CN114509726B - 一维相控阵设计方法、一种光路、装置 - Google Patents

一维相控阵设计方法、一种光路、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了雷达技术领域的一种一维相控阵设计方法、一种光路、装置，其以一维扫描方向为第一方向，确定第一方向上的天线的坐标为第一方向坐标数据；取二维平面下的第二方向上的坐标数据，以第二方向上的光栅旁瓣压缩比作为目标函数，优化所述第二方向上的坐标数据；其中，第一方向上的天线间距相同。根据此方法可以设计一种简单的光路，采用一对电极片实现。本方案利用二维天线排布实现一维相控阵，从而通过维度冗余设计相控阵的方法解决天线间距大于半波长的矛盾，在一个维度上实现理想的光栅旁瓣消除。

Description

一维相控阵设计方法、一种光路、装置
技术领域
本专利涉及雷达技术，尤其涉及一种一维相控阵设计方法以及一种光路。
背景技术
相控阵技术是一种依靠多个天线同时发射具备一定相位关系的电磁波，并依靠这些电磁波的干涉结果，对一定角度范围内进行扫描的技术。相控阵技术常被用于定向发射或接收信号，成为相控阵雷达。相控阵雷达目前主要包括电磁波相控阵雷达和激光相控阵雷达等。天线周期性排布的相控阵凭借其易于实现、数据容易处理的优势被最早用于相控阵雷达的实现。然而，在某些应用场景(如集成激光雷达芯片)需要相邻天线之间间距大于电磁波(或光波)的半波长，这使得相控阵雷达的发射(或接收)远场产生由于多级干涉导致的光栅旁瓣。常用的解决方法是使用非周期天线排列抑制光栅旁瓣的强度。即故意令相邻天线的间距不统一，而用一组特殊设计过的数列替代，这种非周期天线排列可以一定程度破坏多级干涉的条件，从而抑制光栅旁瓣。非周期天线排列抑制光栅旁瓣这种方法的弱点在于：
1.需要天线数目过多。一般至少需要数十个天线才能将光栅旁瓣抑制比降低到10dB。
2.发射(或接收)信号的效率远低于无光栅旁瓣雷达。非周期天线排列尽管可以有效抑制光栅旁瓣的强度，但是无法将光栅旁瓣的能量重新聚集到主瓣上。
3.电学控制系统较复杂。周期性排列的天线之间的相位是线性变化关系，相位的电路控制易于实现。而非周期性排列的天线之间的相位不满足线性关系，相位控制电路的实现需要更多资源。
4.在一维扫描应用场景，扫描光斑能量不集中。用于一维扫描的非周期天线排列相控阵雷达的扫描光斑轮廓为线状，能量无法汇聚为一点。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种利用二维天线排布策略实现一维相控阵的技术方案，得到突破天线间距限制并消除光栅旁瓣的一维相控阵雷达。
一种一维相控阵设计方法，包括以下步骤：
以一维扫描方向为第一方向，确定第一方向上的天线的坐标为第一方向坐标数据；
取二维平面下的第二方向上的坐标数据，以第二方向上的光栅旁瓣压缩比作为目标函数，优化所述第二方向上的坐标数据，得到天线坐标数据；
其中，第一方向上的天线间距相同。
可选的，还包括步骤：
根据信号波长确定第一方向上的相邻天线的最大间距；以所述最大间距为约束条件，确定天线的第一方向坐标数据。
可选的，还包括步骤：
获取相邻天线的最小间距标准参数，根据所述最小间距标准参数和所述最大间距，计算天线在第二方向上的最小间距；
以所述最小间距为约束条件，以光栅旁瓣压缩比作为目标函数，优化所述第二方向上的坐标数据。
可选的，所述最大间距为二分之一信号波长，相邻天线的最小间距为相邻天线的绝对距离，根据所述最小间距标准参数和所述最大间距以勾股定理计算所述最小间距。
可选的，光栅旁瓣压缩比的计算方法为：根据主瓣振幅和光栅旁瓣振幅计算光栅旁瓣压缩比。
可选的，所述光栅旁瓣压缩比的计算方法包括：
