一种错开分布的ＭＩＭＯ雷达阵列天线构造方法技术

本发明专利技术公开了一种错开分布的ＭＩＭＯ雷达阵列天线构造方法，它是在相位中心近似（ＰＣＡ）原理的基础上提出错开分布的“双端发射”模型和错开分布的“内侧发射”模型的构造方法。错开分布的“双端发射”模型可获得较大的阵列天线孔径，但引入更多由机翼抖动造成的抖动误差；而错开分布的“内侧发射”模型虽然会减小阵列天线孔径，但引入的抖动误差也会显著减少。可根据不同系统设计要求而灵活选择。本发明专利技术在保留线型阵列易于分析和设计的特性的同时又较好地解决了“弯翼情况”和“布阵间隔受限情况”下的适用性问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，它特别涉及了 MIMO雷达和雷达阵列天线
技术背景MIMO雷达是一种新体制雷达，受多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, ΜΙΜΟ)通信思想的启发，本世纪初，一些学者将ΜΙΜΟ技术拓展到了雷达 领域，并提出了 MIMO雷达的概念。该体制雷达在信号检测、参数估计和空间分辨力等方面 具有诸多优点，因而成为理论和工程研究人员研究的热点。与传统雷达相比，MIMO雷达更多地利用了发射阵的资源，通过发射不相关或部分 相关的多波形，以获得波形分集增益；也可通过收发天线阵元的大阵元间隔布置，使得发射 波从不同角度照射目标，而获得空间分集增益。对于机载平台和星载平台的MIMO雷达，由于布阵平台空间有限，所以只能获得波 形分集增益，而且需要对MIMO雷达阵列天线的模型进行合理的设计才能发挥天线系统的 最佳效果。对于对机载平台和星载平台而言，其适于布阵的区域通常都为条形区域(如飞 机的机翼和卫星的帆板)，故MIMO雷达的天线阵列通常都被布置成易于设计和分析的线 型阵列。然而，在有些场合线型阵列却并不适用于实际情况(例如因机翼与机身有一定的 夹角而致使两翼连线并非一条直线的情况，我们可以称之为“弯翼情况”；发射阵元与接收 阵元之间的最小间隔小于实天线单元的尺寸而致使天线无法安装的情况，我们可以称之为 “布阵间隔受限情况”)，据专利技术人所知，目前还没有相关文献和资料提出错开分布的MIMO雷 达阵列天线构造方法。
技术实现思路
针对机载平台和星载平台的MIMO雷达在“弯翼情况”和“布阵间隔受限情况”下不 适于布线型阵列的问题，本专利技术在相位中心近似(PCA)原理的基础上提出一种错开分布的 MIMO雷达阵列天线构造方法，该方法在保留线型阵列易于分析和设计的简单特性的同时又 较好地解决了上述情况下的适用性问题。为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义定义1、MIMO雷达MIMO雷达的全称为“多输入多输出雷达”(Multiple-Input Multiple-Output Radar)，广义上ΜΙΜΟ雷达被定义为发射端和接收端有多个天线，且发射端发射多个不 相关或部分相关信号波形的雷达。详见文献Bliss D, Forsythe K, "Multiple-input multiple-output (ΜΙΜΟ) radar and imaging :Degrees of freedom and resolution，，， Proc. 37th Asilomar Conf. Signals, Systems, and Computers.定义2、正交信号正交信号是指均值为零，且任意两个不同信号间的协方差为零的信号。在雷达信 号中，不相关与正交通常是等价的。