第一和第二平面子阵，获得第一平面子阵的方向图f1(ξ，η)和第二平面子阵的方向图f2(ξ，η)：
Figure FDA0003393818400000021
其中，fa(ξ，η)是单个天线单元方向图；{N0}和{M0}分别为两个平面子阵的天线单元集合，(ul，vl)＝(Dxl，Dyl)/λ，(uk，vk)＝(Dxk，Dyk)/λ，其中λ为平面正交天线阵列的工作波长，(Dxl，Dyl)和(Dxk，Dyk)分别为天线单元与相位中心的距离，(ξ，η)表示方向余弦，且(ξ，η)＝(sin(θ)cos(φ)，sin(θ)sin(φ))，其中，θ和φ分别为天线观测的俯仰角和方位角，此处上标1j为虚数符号；
通过两个平面子阵的方向图f1和f2相乘，获得正交相关阵列的乘积方向图：
F(ξ，η)＝f1(ξ，η)·f2(ξ，η)。
6.一种平面正交阵列相关辐射计，基于权利要求1-5任一所述平面正交天线阵列实现，所述辐射计包括：平面正交天线阵列、公共噪声源、第一定标开关、第二定标开关、相关体制接收机和复相关器；其中，
所述公共定标源，在定标观测时，用于输出噪声信号S0；所述噪声信号S0经功分器公分后，形成第一功分信号S01和第二功分信号S02，并分别传输至第一和第二定标开关；
所述平面正交天线阵列，包括：空间正交排布的第一平面子阵和第二平面子阵；在探测目标时，用于同时观测并接收同一目标的辐射信号s1和s2，并分别输出独立的第一和第二观测信号a1和a2；
所述第一和第二定标开关在所述平面正交天线阵列和公共噪声源之间进行周期性转换；在定标观测时，用于分别接收所述第一分工信号S01和第二分工信号S02，并输出第一和第二定标开关信号c1和c2；所述第一和第二定标开关，在探测目标时，用于接收经馈线损耗的第一和第二观测信号b1和b2，并输出第一和第二定标开关信号c1和c2；
所述相关体制接收机，包括：两个独立的接收通道，分别用于接收第一和第二定标开关输出信号c1和c2，进行放大、滤波处理，形成两个接收信号d1和d2，并输入到所述复相关器；
所述复相关器，基于所述两个接收信号d1和d2，用于进行相关运算，并输出两路所述观测信号的相关结果。
7.一种平面正交阵列相关辐射计的探测方法，基于权利要求6所述的平面正交阵列相关辐射计实现，包括以下步骤：
步骤1)通过所述平面正交天线阵列的第一平面子阵和第二平面子阵，同时观测并接收同一目标的辐射信号s1和s2，并分别输出独立的第一和第二观测信号a1和a2；
步骤2)通过所述第一和第二定标开关在对应的定标平面处接收损耗的第一和第二观测信号b1和b2，并输出第一和第二定标开关信号c1和c2；
步骤3)通过所述相关体制接收机，通过两个独立的接收通道分别接收第一和第二定标开关信号c1和c2，进行放大滤波处理，形成第一和第二输出信号d1和d2，并输入到所述复相关器；
步骤4)所述复相关器，基于所述两个输出信号d1和d2，进行相关运算，并输出两路所述观测信号的相关结果Ca。
8.根据权利要求7所述的一种平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括：所述第一和第二定标开关周期性转换至公共噪声源进行定标观测；其中，所述公共噪声源用于输出噪声信号S0；所述噪声信号S0经功分器公分后，形成第一分工信号S01和第二分工信号S02，并分别传输至第一和第二定标开关进行定标。
9.根据权利要求7所述的平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：所述平面正交天线阵列的第一平面子阵和第二平面子阵同时观测同一目标源，接收到目标辐射信号分别为s1和s2，输出两个观测信号a1和a2分别为：
Figure FDA0003393818400000031
Figure FDA0003393818400000032
其中，η1和η2分别为天线辐射效率，na1和na2分别为两个平面子阵自身辐射噪声。
10.根据权利要求9所述的平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述步骤2)中损耗的第一和第二观测信号b1和b2分别为：
Figure FDA0003393818400000041
其中，β1和β2分别为第一和第二定标开关之前馈线的损耗，n1和n2分别为第一和第二定标开关之前馈线自身的辐射噪声。
11.根据权利要求10所述的平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述第一和第二定标开关信号c1和c2分别为：
Figure FDA0003393818400000042
Figure FDA0003393818400000043
其中，l1和l2分别为第一和第二定标开关的损耗，nl1和nl2分别为第一和第二定标开关的噪声信号。
12.根据权利要求11所述的平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述第一和第二输出信号d1和d2分别为：
Figure FDA0003393818400000044
Figure FDA0003393818400000045
其中，gr1和gr2分别为所述相关体制接收机的两个接收通道的电压增益；nr1和nr2分别为所述相关体制接收机的两个接收通道的等效噪声信号；
Figure FDA0003393818400000046
和
Figure FDA0003393818400000047
分别为所述相关体制接收机的两个接收通道产生的相移；，上标1j为虚数符号。
13.根据权利要求12所述的平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：
步骤4-1)获取观测目标时，所述相关体制接收机输出信号d1、d2的复相关输出Ca：
Figure FDA0003393818400000048
其中，nr1、nr2、nl1、nl2互不相关，且都与b1、b2不相关；相关体制接收机输出信号d1、d2的复相关输出
Figure FDA0003393818400000051
其中，
Figure FDA0003393818400000052
Ta为定标后的天线视在温度，k为玻尔兹曼常数，
Figure FDA0003393818400000053
Figure FDA0003393818400000054
为所述相关体制接收机两个通道产生的相差，上标1j是虚数符号，
Figure FDA0003393818400000055
Figure FDA0003393818400000056
表示所述相关体制接收机的功率增益。
14.根据权利要求13所述的一种平面正交阵列相关辐射计的探测方法，其特征在于，所述定标后的天线视在温度
Figure FDA0003393818400000057
其中，To是公共噪声源温度，Co为定标观测时所述相关体制接收机的输出相关结果，其中，
Figure FDA0003393818400000058
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CN115296025A (zh) * 2022-07-22 2022-11-04 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种超宽带紧耦合相控阵列的多极化馈电方法

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