CN107942295A - 一种前视阵列sar***的稀疏天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前视阵列SAR***的稀疏天线，其从阵元稀布、***信噪比和二维成像质量等多方面综合考量，研究采用短的密布均匀发射阵列和长的稀疏均匀接收阵列的基本配置方式，利用发射波束的零点来抑制接收栅瓣和波束扫描来实现观测条带有效覆盖的方法；其不仅大大降低了阵元数量，还具有以下好处：一是发射天线采用较长的阵列天线以形成窄波束，提高了发射增益，且大的接收阵元间隔也为适当提高接收阵元增益提供了空间，最终提高了接收回波信噪比；二是发射窄波束缩小了每个波束的场景宽度，为采用简单、高效的跨航向距离徙动校正算法提供了条件；三是接收阵元均匀排布使得跨航向成像时可以采用FFT等快速算法，进一步提高了算法效率。

Description

一种前视阵列SAR***的稀疏天线

技术领域

本发明属于雷达天线设计与信号获取领域，涉及一种前视阵列SAR***的稀疏天线。

背景技术

在雷达三维成像领域，前视阵列SAR近年来获得了许多科研机构和研究人员的关注。它采用实孔径的阵列天线，用于高频段(Ka、Ku等)雷达的低空近距离对地观测，具备近实时获取平台前下方观测场景三维图像的优势，为飞行平台的地物匹配制导、自主导航和降落等应用提供了一种全新的、全天时全天候工作的方式。前视阵列SAR采用宽带发射信号的匹配滤波实现距离向的高分辨，采用跨航向阵列天线的波束形成实现跨航向的高分辨，采用沿航向多个脉冲的虚拟孔径合成实现沿航向的高分辨，实现前下方观测场景的三维成像。当前，前视阵列SAR***在阵列天线设计上面临如下问题：由于阵列长度长而信号波长短，传统的密布阵列天线通常需要成百上千个阵元，导致天线成本高和设计复杂度大，限制了前视阵列SAR***的有效实现。如何有效降低阵元数量成为前视阵列SAR中一个重要的问题，具有较强的研究价值。

目前，可以有效降低前视阵列SAR阵元数量的方法主要有三种：一是阵列非均匀稀布方法，主要文献有吕岚、张晓玲等在2012年发表在《计算机工程与应用》上的“基于模拟退火法的优化线阵的前视三维SAR模型”；该方法在一定程度上减少了阵元数量且避免了成像栅瓣，但非均匀排布不利于跨航向成像的快速处理，且阵列的稀疏度十分有限。二是多输入多输出(MIMO)技术，主要文献有马超、顾红等在2015年发表在《电波科学学报》上的“多输入多输出阵列的机载前视雷达成像算法”和WeiβM.、Gilles M.在2010年发表在《EuropeanConference on Synthetic Aperture Radar》上的“Initial ARTINO RadarExperiments”；它们分别提出了基于分时相干MIMO的阵列天线稀布方案，有效减少了阵元数量，但由于发射和接收阵元的孔径都仅略大于波长的一半，发射和接收增益都十分有限，导致雷达作用距离小或回波信噪比低。三是阵列稀疏采样和压缩感知方法，主要文献有韦顺军、张晓玲在2011年发表在《宇航学报》上的“基于压缩传感的线阵SAR三维成像方法研究”和Gao Lei、Zeng Yonghu等在2014年发表在《IEEE International Conference onSignal Processing,Communications and Computing》上的“Design of array forairborne forward looking SAR based on compressed sensing”；它们不仅有效减少了阵元数目，还在一定程度上实现了跨航向超分辨，但由于它们假定地面散射源是稀疏的，而实际中大部分雷达复图像的稀疏度不高，再加上运算量十分巨大，限制了其进一步应用。可见，以上方法在实际应用中都有一些难以克服的问题，限制了它们的有效应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种前视阵列SAR***的稀疏天线，其从阵元稀布、***信噪比和二维成像质量等多方面综合考量，研究采用短的密布均匀发射阵列和长的稀疏均匀接收阵列的基本配置方式，利用发射波束的零点来抑制接收栅瓣和波束扫描来实现观测条带有效覆盖的方法，显著降低了阵元数量，提高了收发增益和***信噪比，保证了成像质量和效率，为前视SAR***天线设计提供新的解决方案。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种前视阵列SAR***的稀疏天线，包括发射天线和接收天线，其特征在于，所述发射天线的阵元数量所述接收天线的阵元数量N_r＝L_r/d_r，min，且发射天线的加权窗函数采用周期窗函数；

其中，γ为发射天线的波束零点的展宽系数，L_r为接收天线的总长度；d_r，min为以下最优化方程的最优解：

s.t.λ/2≤d_r≤λ/Δθ_t

m≥γ

其中，m为正整数，d_r为接收天线的阵元间距，Δθ_t为发射波束的最小宽度，λ为***的工作波长。

可选地，所述的发射天线的加权窗函数采用周期式Hamming窗或者周期式Hanning窗。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1.与密布阵相比，大大降低了阵元数量(见仿真实验)；

2.发射天线采用较长的阵列天线以形成窄波束，提高了发射增益，且大的接收阵元间距也为适当提高接收阵元增益提供了空间，最终提高了***回波的信噪比；

3.发射窄波束缩小了每个波束的场景宽度，为采用简单、高效的跨航向距离徙动校正算法提供了条件；

4.与非均匀稀布方法相比，本发明的稀疏天线在跨航向成像时可以采用FFT等快速算法。

附图说明

图1是前视阵列SAR***对地观测示意图；

图2是发射天线方向图；

图3是收发天线双程方向图；

图4是点散射源的成像结果；

图5是点散射源图像的剖面图；

图6是九个点散射源的成像结果。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合前视阵列SAR***中的具体实施例和附图对本发明做进一步的描述。

