阵列天线方向图形成的快速方法与流程

1.本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测和无线通信技术领域，具体涉及一种阵列天线方向图形成的快速方法及其在上述各领域中的应用。


背景技术：

2.现有的阵列天线复杂方向图形成方法大部分采用优化方法，即利用各种优化算法对阵列单元的幅度、相位分布进行优化，进而合成所需的复杂形状方向图。
3.然而，上述优化方法具有明显的缺陷和不足，一方面，目前采用的优化算法大部分都是迭代类算法，需要经过多次迭代后才能获得符合要求的方向图，因此算法速度慢、实时性差，很难满足特定应用场景对实时复杂方向图的形成要求；另一方面，迭代类算法运算量大，对硬件环境和计算资源的配置要求高，故而造成硬件价格和运行成本均较高。


技术实现要素：

4.为了克服现有阵列天线复杂方向图形成方法的上述缺陷和不足，本发明提供了一套解决方案：本发明采用非迭代的解析方法，可以快速模拟所需要的方向图，本方法运算量小，对硬件环境和计算资源的配置要求低，可满足实时应用的要求。
5.阵列天线理论表明，对阵列分布的复信号进行二维ifft变换即可获得其远场方向图。而成像理论则证明，在远距离情况下，对阵列分布的复信号进行二维ifft变换，其结果即为目标的像，综合二者可知，远场方向图与目标的像是一致的。
6.在上述理论的基础上，本发明人发现，对于复杂形状的阵列方向图，用一系列不同强度、不同入射方向、不同初始相位的平面波进行照射和叠加，即可获得所需的方向图。
7.方向图合成公式为：
8.＝∑ifft
2d
(w)，
9.其中，g表示方向图，w表示单个平面波照射形成的阵列复场分布，符号ifft
2d
表示二维快速傅里叶逆变换，符号∑表示求和运算。
10.根据傅里叶变换的线性性质，上式可改写为：
11.＝ifft
2d
{∑w}，
12.具体实施时，先合成一个基本形状方向图g0，然后再进行空间扫描改变波束位置，并用基本形状方向图与冲击函数卷积的方式实现波束方向改变：
[0013][0014]
其中，代表卷积运算，δ
s
为冲击函数。采用方向指向扫描方向的针状波束g
s
代替上述冲击函数δ
s
，上式可改写为：
[0015][0016]
从而有：
[0017][0018]
其中，w0为基本形状方向图对应的阵列复场分布，w
s
为扫描方向图对应的复场分布。
[0019]
上式表明，基本形状方向图的阵列复场分布与针状扫描波束方向图的复场分布进行相乘，即可获得所需复杂形状的波束扫描方向图。
[0020]
在上述认识的基础上，本发明提供了一种阵列天线方向图形成的快速方法，该方法通过将阵列天线方向图分解为一系列不同方向、相位、强度的照射平面波的集合，计算出该平面波集合照射在阵列口径上的复场分布，该结果即为所需方向图对应的阵列天线单元幅度、相位加权系数。
[0021]
具体而言，本发明阵列天线方向图形成的快速方法其算法流程如下：
[0022]
步骤一：对阵列天线方向图进行分解，获得照射波束中心指向以及基本形状方向图；
[0023]
步骤二：对基本形状方向图进行分解，获得照射平面波集合；
[0024]
步骤三：根据照射平面波集合，计算阵列口径处的基本形状方向图复场分布；
[0025]
步骤四：根据照射波束中心指向，计算阵列口径处的扫描方向图复场分布；
[0026]
步骤五：计算基本形状方向图复场分布与扫描方向图复场分布的乘积；
[0027]
步骤六：根据基本形状方向图复场分布与扫描方向图复场分布的乘积结果，输出阵列天线单元幅度、相位加权系数。
[0028]
进一步地，本发明方法步骤一中通过分解阵列天线方向图，获得照射波束中心指向以及基本形状方向图，其中：
[0029]
所述照射波束中心指向对应的球坐标角度参数为是指阵列天线方向图中心位置所在的方向；
[0030]
所述基本形状方向图g0，是指不考虑照射波束中心指向时的阵列天线方向图形状，即阵列天线方向图中心方向为法向方向时的形状。
[0031]
进一步地，本发明方法步骤二中对基本形状方向图进行分解，获得照射平面波集合，其具体步骤如下：
[0032]