以所述最小间距为约束值，获取第二方向上的天线间距的初始数据集，根据所述初始数据集确定所有天线的在第二方向上的坐标数据，根据第二方向上的坐标数据计算一维相控阵的远场分布，根据所述远场分布计算主瓣振幅和旁瓣振幅，求得光栅旁瓣压缩比。
可选的，所述优化所述第二方向上的坐标数据的方法包括：
初始数据集Δy1，Δy2，…，ΔyN-1，N为天线数量；
将Δy2，…，ΔyN-1输入远场分布函数，扫描Δy1，计算光栅旁瓣压缩比关于Δy1的变化参数，以光栅旁瓣压缩比最小值所对应的Δy1替换初始Δy1；
重复执行，依次扫描Δy2，…，ΔyN-1，以光栅旁瓣压缩比最小值所对应的Δy2，…，ΔyN-1替换初始数据集。
一种光路，包括根据上述的一维相控阵设计方法得到的一维相控阵，以及一对电极片，连接在一对电极片两端的呈线性布置的N组相位调制器，每组相位调制器分别连接一天线。
可选的，天线在第一方向上的间距相等，N组相位调制器中相位调制器数量呈线性增加。
本发明还提供一种相控阵设计装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器调用执行上述的一维相控阵设计方法。
本发明的有益效果：
利用二维天线排布实现一维相控阵，从而通过维度冗余设计相控阵的方法解决天线间距大于半波长的矛盾，在一个维度上实现理想的光栅旁瓣消除，确保一维相控阵雷达在扫描维度上获得较高信噪比的同时在扫描维度上采用周期排布，以降低控制电路复杂度。
可以使用较少天线数目实现光栅旁瓣的完全消除。相应地电学控制系统较简单，仅采用一对电极片即可实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一维相控阵设计方法流程图
图2是实施例1公开的案例天线y方向坐标表格；
图3(a)是天线分布图；
图3(b)是根据图3(a)的天线分布图得到的远场分布；
图4是实施例2公开的光路结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一种一维相控阵设计方法，包括以下步骤：
以一维扫描方向为第一方向，确定第一方向上的天线的坐标为第一方向坐标数据；
取二维平面下的第二方向上的坐标数据，以第二方向上的光栅旁瓣压缩比作为目标函数，优化所述第二方向上的坐标数据，得到天线坐标数据；
其中，第一方向上的天线间距相同。
具体的，如图1所示，包括步骤：
以一维扫描方向为第一方向，即确定消除光栅旁瓣的方向为第一方向。
根据信号波长λ确定第一方向(标记为x方向)上的相邻天线的最大间距Δxmax＝λ/2。以所述最大间距Δxmax为约束条件，确定天线的第一方向坐标数据。
根据Δxmax的值，给出各天线的x方向坐标，记为x＝(x1，x2，…，xN)，N是天线数目。
即天线在x方向的间距不能超过Δxmax，按照最保守的方案，可以取天线在x方向的间距就是Δxmax。
获取相邻天线的最小间距标准参数Δsmin，其为已知的雷达系统容许的天线最小间距。根据所述最小间距标准参数和所述最大间距Δxmax，计算天线在第二方向上(标记为y方向)的最小间Δymin＝(Δsmin 2-Δxmax 2)1/2。
以所述最小间距Δymin为约束条件，以y方向上的光栅旁瓣压缩比作为目标函数，以优化算法优化所述第二方向上的坐标数据。
其中，光栅旁瓣压缩比的计算方法为：根据主瓣振幅和光栅旁瓣振幅计算光栅旁瓣压缩比。
以Δymin的值为约束条件，以y方向光栅旁瓣压缩比为评价函数，使用遗传算法、梯度下降法或深度学习算法等优化算法得到各天线的y方向坐标，记为y＝(y1，y2，…，yN)。
光栅旁瓣压缩比可用公式(1)描述。公式(1)中，R是光栅旁瓣压缩比，Em是主瓣振幅，Es是光栅旁瓣振幅。
Figure BDA0003452343800000041
获得坐标x和y后，即可得到每个天线的坐标(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)。最终完成天线阵列的设计。
