一种对数螺旋阵列天线布阵方法技术

一种对数螺旋阵列天线布阵方法，天线阵采用Ｎ条对数螺旋布阵，单条对数螺旋线方程为天线单元处于对数螺旋方程上，为对数螺旋线上任意一点在极坐标下的位置坐标，ｒ为点到坐标原点的距离（单位：波长）即相对波长数，为相对于极轴（０°）的角度，ａ是对数螺旋线方程的参变量，为阵列设计时可优化的常数，每条对数螺旋上的天线单元ｎ沿着螺旋线方程位于处，相邻单元间相位差为Ｎ条螺旋线依次绕旋转轴旋转３６０°／Ｎ，各条对数螺旋线初始起点的ｒ相同，每条螺旋线上首个天线单元初始起点的相位为每条螺旋线上从初始起点依次相隔各分别放置ｍ个阵元，阵列中心即原点处可放置一个阵元（亦可不放），当参数ａ、确定时，阵列流形就完全确定，Ｎ条对数螺旋阵列总的天线单元数为Ｎｍ＋１。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超分辨空间谱(波达方向(Direction of Arrival, DOA))估计技术， 尤其涉及，该方法可以实现高分辨二维波达方向(DOA)估 计和目标测量、成像，可应用于雷达系统、通信系统和天文观测等领域。
技术介绍
超分辨空间谱估计技术又称为波达方向(Direction of Arrival,D0A)估计技术， 能够准确估计空间信号源的方向及空间分布，突破传统测向体制瑞利限的限制，在无线通 信、雷达、声纳、导航、地震探测和医学等领域有着广泛的应用。空间谱的获取是通过天线阵 列信号的迭加和抽取实现的，因此，阵列流形即阵列的几何结构、阵元的幅相分布、阵元间 的耦合、以及周围散射体的影响等对空间谱估计至关重要。目前天线的分析和综合方法主 要还是集中在天线的电磁辐射特性方面，较少关注对空间谱获取的影响；而在阵列信号处 理理论的研究中，虽然对一维线阵的阵列流形问题有较深入的研究，如等距阵、非等距阵、 虚拟阵列等方法，但对更加符合实际情况和更有针对性的二维阵列研究较少。常规的采用 增大天线单元间距提高阵列分辨率的方法不可避免的形成栅瓣，从而出现虚假谱峰造成分 辨率下降。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术提出了，通过一 种新颖的二维天线阵列流形-对数螺旋阵，突破常规测向体制瑞利限的限制，实现高分辨 率的二维DOA估计、目标定向和成像。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案， 其特征在于天线阵采用N条对数螺旋布阵，(N = 2，3，4...)，单条对数螺旋线方程为 r = 天线单元处于对数螺旋方程r = 上，(r，^)为对数螺旋线上任意一点在极坐 标下的位置坐标，r为点到坐标原点的距离(单位波长)即相对波长数，P为相对于极轴 (0° )的角度，a是对数螺旋线方程的参变量，阵列设计时可根据天线方向图的波束宽度、 副瓣电平等技术指标的需要进行优化，每条对数螺旋上的天线单元η沿着螺旋线方程位于 代处，相邻单元间相位差为条螺旋线依次绕旋转轴旋转360° /N，各条对数螺旋线初 始起点的r相同，每条螺旋线上首个天线单元初始起点的相位为φ ，每条螺旋线上从初始 起点相隔Δρ各分别放置m个阵元，阵列中心即原点处放置一个阵元(亦可不放)，当参数 a、Νφ、外确定时，阵列流形就完全确定，N条对数螺旋阵列总的天线单元数为Nm+1 (阵列 中心即原点处不放置阵元时为Nm)。所述的对数螺旋阵可以是相扫的(即相控阵)，也可以是非相扫的；(rn,办)处可 以放置天线单元，也可以放置天线子阵。为了获得最佳的阵列布局，避免出现虚假谱峰，采用优化方法对天线单元的配置， 即采用包括遗传算法(Genetic Algorithm，GA)、蚁群算法(Ant Colony Optimization,3AC0)、粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PS0)在内的各种算法，对影响天线 方向图变化的参量a、Λφ、灼进行优化。本专利技术的优点及显著效果1)天线阵采用多条(2、3、4...)对数螺旋布阵，增大了天线单元间距，获得了大的 天线孔径，锐化了天线波束，提高了整个天线的分辨率。2)由于采用对数螺旋阵，在X，y平面单元排列呈现非周期特性，因而，消除了栅 瓣产生的条件，突破了半波长的瑞丽极限，在未出现虚假谱峰的基础上，提高了天线的分辨 率，结合现代阵列信号处理技术，可以获得二维超分辨信号估计。3)天线波束宽度窄、天线单元数少。天线波束宽度窄提高了天线的定向辐射和接 收能力，提高了天线的角分辨能力，而与其他形式的阵列(如线阵、圆阵、二维平面阵)相 比，其天线单元数显著下降，这样就大大减少了设备量，降低了建设和维护成本。