8定义3、空间分集空间分集是指收发阵元采用大的间隔配置，并且发射互相独立的信号，能够使发 射波从不同角度照射目标，接收信号即为多个独立衰落信号的和，因此接收信号的信噪比 趋近于一个常量，从而可以有效减少电波衰落的影响。通过使发射阵元间距足够大获得的 增益可以称为空间分集增益，这一增益能够使MIMO雷达在多径的环境下具有良好的性能。 详见文献“单基地MIMO雷达DOA估计的性能分析”，杨巍，西安电子科技大学，2009。定义4、波形分集波形分集是指通过灵活地选择发射波形的各种参数和波形间的相关系数来使系 统性能最大化。详见文献“单基地MIMO雷达DOA估计的性能分析”，杨巍，西安电子科技大 学，2009。定义5、天线单元的横向尺寸、纵向尺寸和直径天线单元的横向尺寸是指天线单元沿χ轴方向所占的空间长度；天线单元的纵向 尺寸是指天线单元沿y轴方向所占的空间长度；天线单元的直径是天线单元外接圆的直 径。如图3所示。定义6、“弯翼情况”“弯翼情况”是指因两翼与机体之间有一定的夹角而致使两翼连线并非一条直线 的情况，如附图说明图1所示。定义7、“布阵间隔受限情况”“布阵间隔限制情况”是指发射阵元与接收阵元之间的最小间隔Ismin小于单天线 的横向尺寸而致使天线无法安装的情况，如图5所示。定义8、载荷平台载荷平台是指用来搭载MIMO雷达系统的运动平台，如飞机和卫星等。定义9、天线布阵平台天线布阵平台是指MIMO雷达的载荷平台(机载平台或星载平台)上可以用来安 装天线的有效布阵区域，如飞机机翼或卫星帆板上能够用来安装天线的区域。定义10、翼在本专利技术中，翼是机载平台的机翼和星载平台的帆板的统称。定义11、机体在本专利技术中，机体是机载平台的机身或星载平台的星体部分的统称。定义12、机头机头是指机体上朝向载荷平台运动方向的前端部位，如图2所示。定义13、机尾机尾是指机体上朝向载荷平台相反运动方向的后端部位，如图2所示。定义14、翼的前缘、翼的后缘和翼的端缘两翼(天线布阵平台)上朝向机头部位的外缘称为翼的前缘，朝向机尾部位的外 缘称为翼的后缘，离机体最远的外缘称为翼的端缘，如图2所示。定义15、翼的纵向宽度翼的纵向宽度是指翼的前缘与后缘之间沿y轴方向的空间长度。定义16、发射天线阵元(或发射阵元)或发射天线阵元是指雷达系统中向外发射电磁波信号的天线单元，简称发射阵 元。详见文献“自适应滤波一时域自适应滤波和智能天线”，龚耀寰，第二版，电子工业出版 社，2003。定义17、接收天线阵元(或接收阵元)或接收天线阵元是指雷达系统中接收场景回波信号的天线单元，简称接收阵元。 详见文献“自适应滤波一时域自适应滤波和智能天线”，龚耀寰，第二版，电子工业出版社， 2003。定义18、天线阵元天线阵元是发射天线阵元和接收天线阵元的统称。定义19、发射阵列(或发射阵)发射阵列是指由所有的发射阵元组成的天线阵列，简称发射阵。定义20、接收阵列(或接收阵)接收阵列是指由所有的接收阵元组成的天线阵列，简称接收阵。定义21、子发射阵将位于左翼上的发射阵元组成的天线阵列称为左子发射阵，将位于右翼上的发射 阵元组成的天线阵列称为右子发射阵，将左子发射阵和右子发射阵统称为子发射阵。定义22、子接收阵将位于左翼上的接收阵元组成的天线阵列称为左子接收阵，将位于右翼上的接收 阵元组成的天线阵列称为右子接收阵，将左子接收阵和右子接收阵统称为子接收阵。定义23、波束角波束角为当雷达能量密度达到最大能量密度的一半(3dB)时的角度，用符号Qtl 表示，波束角与天线的型号(直径)有关。