所述光栅旁瓣压缩比的计算方法包括：以所述最小间距为约束值，获取第二方向上的天线间距的初始数据集，根据所述初始数据集确定所有天线的在第二方向上的坐标数据，根据第二方向上的坐标数据计算一维相控阵的远场分布，根据所述远场分布计算主瓣振幅和旁瓣振幅，求得光栅旁瓣压缩比。
下面，以“爬山”算法为例进行描述所述优化所述第二方向上的坐标数据的方法：
现假定一维相控阵的天线数目为N，波长为λ，则相邻天线的间距被定义为Δy1，Δy2，…，ΔyN-1(N个天线只有N-1个间距)，约束条件为Δy1～ΔyN-1>Δymin。第一个天线坐标定为y1，则第j个天线的坐标可表示为
Figure BDA0003452343800000042
利用下面公式计算出一维相控阵的远场分布
Figure BDA0003452343800000043
根据远场分布F(θy)的分布，可以计算出主瓣振幅Em和旁瓣振幅Es，从而求出光栅旁瓣压缩比R。R也是目标函数，值越小越好。
具体优化过程为：
1)有初始数据集Δy1，Δy2，…，ΔyN-1，N为天线数量；
2)将Δy2，…，ΔyN-1输入远场分布函数，扫描Δy1，计算光栅旁瓣压缩比关于Δy1的变化参数，以光栅旁瓣压缩比最小值所对应的Δy1替换初始Δy1；
3)依照第2)步方法，依次扫描Δy2，…，ΔyN-1，以光栅旁瓣压缩比最小值所对应的Δy2，…，ΔyN-1替换初始数据集。
下面以具体参数阐述上述设计过程：
集成一维相控阵激光雷达被设计为在x轴(远场对应θx轴)上进行一维扫描，天线数目N＝60，激光雷达的光信号波长λ为1.55微米。
可计算出Δxmax＝0.775微米，这里令相邻天线在x方向上以Δx＝Δxmax＝0.775微米为间距，周期性排列。计算出x方向坐标x＝(x1，x2，…，xN)，所有x方向坐标值可用公式(3)描述。
xi＝(i-1)△x 公式(3)
受光学天线尺寸，光信号窜扰等因素影响，天线最小间距Δsmin＝10微米。则可计算出Δymin＝(Δsmin 2-Δxmax 2)1/2＝9.97微米。
以Δymin＝9.97微米为约束条件，以光栅旁瓣压缩比为评价函数，使用遗传算法进行优化，可得到y方向坐标y＝(y1，y2，…，yN)，具体数值见图2，天线y方向坐标(单位：微米)。
具体天线分布如图3(a)所示，最终获得的远场分布如图3(b)。由如图3(b)中的远场分布可以看出在θx方向上没有光栅旁瓣出现。因此这里提供的相控阵可以在x方向上实现无光栅旁瓣干扰的一维扫描。同时，由于天线在x方向上均匀分布，故天线之间的相位在x方向上呈线性变化关系，可以简化控制电路设计。
利用二维天线排布进行一维相控阵设计；将其中第一方向(x方向)上天线间距压缩至半波长以下，同时将第二方向(y方向)间距扩大以确保天线最小间距。
实施例2：
一种光路，包括以实施例1得到的一维相控阵，以及一对电极片，连接在一对电极片两端的呈线性布置的N组相位调制器，每组相位调制器分别连接一天线。天线在第一方向上的间距相等，N组相位调制器中相位调制器数量呈线性增加。
具体原理如下：
首先在光路上需要有相应配合。天线在x方向的间距分别为Δx1，Δx2，…，ΔxN-1。第一个天线坐标定为x1，则第j个天线的坐标可表示为
Figure BDA0003452343800000051
相控阵的信号发射角度θ由各天线的相位
Figure BDA0003452343800000052
决定，用公式(4)描述：
Figure BDA0003452343800000053
由于实施例1公开的技术方案的设计技巧，使得天线在x方向上呈均匀分布，即天线在x方向的间距都相等，Δx1＝Δx2＝…＝ΔxN-1＝Δx。则第j个天线的坐标可表示为xj＝x1+(j-1)Δx。因此相位
Figure BDA0003452343800000054
