CN117096624A - 天线阵列布局方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种天线阵列布局方法，包括：基于传统天线阵列的空间位置排布，如Y形阵、T形阵和十字形阵等，通过基线设计的变换和阵列组合的方法来实现。通过选择远端错位、角度旋转、实孔径互补和增加小型子阵列的组合方法，在辐射计的几种传统阵列的基础上形成了无混叠视场更大、天线间互耦更小的新型阵列。不仅扩充了原本的可视度函数空间，同时避免了原阵列变换后的短基线缺失，提升了图像的成像质量和刈幅；还在保持单元天线间距的前提下，节省了单元天线的数目，更适合星载辐射计上的应用。本发明实现方便，结构精简，并具有较强的通用性，是一种可广泛使用于各种类型的星载辐射计的天线阵列布局方法。

Description

天线阵列布局方法
技术领域
本发明属于被动微波遥感探测中的综合孔径辐射计应用领域，具体涉及一种宽刈幅低耦合的新型天线阵列布局方法。
背景技术
星载综合孔径微波辐射计通过多个按一定间距和一定方式排布的小孔径单元天线来等效大口径实孔径天线，实现对测量场景的微波辐射能量的亮温探测。其中任意两个小孔径单元天线组成二元干涉仪，实现干涉测量的复相关运算，所有二元天线对的组合得到的互相关测量值实现了视场内辐射亮温分布状态的空间频域采样，构成了待测量场景的可视度函数采样空间。对可视度函数反演重构可获得测量场景亮温图像。
因此，在综合孔径辐射计探测的过程中，天线阵列的排布方式对亮温图像反演效果有重大的影响，用阵列因子来描述阵列布局在反演方程中的影响权重，阵列因子对波束宽度、旁瓣电平等重要指标均有影响，具体体现在成像上，则是：阵列中的最长基线确定了重构图像的空间分辨率，最短基线确定了图像反演时的无混叠视场范围(刈幅幅宽)，此外系统的入射角范围和辐射灵敏度等指标也受到阵列排布的影响。
发明内容
本发明针对综合孔径辐射计的天线阵列布局提出了一种天线阵列布局方法，用于解决综合孔径辐射计应用传统阵列时无混叠视场较小、天线互耦严重和一些时候布局空间受限、单元天线数目繁多的技术问题。
解决上述问题，本发明的技术方案通过远端错位、角度旋转、实孔径互补和增加子阵列的阵列变换方法，在综合孔径辐射计传统阵列(T形阵、十字形阵和Y形阵等)的基础上形成新型天线阵列。
对传统天线阵列布局中的一臂或多臂子阵列天线按一定的间距和角度进行平移旋转，形成远端错位，或直接在同方向的一定距离增加相应错位排布的子阵列天线，使得可视度采样空间呈现梅花状分布，丰富可视度采样点数。同时，在新阵列中设计增加相应口径的实孔径天线或一定布局方式的较小子阵，来补充阵型变换后的短基线缺失。
其中，本发明提供了基于T形阵、十字形阵和Y形阵的新型阵列布局方法；
具体地，对于第一、二、三种新型T形阵，增加的第3子阵列天线(编号见权利要求书，下同)中心天线与第1子阵列天线中心的单元天线相距 采样栅格最小间距为/>可视度空间最小单元面积为/>第一、二种新T形阵分别还通过增加可覆盖中心3、4个单元天线的小型实孔径天线补齐了缺失的短基线，第一种新T形阵形成的非冗余可视度采样点数NV＝8N2+14N+1，第二种新T形阵NV＝8N2+8N―3，第三种新T形阵NV＝8N2+24N―3。
具体地，对于新型Y形阵，形成总可视度采样点数为 可视度采样点最小间距都为d/2。相较天线单元最小间距为d/2的原Y形阵，新阵列天线单元最小间距变为d，改善了天线耦合情况，增大了无混叠视场，使成像刈幅变宽；而在保持最小间距的情况下，大大减少了所需的单元天线数量，适合星载辐射计的应用。