根据阵列天线同相馈电时默认针状波束的宽度，将基本形状方向图的图像离散化为间隔半功率波束宽度的点目标集合，每个点目标代表了一个照射平面波，从而获得了n个照射平面波形成的集合其中为代表入射平面波方向的球坐标角度参数，σ代表入射平面波强度，φ代表入射平面波相位；另外，点目标的角度坐标即为照射平面波的入射方向，点目标的强度代表了照射平面波的强度，当两个相邻的点目标之间无零陷时，对应的两个相邻照射平面波的相位差为零，当两个相邻的点目标之间有零陷时，对应的两个相邻照射平面波的相位差为180
°
。
[0033]
进一步地，本发明方法步骤三中根据照射平面波集合，计算阵列口径处的基本形状方向图复场分布，其算法流程如下：
[0034]
根据照射平面波的入射球坐标角度参数进行坐标变换，转换为方位角、俯仰角坐标(θ
x
,θ
y
)，从而获得平面波到达阵列口径处的相位为：
[0035][0036]
其中，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：
[0037][0038][0039]
其中，为波数，λ为波长，δ
x
、δ
y
分别为x方向、y方向的阵列单元间距；
[0040]
平面波到达阵列口径处的复场为：
[0041]
e＝σe
j(ψ φ)
，
[0042]
其中，j为虚数单位，e为欧拉常数；
[0043]
基本形状方向图对应的复场分布为：
[0044][0045]
进一步地，本发明方法步骤四中根据照射波束中心指向，计算阵列口径处的扫描方向图复场分布，其算法流程如下：
[0046]
根据照射波束中心指向对应的球坐标角度参数进行坐标变换，转换为方位角、俯仰角坐标(θ
sx
,θ
sy
)，从而获得平面波到达阵列口径处的相位为：
[0047][0048]
其中，分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：
[0049][0050][0051]
扫描方向图复场分布为：
[0052][0053]
当无中心波束指向或存在多个针状波束的情况下，则直接选取：
[0054]
e
s
＝1。
[0055]
进一步地，本发明方法步骤五中计算基本形状方向图复场分布与扫描方向图复场分布的乘积，算法如下：
[0056]
e＝e0e
s
；
[0057]
步骤六中根据基本形状方向图复场分布与扫描方向图复场分布的乘积结果，输出阵列天线单元幅度、相位加权系数，具体算法如下：
[0058]
w
a
＝|e|，
[0059][0060]
其中：w
a
为幅度加权系数，为相位加权系数，符号angle表示取相位运算。
[0061]
此外，本发明还涉及上述方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测和无线通信领域中的应用。
[0062]
综上，本发明阵列天线方向图形成的快速方法具有以下优点：
[0063]
(1)采用非迭代的解析方法，可以快速模拟所需要的方向图，可满足实时应用的要求。
[0064]
(2)本方法运算量小，对硬件环境和计算资源的配置要求低，硬件价格和运行成本得到了有效的控制。
[0065]
(3)具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电等为媒介的目标探测和无线通信技术领域，当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像。
附图说明
[0066]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0067]
图1为本发明方法的算法流程图。
[0068]
图2为利用本发明方法获得的环形波束方向图。
[0069]
图3为利用本发明方法获得的扇形波束方向图。
[0070]
图4为利用本发明方法获得的差波束方向图。
[0071]
图5为利用本发明方法获得的多波束方向图。
具体实施方式
[0072]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0073]
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0074]
实施例1：一种阵列天线方向图形成的快速方法(参见附图1)，包括：
[0075]
步骤一：对阵列天线方向图进行分解，获得照射波束中心指向以及基本形状方向图，其中：
[0076]
所述照射波束中心指向对应的球坐标角度参数为是指阵列天线方向图中心位置所在的方向；
