CN205811059U - 一种八发十六收天线阵列和包含其的超宽带探测雷达 - Google Patents

Abstract

一种八发十六收天线阵列和包含其的超宽带探测雷达，该天线阵列的拓扑结构满足以下条件：设定一二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；八个发射天线，其设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个正八边形，所述八个发射天线设置位置位于所述正八边形的八个顶点，所述正八边形的中心点为所述坐标原点；十六个接收天线，其设置位置位于所述正八边形内部，并且所述十六个接收天线设置位置满足不混叠原则。以及包括该天线阵列的超宽带雷达。该阵列的均匀分布，接收天线在每个角度上的元素遮挡均最少，降低了旁瓣效应，提高成像效果；采用八发十六收阵列拓扑结构，可应用于超宽带雷达，提高了生命体空间位置的定位以及成像精度。

Description

一种八发十六收天线阵列和包含其的超宽带探测雷达

技术领域

本实用新型涉及超宽带探测雷达技术领域，尤其是涉及一种八发十六收的天线阵列，以及包含该八发十六收的天线阵列的超宽带探测雷达。

背景技术

在MIMO(多发射多接收天线)成像雷达的应用中，天线阵列的拓扑结构(排列)设计是系统设计中非常关键的一个环节。阵列设计的好坏对于成像质量、目标检测与定位、参数估计等方面都有很大影响。影响阵列性能的因素有三个：发射(接收)信号的频带，阵元个数，阵元排布。一个合理的天线阵列设计对于简化系统结构以及后期的信号处理都很有帮助。

荷兰代尔夫特理工大学对超宽带MIMO阵列设计做了大量的研究工作，同时国防科技大学在该领域也做了一定的研究。但现有技术中还存在无法确切定位、成本较高、检测概率低、探测区域小等技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种八发十六收天线阵列拓扑结构，以解决以上所述的一个或多个技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种八发十六收天线阵列，该天线阵列的拓扑结构满足以下条件：设定一二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；

八个发射天线，其设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个正八边形，所述八个发射天线设置位置位于所述正八边形的八个顶点，所述正八边形的中心点为所述坐标原点；

十六个接收天线，其设置位置位于所述正八边形内部，并且所述十六个接收天线设置位置满足不混叠原则，即十六个接收天线的设置位置坐标各不相同，并且在x和y轴方向上的投影也不重合。

根据本实用新型一具体实施方案，所述十六个接收天线设置位置进一步满足以下条件：以所述坐标原点引出任意直线，接收天线设置位置在所述任意直线上进行投影，发生混叠的天线总个数最少。

根据本实用新型一具体实施方案，所述八个发射天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值按照以下方式设置：

设定参数n_T＝1，2，3，4，5，6，7，8，N_T＝8，

N_R＝16为接收天线个数，

L_t是发射天线在x轴投影的阵列总长度，

将n_t、N_t、L_t这三个参数代入公式该公式应用三角形法则求得圆的半径；利用三角公式 再分别求得八个发射天线的具体坐标位置。

根据本实用新型一具体实施方案，设定矩阵L_T是发射天线x轴投影的阵列总长度，则所述十六个接收天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值用Receiver矩阵表述为：Receiver＝[R(8)，R(6)；R(5)，R(3)；R(4)，R(7)；R(1)，R(2)；R(7)，-R(1)；R(6)，-R(5)；R(3)，-R(8)；R(2)，-R(4)；-R(8)，-R(3)；-R(5)，-R(6)；-R(4)，-R(2)；-R(1)，-R(7)；-R(7)，R(1)；-R(6)，R(5)；-R(3)，R(8)；-R(2)，R(4)]

根据本实用新型一具体实施方案，所述L_T按照以下公式(1)和(2)计算

${\mathrm{\δ}}_{c-r}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{L_E}R---\left(1\right)$

以及L_E＝L_T+L_R≈2L_T (2)

λ：超宽带短脉冲中心频率对应的波长，

R：阵列中心到被测目标的法线方向距离，

δ_c-r：分辨率，

L_E：有效孔径宽度，

L_R：是接收天线在X轴投影的阵列总长度。

根据本发明一方面，还提供一种超宽带探测雷达，包括以上任意一项所述的八发十六收天线阵列。

从上述技术方案可以看出，本实用新型的基于超宽带雷达的八发十六收阵列拓扑结构，具有以下有益效果：

(1)本实用新型的发射天线阵列均匀分布，且接收天线在每个角度上的元素遮挡均最少，降低了旁瓣效应，提高成像效果；

(2)采用八发十六收阵列拓扑结构，可应用于超宽带雷达，提高了生命体空间位置的定位以及成像精度；

(3)使用八个发射天线和十六个接收天线按照既定规则排列、共同组合成的新型超宽带天线阵列雷达对目标进行成像，提高了目标定位的精确度和成像的清晰度，同时探测区域大、检测精度高，易于在实际中应用。