具体地，对于新型十字形阵，对第一子阵列天线错位平移，采样栅格最小间距为非冗余可视度样本点数为NV＝8N2+8N+1，在数量级上相较于原本等臂长、等最小间距的传统十字形阵增加了约一倍的采样点数，采样栅格最小间距变为/>倍，即成像刈幅扩大了倍。
附图说明
通过下文具体的实例和附图说明本发明的实施方案，仅用于描述实施方式的目的，而非对本发明的限制。
图1a是本发明的一种带子Y的阵列布局与Y阵列布局比较的示意图；
图1b是本发明的一种带子Y的阵列布局与Y阵列布局的可视度采样图；
图2a是本发明的新型T形天线阵列布局的示意图；
图2b是本发明的的新型T形可视度样本空间的示意图；
图3a是本发明的第二类新型T形天线阵列布局的示意图；
图3b是本发明的第二类新型T形可视采样的示意图；
图4a是本发明的第三类新型T形阵列布局的示意图；
图4b是本发明的第三类新型T形阵的可视度样本空间的示意图；
图5a是本发明的一种新型口字形阵列的布局图；
图5b是本发明的一种新型口字形阵列的可视度样本空间的示意图；图6是基于图5a的阵列布局得到的无混叠视场示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，并详细说明如何得到这类新型阵列。下文仅为本发明的一些具体实例，对其他从事本领域的人员来说，还可以在无额外创造性劳动前提下，依据这些实例，获得其他类似的实施方案。
本发明提供一种天线阵列布局方法，基于传统的天线阵列，通过远端错位、角度旋转、实孔径互补和增加子阵列的阵列变换方法，形成新型天线阵列。
本发明的天线阵列布局方法一优选实施例中，基于传统的天线阵列，通过远端错位、角度旋转、实孔径互补和增加子阵列的阵列变换方法，形成新型天线阵列，包括：
步骤S1，通过对传统天线阵列布局，对其中的一臂或多臂子阵列天线按照一定的间距和角度进行平移旋转，形成远端错位，或直接在同方向的一定距离增加对应错位排布的子阵列天线，实现可视度采样空间的扩充，增大成像刈幅宽度、减小互耦，降低天线数目；通过设计增添相应的实孔径天线或较小子阵来补充阵型变换后的短基线缺失；其中，所述传统天线阵列布局，包括：Y形阵列布局、T形阵列布局、十字形阵列布局和星形阵列布局。
本发明的天线阵列布局方法一优选实施例中，当所述传统天线阵列布局为Y形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于Y形阵列布局，以原Y形阵列的中心天线为每臂上的1号单元天线，仅保留奇数编号单元天线，并与该阵列的第1、2、3子阵列天线臂中心对称增加子阵列天线臂4、5、6，以+Y方向起始，分别顺时针编号，除中心天线外，每一臂上有N个单元天线；
其中，新得到星形阵的各天线臂子阵列在各自方向上远端错位，所有子阵列天线臂中的相邻单元天线均以d为间隔等间距排布，第4、5、6子阵列天线臂的第一个单元天线与中心相距1.5d；
其中，增加小的子Y阵列或实孔径阵列，子Y阵列相邻天线间距0.5d，实孔径阵列尺寸至少覆盖原Y阵列中心3个相邻单元天线。
本发明的天线阵列布局方法一优选实施例中，当所述传统天线阵列布局为T形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于T形阵列布局，除中心天线外，每一臂上有N个单元天线，臂上的相邻单元天线以d为间隔等间距排布，X方向上为第1子阵列天线，+Y方向为第2子阵列天线：
其中，第一种新型T形阵在X方向上增加一臂错位的子阵列天线，为第3子阵列天线，这一臂天线与原X方向的天线臂在-Y方向间隔0.5d，以远端为基准与原X方向天线臂在X方向上错位0.5d；
其中，增加实孔径阵列补全缺失的短基线，实孔径阵列尺寸可至少覆盖原T形阵列中心的3个相邻单元天线。