[0077]
所述基本形状方向图g0，是指不考虑照射波束中心指向时的阵列天线方向图形状，即阵列天线方向图中心方向为法向方向时的形状。
[0078]
步骤二：对基本形状方向图进行分解，获得照射平面波集合，其具体步骤如下：
[0079]
根据阵列天线同相馈电时默认针状波束的宽度，将基本形状方向图的图像离散化为间隔半功率波束宽度的点目标集合，每个点目标代表了一个照射平面波，从而获得了n个照射平面波形成的集合其中为代表入射平面波方向的球坐标角度参数，σ代表入射平面波强度，φ代表入射平面波相位；另外，点目标的角度坐标即为照射平面波的入射方向，点目标的强度代表了照射平面波的强度，当两个相邻的点目标之间无零陷时，对应的两个相邻照射平面波的相位差为零，当两个相邻的点目标之间有零陷时，对应的两个相邻照射平面波的相位差为180
°
。
[0080]
步骤三：根据照射平面波集合，计算阵列口径处的基本形状方向图复场分布，其算法流程如下：
[0081]
根据照射平面波的入射球角度参数进行坐标变换，转换为方位角、俯仰角坐标(θ
x
,θ
y
)，从而获得平面波到达阵列口径处的相位为：
[0082][0083]
其中，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：
[0084][0085][0086]
其中，为波数，λ为波长，δ
x
、δ
y
分别为x方向、y方向的阵列单元间距；
[0087]
平面波到达阵列口径处的复场为：
[0088]
e＝σe
j(ψ φ)
，
[0089]
其中，j为虚数单位，e为欧拉常数；
[0090]
基本形状方向图对应的复场分布为：
[0091][0092]
步骤四：根据照射波束中心指向，计算阵列口径处的扫描方向图复场分布，其算法流程如下：
[0093]
根据照射波束中心指向对应的球坐标角度参数进行坐标变换，转换为方位角、俯仰角坐标(θ
sx
,θ
sy
)，从而获得平面波到达阵列口径处的相位为：
[0094][0095]
其中，分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：
[0096][0097][0098]
扫描方向图复场分布为：
[0099][0100]
当无中心波束指向或存在多个针状波束的情况下，则直接选取：
[0101]
e
s
＝1。
[0102]
步骤五：计算基本形状方向图复场分布与扫描方向图复场分布的乘积，算法如下：
[0103]
e＝e0e
s
；
[0104]
步骤六：根据基本形状方向图复场分布与扫描方向图复场分布的乘积结果，输出阵列天线单元幅度、相位加权系数，具体算法如下：
[0105]
w
a
＝|e|，
[0106][0107]
其中：w
a
为幅度加权系数，为相位加权系数，符号angle表示取相位运算。
[0108]
实施例2：环形波束方向图的快速形成(参见附图2)
[0109]
利用实施例1的方法，快速形成环形波束方向图
[0110]
工作频率30ghz，天线单元间距为半波长，阵列规模50*50，合成环形波束，波束中心指向为俯仰30
°
，方向图结果见图2。
[0111]
实施例3：扇形波束方向图的快速形成(参见附图3)
[0112]
利用实施例1的方法，快速形成扇形波束方向图
[0113]
工作频率30ghz，天线单元间距为半波长，阵列规模50*50，合成扇形波束，波束中心指向为方位20
°
，方向图结果见图3。
[0114]
实施例4：差波束方向图的快速形成(参见附图4)
[0115]
利用实施例1的方法，快速形成差波束方向图
[0116]
工作频率30ghz，天线单元间距为半波长，阵列规模50*50，合成差波束，波束中心指向为方位20
°
，方向图结果见图4。
[0117]
实施例5：多波束方向图的快速形成(参见附图5)
[0118]
利用实施例1的方法，快速形成多波束方向图
[0119]
工作频率30ghz，天线单元间距为半波长，阵列规模50*50，合成多个波束，方向图结果见图5。
[0120]
本发明中的各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0121]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。