附图说明

图1为本实用新型的一具体实施例的超宽带信号时域波形；

图2为本实用新型的一具体实施例的超宽带信号频谱；

图3为本实用新型的一具体实施例的八发十六收阵列拓扑结构；

图4为本实用新型的一具体实施例的基于超宽带雷达的八发十六收阵列拓扑结构对墙后“A”型物体进行成像的三维成像效果；

图5为本实用新型的一具体实施例的基于超宽带雷达的八发十六收阵列拓扑结构对墙后“A”型物体进行成像的剖面图；

图6为本实用新型的一具体实施例的基于超宽带雷达的八发十六收阵列拓扑结构对墙后人型物体进行成像的三维成像效果；

图7为本实用新型的一具体实施例的基于超宽带雷达的八发十六收阵列拓扑结构对墙后人型物体进行成像的剖面图。

图8为本实用新型的一具体实施例的基于超宽带雷达的八发十六收阵列拓扑结构对应的阵列等效孔径图。

具体实施方式

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。另外，八发十六收天线的坐标值仅表示与平面坐标的相对关系，当平面坐标发生旋转或者变化时，天线的位置也相对发生改变。

本实用新型的构思在于提供一种天线拓扑结构，是发射天线均匀分布，且接收天线在每个角度上的元素遮挡均最少，降低了旁瓣效应，提高成像效果。

本实用新型提供一种八发十六收天线阵列拓扑结构，包括：

一个二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；

八个发射天线，所述八个发射天线的设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个正八边形，八个发射天线位置位于所述正八边形的八个顶点，所述正八边形的中心点为所述坐标原点；

十六个接收天线，所述十六个接收天线的设置位置位于所述正八边形内部，并且所述十六个接收天线设置位置满足不混叠原则，即十六个接收天线的设置位置各不相同，并且在x和y轴方向上的投影也不重合。

对于二维平面坐标的选择，首先选定一个足够大的空间O，使得该空间可以足够放置全部八个发射天线和十六个接收天线，并针对该空间建立二维平面坐标，使平面内的任意一处的位置可以通过坐标的形式表述。

对于发射天线的设置，首选，将全部八个发射天线T₁，...，T₈按照既定的坐标位置排放好，使得这八个发射天线刚好围成一个标准的正八边形，这八个发射天线正好在这八边形的八个顶点上。此外正八边形的中心点于坐标原点重合，并且确保八边形所围成的区域中可以足够放置十六个接收天线。

对于接收天线的选择，首先将全部十六个接收天线R₁，...，R₁₆按照既定的坐标位置放在步骤B中所围成的八边形中，同时使得八个发射天线T₁，...，T₈所围成的八边形包含这十六个接收天线R₁，...，R₁₆，并且按照既定规则排放的十六个接收天线满足不混叠原则，即十六个发射天线在x+、x-、y+、y-四个方向上的投影不重合，也就是说十六个发射天线坐标不一致所投的影像坐标也均不相同。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实施例提供了一种基于超宽带雷达的八发十六收天线阵列拓扑结构的设置方法，包括：

步骤A：选定一个足够大的空间O，使得该空间可以足够放置应用超宽带雷达信号(见图1、2)的八发十六收阵列拓扑结构，并针对该空间建立二维平面坐标，使平面内的任意一处的位置可以通过坐标的形式表述。

其中超宽带信号时域波形如图1所示，超宽带信号频谱如图2所示。

该步骤A，具体包括：

子步骤A1：设定空间中电磁波在该区域O中传播波长为：λ(该空间中设定为0.05m)，该空间区域X轴设定为：(-0.5∶0.25∶0.5)/λ，空间区域Y轴设定为(-0.5∶0.25∶0.5)/λ，由于λ＝0.05m，所以，该空间区域为由X轴：(-0.5m-+0.5m)间隔步长为0.25m，Y轴：(-0.5m-+0.5m)间隔步长为0.25m的X，Y轴共同确定的1m×1m的矩形区域。

子步骤A2：设定步骤B中所描述的八个发射天线所围成的八边形的中心点位置为(0，0)点，即在子步骤A1中所描述的X轴跟Y轴所共同表示的坐标系的原点位置，而八个发射天线由于在正八边形的八个顶点处，所以该八个发射天线坐标位置可由三角形法则求出。