可以表示为公式(5)：
Figure BDA0003452343800000055
可以看出
Figure BDA0003452343800000056
呈线性变化。采用如图4所示光路，图中的
Figure BDA0003452343800000057
表示相位调制器，每一个相位调制器都采用完全相同的设计和加工，在实践中发现相位调制器的一致性较好。将所有的相位调制器都连接在同一对电极上，则可以实现天线1～天线N的线性相位变化调制。
而传统的非均匀分布则无法使用这一光路设计，故需要N对电极同时工作来实现相位调制。解决了传统涉及的这一缺陷。
实施例3：
一种相控阵设计装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器调用执行以实现实施例1所述相控阵设计方法。输出相控阵排布坐标。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种一维相控阵设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
以一维扫描方向为第一方向，确定第一方向上的天线的坐标为第一方向坐标数据；
取二维平面下的第二方向上的坐标数据，以第二方向上的光栅旁瓣压缩比作为目标函数，优化所述第二方向上的坐标数据，得到天线坐标数据；
其中，第一方向上的天线间距相同；
所述优化所述第二方向上的坐标数据的方法包括：
初始数据集Δy1，Δy2，…，ΔyN-1，N为天线数量；
将Δy2，…，ΔyN-1输入远场分布函数，扫描Δy1，计算光栅旁瓣压缩比关于Δy1的变化参数，以光栅旁瓣压缩比最小值所对应的Δy1替换初始Δy1；
重复执行，依次扫描Δy2，…，ΔyN-1，以光栅旁瓣压缩比最小值所对应的Δy2，…，ΔyN-1替换初始数据集。
2.根据权利要求1所述的一维相控阵设计方法，其特征在于，还包括步骤：
根据信号波长确定第一方向上的相邻天线的最大间距；以所述最大间距为约束条件，确定天线的第一方向坐标数据。
3.根据权利要求2所述的一维相控阵设计方法，其特征在于，还包括步骤：
获取相邻天线的最小间距标准参数，根据所述最小间距标准参数和所述最大间距，计算天线在第二方向上的最小间距；
以第二方向上的最小间距为约束条件，以光栅旁瓣压缩比作为目标函数，优化所述第二方向上的坐标数据。
4.根据权利要求3所述的一维相控阵设计方法，其特征在于，所述最大间距为二分之一信号波长，相邻天线的最小间距为相邻天线的绝对距离，根据所述最小间距标准参数和所述最大间距以勾股定理计算所述最小间距。
5.根据权利要求1所述的一维相控阵设计方法，其特征在于，光栅旁瓣压缩比的计算方法为：根据主瓣振幅和光栅旁瓣振幅计算光栅旁瓣压缩比。
6.根据权利要求3所述的一维相控阵设计方法，其特征在于，所述光栅旁瓣压缩比的计算方法包括：
以所述最小间距为约束值，获取第二方向上的天线间距的初始数据集，根据所述初始数据集确定所有天线的在第二方向上的坐标数据，根据第二方向上的坐标数据计算一维相控阵的远场分布，根据所述远场分布计算主瓣振幅和旁瓣振幅，求得光栅旁瓣压缩比。
7.一种光路，其特征在于，包括根据权利要求1-6任一所述的一维相控阵设计方法得到的一维相控阵，以及一对电极片，连接在一对电极片两端的呈线性布置的N组相位调制器，每组相位调制器分别连接一天线。
8.根据权利要求7所述的一种光路，其特征在于，天线在第一方向上的间距相等，N组相位调制器中相位调制器数量呈线性增加。
9.一种相控阵设计装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器调用执行以实现权利要求1-6任一所述的一维相控阵设计方法。
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