本发明的天线阵列布局方法一优选实施例中，当所述传统天线阵列布局为T形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于T形阵列，第1子阵列天线关于Y轴对称，且在X轴上，臂上有2N个单元天线。Y方向的第2、4子阵列天线臂关于Y轴对称，两天线臂相距d，臂上有N个单元天线，相邻天线间隔均为d：
其中，第二种新型T形阵在X方向上增加一臂错位的子阵列天线，为第3子阵列天线，臂上有N个单元，这一臂天线与原X方向的天线臂在-Y方向间隔1.5d，以远端为基准与原X方向天线臂在X方向上错位0.5d；
其中，增加实孔径阵列补全缺失的短基线，子T形阵列相邻天线间距0.5d，实孔径阵列尺寸可至少覆盖原T阵列中心的4个相邻单元天线。
本发明的天线阵列布局方法一优选实施例中，当所述传统天线阵列布局为T形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于T形阵，除中心天线外，每一臂上有N个单元天线，其中相邻天线以d为间隔等间距排布，原T形阵的X方向子阵列天线臂为第1天线臂，-Y方向为第2天线臂：
其中，第三种新型T形阵在第2天线臂附近增加一臂错位的子阵列天线，为第3天线臂，这一臂天线与原-Y方向的天线臂在X方向间隔1.5d，以远端为基准与第2天线臂在-Y方向上错位0.5d。
本发明的天线阵列布局方法一优选实施例中，基于十字形阵，设定每条棱上有N个单元天线，以d为间隔等间距排布，将其中一条棱上的天线臂在该棱垂直方向上平移错开0.5d，以该天线臂为第1子阵列天线，并顺时针编号。
实施例1，如图1a、1b所示，原本的Y形阵有第1、2、3子阵列天线，臂上相邻天线间隔为d/2，形成图1中的可视度函数空间，该空间采样栅格中最小单元面积为通过中心对称和-Y轴的第5天线臂错位平移，得到新的星形阵列，由于包含了图1中的子Y阵，采样栅格的最小单元面积不变，同时每臂上的单元天线最小间距变为d，形成图1中新的可视度函数空间。将传统的Y形阵与新星形阵进行比较，可以通过最小间距至少为d的新星形阵基本实现最小间距为d/2的Y阵列可视度采样空间，增加了无混叠视场，降低了天线互耦干扰。
传统的T形阵具有矩形采样栅格，其最小距离为d，通过增加错位天线臂得到实例2,3,4。
具体地，实施例2，如图2a、2b所示，在第1天线臂下d/2处X方向错位d/2增加一臂天线，关于Y轴对称，有2N个单元天线。传统T形阵为矩形采样栅格，最小面积为d2，变化后形成如图2的梅花状可视度空间，采样栅格最小面积为因此无混叠视场范围也变为传统T形阵的/>倍，推导见后文实例5。
实施例3，如图3a、3b所示，第1,3天线臂平行X方向，位于Y＝0和Y＝-1.5d位置，第2,4天线臂平行Y方向，分别位于X＝±0.5d位置。形成如图3的梅花状可视度空间，也可将无混叠视场扩大倍。实例2,3布局的优点是能利用机翼和机体的长度安装大型天线单元，适合机载应用。
实施例4，如图4a、4b所示，在第2天线臂右1.5d处+Y方向错位d/2增加一臂天线，同样获得梅花状的采样栅格，最小间距为
实施例5，如图5a、5b所示，将传统十字形阵的一边同方向错位0.5d，也得到最小间距的梅花状采样栅格。对于采样空间最小基线Δumin，设视场角覆盖[θmin,θmax]，则如图6所示，无混叠视场/> ξFOV为视场角范围，最小基线长度变为/>倍，无混叠视场扩大/>倍，刈幅更宽，适合星载使用。

Claims (7)

1.一种天线阵列布局方法，其特征在于，基于传统的天线阵列，通过远端错位、角度旋转、实孔径互补和增加子阵列的阵列变换方法，形成新型天线阵列。
2.如权利要求1所述的天线阵列布局方法，其特征在于，基于传统的天线阵列，通过远端错位、角度旋转、实孔径互补和增加子阵列的阵列变换方法，形成新型天线阵列，包括：