子步骤A3：根据子步骤A2，由于已经设定好了正八边形的坐标区域，根据正八边形区域范围和接收天线需要满足不混叠原则，即十六个发射天线在x+、x-、y+、y-四个方向上的投影不重合，也就是说十六个发射天线坐标不一致所投的影像坐标也均不相同。故设定矩阵R＝[0.015 0.045 0.075 0.105 0.135 0.165 0.195 0.225](单位都为/λ)，其中R(1)＝0.015，R(2)＝0.045，根据矩阵性质类推，R(8)＝0.225，所以步骤C中所示的十六个接收天线的位置用Receiver矩阵表述为：Receiver＝[R(8)，R(6)，0；R(5)，R(3)，0；R(4)，R(7)，0；R(1)，R(2)，0；R(7)，-R(1)，0；R(6)，-R(5)，0；R(3)，-R(8)，0；R(2)，-R(4)，0；-R(8)，-R(3)，0；-R(5)，-R(6)，0；-R(4)，-R(2)，0；-R(1)，-R(7)，0；-R(7)，R(1)，0；-R(6)，R(5)，0；-R(3)，R(8)，0；-R(2)，R(4)，0]

步骤B：将全部八个发射天线T₁，...，T₈，照既定的坐标位置排放好，使得这八个发射天线刚好围成一个标准的正八边形，这八个发射天线正好在这八边形的八个顶点上。此外正八边形的中心点于坐标原点重合，并且确保八边形所围成的区域中可以足够放置十六个接收天线；

该步骤B，具体包括：

子步骤B1：根据子步骤A1中所确定的二维坐标设定规则所确定的二维坐标信息和正八边形的顶点位置特点，设定参数n_t＝1：N_t、N_t＝8，表示八个发射天线，L_T＝0.48，由于正八边形顶点都在由正八边形顶点到坐标原点的距离r为半径的圆O_r上，所以可以将上述三个参数n_t、N_t和L_T带入如下公式：该公式应用三角形法则求得圆的半径；

子步骤B2：根据子步骤B1所求得的八个发射天线到坐标原点的距离r，利用三角公式再分别求得八个发射天线在子步骤A1中所描述的坐标中的具体坐标位置。

步骤C：将全部十六个接收天线R₁，....，R₁₆按照既定的坐标位置放在步骤B中所围成的八边形中，同时使得八个发射天线T₁，...，T₈所围成的八边形包含这十六个接收天线R₁，....，R₁₆，并且按照既定规则排放的十六个接收天线满足不混叠原则，即十六个发射天线在x+、x-、y+、y-四个方向上的投影不重合，也就是说十六个发射天线坐标不一致所投的影像坐标也均不相同；

该步骤C，具体包括：

子步骤C1：根据子步骤A3所提到的十六个发射天线需要在正八边形所包围的范围内，而通过计算此范围为以原点为中心，边长为0.5m的正方形区域中，故此设定矩阵R＝[0.015 0.045 0.075 0.105 0.135 0.165 0.195 0.225]单位都为/λ)，为公差为0.03的等差数列，且矩阵中数据都在正方形区域内，其中R(1)＝0.015，R(2)＝0.045，根据矩阵性质类推，R(8)＝0.225。

子步骤C2：根据步骤C1中所描述的矩阵R，从矩阵R中选取十六组坐标数据，如：[R(n)，R(m)，0]，X坐标为R(n)，Y坐标为R(m)，且m不等于n，由于此八发十六收阵列为平面阵，故z轴坐标统一为0。根据如上坐标方式，将子步骤C2中提到的十六组坐标数据再分成4个组，每个组4个坐标，并且使得第一组在子步骤C1中做提到的边长为0.5m的正方形区域中的第一象限，第二组在第四象限，第三组在第三象限，第四组在第二象限，即从第一组开始使这4个组按照顺时针排列在4个不同的象限。故此，十六个接收天线的位置用Receiver矩阵表述为：Receiver＝[R(8)，R(6)，0；R(5)，R(3)，0；R(4)，R(7)，0；R(1)，R(2)，0；R(7)，-R(1)，0；R(6)，-R(5)，0；R(3)，-R(8)，0；R(2)，-R(4)，0；-R(8)，-R(3)，0；-R(5)，-R(6)，0；-R(4)，-R(2)，0；-R(1)，-R(7)，0；-R(7)，R(1)，0；-R(6)，R(5)，0；-R(3)，R(8)，0；-R(2)，R(4)，0]即可满足不混叠原则。且经验证这十六个接收天线位置在步骤B所描述八个发射天线所围成的正八边形内部，如图3。