4)对数螺旋天线阵形式，其天线单元间距远大于半波长(瑞丽限)，但经过优化布 阵确能消除天线方向图中的栅瓣。天线的栅瓣(幅度接近主瓣电平的副瓣)是产生虚假谱 峰，造成目标定向和成像模糊的根本原因。5)对数螺旋天线阵可以方便的和现代阵列信号处理技术相结合，产生高分辨的 功率谱，实现目标的精确定位和成像。在加大天线单元间距，增加天线综合孔径的同时，又 削除了天线阵列的栅瓣，突破了传统测向体制瑞利限的限制，提高了天线阵的分辨率。仿 真结果表明这种对数螺旋天线阵实现二维DOA估计的方法准确有效，并可将其推广应用于 MIMO(multiple input multiple output)多天线移动通信系统、ΜΙΜΟ雷达系统和射电天文 研究等领域。附图说明图1是本专利技术对数螺旋阵列示意图；图2是螺旋阵列二维波达方向示意图；图3是螺旋阵列天线方向图；图4是螺旋阵列二维空间谱估计图；图5是螺旋阵列相邻来波二维空间谱估计图；图6是螺旋阵列二维空间谱估计(SNR = OdB)图。具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步说明天线阵根据天线单元的排列情况有很多种形式，如线阵、圆阵、二维平面阵等，本 专利技术提出一种对数螺旋阵列并通过它实现信号的二维DOA估计。以三条螺旋阵列为例(如 图1所示)，图中，Al，Α2，... AlO是同一平面上天线单元所处的位置，除原点处Al外，各点 满足如下方程r^e-<P (单位波长)为单条螺旋线方程，其中！·为螺旋线上任一点到坐标原点的距离(相对波长数)，P为相对于极轴 (0° )的角度，(GP)为对数螺旋线上任意一点在极坐标下的位置坐标，a是对数螺旋线 方程的参变量，阵列设计时可根据天线方向图的波束宽度、副瓣电平等技术指标的需要进行优化。N条螺旋线依次绕旋转轴旋转360° /N，三条螺旋线依次绕旋转轴旋转120°选 择的控制常数，每条螺旋线上的天线单元η沿着螺旋线方程位于仏处，相邻单元间相位差 为/^，各条螺旋线初始起点的r相同，螺旋线上首个天线单元初始起点的相位为φ0，每 条螺旋线上从初始起点相隔jp各分别放置m个阵元，阵列中心放置一个阵元，当参数a、 Δφ,仰确定时，阵列流形就完全确定。三条螺旋阵列总的天线单元数为3m+l。由于平面螺 旋阵单元数相对少，单元间距按指数展开大于半波长，使得天线孔径增大，分辨力提高。又 因为单元排列的随机性破坏了出现栅瓣的周期性，所以经过优化阵列流形可以抑制栅瓣。 相对于线阵，对数螺旋阵能提供俯仰、方位二维信息；相对于圆阵，对数螺旋阵能提供更低 的副瓣电平和更高的分辨率。为了获得最佳的阵列布局，避免出现虚假谱峰，可以采用优化方法对天线单元 的配置，图2、3采用优化算法，如遗传算法(Genetic Algorithm, GA)、蚁群算法(Ant ColonyOptimization, AC0)，粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PS0)对对 数螺旋面阵天线单元的位置参数进行综合优化影响天线方向图变化的参量a、ΔΨ、帅作 为优化变量，优化的目标是在上半平面，天线方向图除主瓣区外，所有副瓣均低于_12dB， 经PSO优化得到10单元对数螺旋阵(Log spiral Array, LSA)的优化参数a = 0. 1783，计算出10单元LSA阵的天线方向图如图3所示，天线波束宽度θ 3dB = 12.8°，可视范围内副瓣电平SLL <-12dB。以下是对数螺旋阵天线的天线方向图仿真结果图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对数螺旋阵列天线布阵方法，其特征在于：天线阵采用Ｎ条对数螺旋布阵，Ｎ＝２，３，４．．．，单条对数螺旋线方程为ｒ＝ｅ↑［ａφ］，天线单元处于对数螺旋方程ｒ＝ｅ↑［ａφ］上，ｒ，φ为对数螺旋线上任意一点在极坐标下的位置坐标，ｒ为点到坐标原点的距离即相对波长数，φ为相对于极轴０°的角度，ａ是对数螺旋线方程的参变量，阵列设计时根据天线方向图的波束宽度、副瓣电平技术指标的需要进行优化，ａ＞０．１；每条对数螺旋上的天线单元ｎ沿着螺旋线方程位于φ↓［ｎ］处，相邻单元间相位差为Δφ；Ｎ条螺旋线依次绕旋转轴旋转３６０°／Ｎ，各条对数螺旋线初始起点的ｒ相同，每条螺旋线上首个天线单元初始起点的相位为φ↓［０］每条螺旋线上从初始起点依次相隔Δφ各分别放置ｍ个阵元，当参数ａ、Δφ、φ↓［０］确定时，阵列流形就完全确定，Ｎ条对数螺旋阵列总的天线单元数为Ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：华光，洪伟，杨汶汶，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]