定义24、“双端发射”模型“双端发射”模型是指发射天线阵元较为密集地分布在两翼的左右两端的天线布 阵模型° 详见文献 J. Klare, A. Brenner, J. Ender,"A new airborne radar for 3D imaging simulation study of ARTIN0-, " in EUSAR 2006, Dresden, Germany, May2006.定义25、“内侧发射”模型“内侧发射”模型是指发射天线阵元较为密集地分布在两翼上靠近机体部分的天 线布阵模型。定义26、相位中心近似(PCA)原理相位中心近似原理认为在远场条件下(即；I，其中Ltk为接收阵元 和发射阵元之间的间距，r为发射阵元和接收阵元的中间位置到散射点的距离，λ为信 号波长)，一对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种错开分布的ＭＩＭＯ雷达阵列天线构造方法，其特征是该方法包括如下步骤：步骤１、天线相关参数的初始化设置首先，确定实天线单元的尺寸参数；令发射天线单元的横向尺寸为ｌ↓［Ｔａｘ］，纵向尺寸为ｌ↓［Ｔａｙ］；接收天线单元的横向尺寸为ｌ↓［Ｒａｘ］，纵向尺寸为ｌ↓［Ｒａｙ］；其中ｌ↓［Ｔａｘ］、ｌ↓［Ｔａｙ］、ｌ↓［Ｒａｘ］与ｌ↓［Ｒａｙ］的实际数值由系统的设计指标确定；为了便于描述设计方法，我们给出一个参考天线单元，该参考天线单元的横向尺寸为ｌ↓［ａｘ］＝ｌ↓［Ｔａｘ］＋ｌ↓［Ｒ［ｏｕｔ］），Ｐ↓［ｏｕｔｒ］的坐标为（ｘ↓［ｏｕｔ］，ｙ↓［ｏｕｔ］），其中ｘ↓［ｏｕｔ］和ｙ↓［ｏｕｔ］的具体数值由载荷平台的几何参数确定；ＭＩＭＯ雷达天线阵列的所有发射天线阵元都位于与ｘ轴平行的一条直线上，并用符号Ｌ↓［ｔｌ］表示该直线，直线Ｌ↓［ｔｌ］可由方程ｙ＝Ｙ↓［ｔｌ］，ｘ∈□表示，其中符号□表示任意自然数；所有的接收天线阵元都位于与ｘ轴平行的另一条直线上，并用符号Ｌ↓［ｒｌ］表示该直线，直线Ｌ↓［ｒｌ］可由方程ｙ＝Ｙ↓［ｒｌ］，ｘ∈□表示；左右两翼上的发射阵元都是等间隔布置的，令发射阵元的间隔为Δｄ↓［Ｔ］，其中Δｄ↓［Ｔ］＝２ｄ；左右两翼上的接收阵元也是等间隔布置的，令接收阵元的间隔为Δｄ↓［Ｒ］，其中Δｄ↓［Ｒ］＝Ｍｄ；步骤３、根据系统的设计要求，选择ＭＩＭＯ雷达阵列天线的具体模型（１）如果系统的设计指标要求以切航迹向天线孔径的最大化优先或切航迹向的分辨率优先，则选择错开分布的“双端发射”模型，进入步骤４；（２）如果系统的设计指标要求以减小抖动误差优先，则选择错开分布的“内侧发射”模型，进入步骤５；步骤４、错开分布的“双端发射”模型构造过坐标（０，ｙ↓［ｉｎ］＋ｌ↓［Ｒａｙ］）点做平行于ｘ轴的直线ｌ↓［ｍｉｄ］，该直线与两翼的外缘相交后所得的线段长度用｜ｌ↓［ｍｉｄ］｜表示；令子发射阵沿ｘ轴方向的阵列长度为ｌ↓［Ｔｓｕｂ］。其中ｌ↓［Ｔｓｕｂ］＝（Ｍ／２－１）□Δｄ↓［Ｔ］；令接收阵沿ｘ轴方向的阵列长度为ｌ↓［Ｒ］，其中ｌ↓［Ｒ］＝ｍｉｎ｛｜ｌ↓［ｍｉｄ］｜，（ｌ↓［ｓｐａｎ］－２ｌ↓［Ｔｓｕｂ］－２ｄ－２↓［ｄＴＲａ］）｝，其中符号ｍｉｎ｛Ａ，Ｂ｝表示取Ａ，Ｂ两者中最小者的运算；（１）计算接收阵元的数目Ｎ令Ｎ＝「ｌ↓［Ｒ］／Δｄ↓［Ｒ］」＋１，其中符号「□」表示取不大于“凵”且最接近“凵”的整数的运算，即下取整运算；（...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，解文成，韦顺军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]