步骤D：使用上述步骤所构造的八发十六收超宽带天线雷达阵列对墙体背后的既定目标P进行探测和成像。

最后根据上述所提到的八发十六收超宽带雷达阵列拓扑结构在实验室环境下，依照规则进行摆放，一切就绪后再对既定目标进行成像，效果如图(见图4、5、6和7)，从图中可以看出八发十六收超宽带雷达阵列成像效果突出，墙体后目标在图中清晰可见。

该阵列每个一发一收通道对应的效孔径可用公式计算。

r_Emn为等效孔径位置，W_Emn为等效孔径权重。

r_Tm为发射天线位置，r_Rn为接收天线位置，W_Tm＝1为发射天线权重，W_Rn＝1为接收天线权重。在本实施例中，八发十六收天线阵列相当于8×16＝128个1发1收通道，等效孔径是每个1发1收通道在该阵列所在平面上共同作用出来的等效位置，有效孔径的示意图如图8所示。

分辨率与接收天线、发射天线在X轴投影的阵列总长度基于以下公式确定，

${\mathrm{\δ}}_{c-r}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{L_E}R---\left(1\right)$

以及L_E＝L_T+L_R≈2L_T (2)

λ：超宽带短脉冲中心频率对应的波长，

R：阵列中心到被测目标的法线方向距离，

δ_c-r：分辨率，

L_E：有效孔径宽度，

L_R：是接收天线在X轴投影的阵列总长度。

本实施例中L_T为0.48。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型基于生命探测雷达多探测点的目标搜索与定位方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本实用新型设计了一种基于超宽带雷达的八发十六收的天线阵列拓扑结构，克服了收发一体的生命救援雷达无法准确定位的缺点，并优于传统多发多收阵列手段，实现了生命体空间位置的精确探测，满足了灾害救援等场合下掩埋人员确切位置信息检测的需要。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种八发十六收天线阵列，其特征在于，该天线阵列的拓扑结构满足以下条件：

设定一二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；

八个发射天线，其设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个正八边形，所述八个发射天线设置位置位于所述正八边形的八个顶点，所述正八边形的中心点为所述坐标原点；

十六个接收天线，其设置位置位于所述正八边形内部，并且所述十六个接收天线设置位置满足不混叠原则，即十六个接收天线的设置位置坐标各不相同，并且在x和y轴方向上的投影也不重合。

2.根据权利要求1所述的八发十六收天线阵列，其特征在于，所述十六个接收天线设置位置进一步满足以下条件：以所述坐标原点引出任意直线，接收天线设置位置在所述任意直线上进行投影，发生混叠的天线总个数最少。

3.根据权利要求1所述的八发十六收天线阵列，其特征在于，所述八个发射天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值按照以下方式设置：

设定参数n_T＝1，2，3，4，5，6，7，8，N_T＝8，

N_R＝16为接收天线个数，

L_t是发射天线在x轴投影的阵列总长度，

将n_t、N_t、L_t这三个参数代入公式该公式应用三角形法则求得圆的半径；利用三角公式 再分别求得八个发射天线的具体坐标位置。

4.根据权利要求1所述的八发十六收天线阵列，其特征在于，设定矩阵L_T是发射天线在x轴投影的阵列总长度，则所述十六个接收天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值用Receiver矩阵表述为：Receiver＝[R(8)，R(6)；R(5)，R(3)；R(4)，R(7)；R(1)，R(2)；R(7)，-R(1)；R(6)，-R(5)；R(3)，-R(8)；R(2)，-R(4)；-R(8)，-R(3)；-R(5)，-R(6)；-R(4)，-R(2)；-R(1)，-R(7)；-R(7)，R(1)；-R(6)，R(5)；-R(3)，R(8)；-R(2)，R(4)]。

5.根据权利要求3或4所述的八发十六收天线阵列，其特征在于，所述L_T按照以下公式(1)和(2)计算：

${\mathrm{\δ}}_{c-r}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{L_E}R---\left(1\right)$

以及L_E＝L_T+L_R≈2L_T (2)

λ：超宽带短脉冲中心频率对应的波长，

R：阵列中心到被测目标的法线方向距离，

δ_c-r：分辨率，

L_E：有效孔径宽度，

L_R：是接收天线在X轴投影的阵列总长度。

6.一种超宽带探测雷达，包括权利要求1-5任意一项所述的八发十六收天线阵列。