步骤S1，通过对传统天线阵列布局，对其中的一臂或多臂子阵列天线按照一定的间距和角度进行平移旋转，形成远端错位，或直接在同方向的一定距离增加对应错位排布的子阵列天线，实现可视度采样空间的扩充，增大成像刈幅宽度、减小互耦，降低天线数目；通过设计增添相应的实孔径天线或较小子阵来补充阵型变换后的短基线缺失；其中，所述传统天线阵列布局，包括：Y形阵列布局、T形阵列布局、十字形阵列布局和星形阵列布局。
3.如权利要求2所述的天线阵列布局方法，其特征在于，当所述传统天线阵列布局为Y形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于Y形阵列布局，以原Y形阵列的中心天线为每臂上的1号单元天线，仅保留奇数编号单元天线，并与该阵列的第一、二、三子阵列天线臂中心对称增加第四、五、六子阵列天线臂，以+Y方向起始，分别顺时针编号，除中心天线外，每一臂上有N个单元天线；
其中，新得到星形阵的各天线臂子阵列在各自方向上远端错位，所有子阵列天线臂中的相邻单元天线均以d为间隔等间距排布，第四、五、六子阵列天线臂的第一个单元天线与中心相距1.5d；
其中，增加小的子Y阵列或实孔径阵列，子Y阵列相邻天线间距0.5d，实孔径阵列尺寸至少覆盖原Y阵列中心3个相邻单元天线。
4.按权利要求3所述的天线阵列布局方法，其特征在于，当所述传统天线阵列布局为T形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于T形阵列布局，除中心天线外，每一臂上有N个单元天线，臂上的相邻单元天线以d为间隔等间距排布，X方向上为第一子阵列天线，+Y方向为第二子阵列天线：
其中，第一种新型T形阵在X方向上增加一臂错位的子阵列天线，为第三子阵列天线，这一臂天线与原X方向的天线臂在-Y方向间隔0.5d，以远端为基准与原X方向天线臂在X方向上错位0.5d；
其中，增加实孔径阵列补全缺失的短基线，实孔径阵列尺寸可至少覆盖原T形阵列中心的3个相邻单元天线。
5.按权利要求3所述的天线阵列布局方法，其特征在于，当所述传统天线阵列布局为T形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于T形阵列，第1子阵列天线关于Y轴对称，且在X轴上，臂上有2N个单元天线；Y方向的第二、四子阵列天线臂关于Y轴对称，两天线臂相距d，臂上有N个单元天线，相邻天线间隔均为d：
其中，第二种新型T形阵在X方向上增加一臂错位的子阵列天线，为第三子阵列天线，臂上有N个单元，这一臂天线与原X方向的天线臂在-Y方向间隔1.5d，以远端为基准与原X方向天线臂在X方向上错位0.5d；
其中，增加实孔径阵列补全缺失的短基线，子T形阵列相邻天线间距0.5d，实孔径阵列尺寸至少覆盖原T阵列中心的4个相邻单元天线。
6.按权利要求3所述的天线阵列布局方法，其特征在于，当所述传统天线阵列布局为T形阵列布局时，所述步骤S1，包括：
基于T形阵，除中心天线外，每一臂上有N个单元天线，其中相邻天线以d为间隔等间距排布，原T形阵的X方向子阵列天线臂为第一天线臂，-Y方向为第二天线臂：
其中，第三种新型T形阵在第二天线臂附近增加一臂错位的子阵列天线，为第3天线臂，这一臂天线与原-Y方向的天线臂在X方向间隔1.5d，以远端为基准与第二天线臂在-Y方向上错位0.5d。
7.按权利要求1所述的天线阵列布局方法，其特征在于，基于十字形阵，设定每条棱上有N个单元天线，以d为间隔等间距排布，将其中一条棱上的天线臂在该棱垂直方向上平移错开0.5d，以该天线臂为第一子阵列天线，并顺时针编号。
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