本发明主要应用于实孔径阵列天线的雷达成像，目前主要适用于高频段阵列雷达的近距离成像平台。

图1给出了前视阵列SAR***对地观测示意图。载机在观测条带上方H米处沿观测条带方向水平匀速飞行，速度为v。雷达发射波束指向平台前下方(采用波束扫描实现观测条带的有效覆盖，图1给出了两个波束情况下的观测示例)。假定接收和发射天线均为独立的阵列天线，发射天线采用可以电扫的、短的密布阵列天线，接收天线采用稀疏均匀排布的、长的阵列天线，两天线平行排列且垂直于平台飞行方向，如图1所示。定义载机飞行方向为沿航向，以x轴表示；收发阵列方向为跨航向，以y轴表示，且两阵列中心为y轴零点；高度方向为z轴，且以水平地面为z轴零点。三个坐标轴的方向排列符合笛卡尔直角坐标系规则。前视阵列SAR***稀疏天线设计的步骤如下：

步骤一，采用新的天线收发模式

收发天线的基本情况是：发射天线采用可以电扫的、短的密布阵列天线，接收天线采用均匀稀疏排布的、长的阵列天线。与传统的单个密布阵列天线相比，由于发射天线长度很短，其阵元数要小很多；由于接收天线稀疏排布，其阵元数也要小很多，因此总的阵元数量大大减少。同时，为了满足前视阵列SAR的观测条带覆盖要求，发射天线需要扫描观测条带，因此使用移相的电扫方式更加合适。因此，***的工作方式就是：对于某个观测区域，按照波束宽度分成多个子区域，发射天线依次扫描每个子区域，在此过程中接收天线依次接收每个子区域的回波，而且阵列天线中的接收阵元同时接收每一个子区域的回波。

步骤二，根据分辨率要求确定天线的基本参数

在确定***收发模式后，根据前视阵列SAR***的成像要求，确定天线的基本参数。成像的基本参数有：雷达作用距离R、距离分辨率ΔR、跨航向分辨率ΔA等。再加上***的工作波长λ，则接收天线的总长度L_r可以用下式表示：

其中，β表示分辨率展宽因子。

步骤三，从栅瓣抑制角度确定收发天线参数的关联关系

假定接收天线的阵元间距为d_r(d_r＞λ)，则接收天线的阵元数量为N_r＝L_r/d_r。由于阵元间距加大，相应地可以适当增加接收阵元的孔径，提高接收增益。但是，阵列稀疏排布将会带来接收栅瓣，降低了成像质量，其中不考虑移相和加权情况下接收栅瓣的方位角sinθ_r0将会满足下式：

从雷达成像角度考虑，接收栅瓣将显著降低成像***的跨航向峰值旁瓣比和跨航向积分旁瓣比，必须有效抑制栅瓣才能实现跨航向成像。实验发现，一种可行的方法是使得发射波束的零点位置与接收栅瓣位置相同，利用发射波束的零点来有效降低收发总波束的栅瓣水平。

发射天线采用均匀密布阵，假定阵元间距d_t为λ/2，发射天线长度为L_t，则阵元数量为如果对发射天线进行合适的周期加权，并假定其波束零点的展宽系数为γ(它与发射阵列的窗函数密切相关，一般情况下，γ＝1或2)，则发射波束的零点位置θ_t0可以表示为

需要说明的是，这里的窗函数要选用周期窗函数，即波束零点的位置是周期的。实现表明，有些窗函数的波束零点不是周期的，不能用于此处。目前经测试，矩形窗函数、周期式Hamming窗和周期式Hanning窗都可以。

要想获得较为理想的积分旁瓣比水平，接收栅瓣必须落入到发射波束的零点位置，即满足：

因此，接收阵元间距d_r与发射天线长度L_t满足L_t＝md_r，其中m≥γ，d_r＞λ。

步骤四，确定总阵元数的表达式和约束条件，建立最优化方程。

根据式(4)中的约束关系，发射天线和接收天线的总阵元数量N_tr可以表示为：

可见，式(5)是变量m的单调增函数，其值越小函数值越小，而其最小值为m＝γ，因此式(5)中的变量m可以用γ代替。若假定λ、L_r和γ已知，则当m＝γ，时，式(5)取最小值此时发射天线长度发射波束宽度

然而，由于L_t较大时发射波束宽度会非常窄，甚至远小于观测条带的宽度θ_c，会造成扫描数较大、波束难以控制、接收阵元数少而影响后续波束形成中的旁瓣抑制等问题。因此，L_t不可能无限大，而是存在一个最小扫描波束宽度Δθ_t，使得L_t必须小于某个值，进而d_r也必须小于某个值，即

因此，根据式(5)和(6)，阵元总数量可以表示为以d_r为自变量的、线性约束的最优化方程，如下式所示。

其中，目标函数是一个凸函数，约束条件也是线性的。

步骤五，求解带约束的最优化方程，确定收发天线的参数

上述优化方程是一个线性约束的凸优化方程，可以利用拉格朗日乘子法求解，得到方程的最优解d_r，min。根据此最优解，可以唯一确定***如下参数，包括：发射天线长度L_t＝γd_r，min，发射阵元数量接收阵元数量N_r＝L_r/d_r，min。至此，还有一个未知参数γ以及收发天线加权的窗函数尚未确定，而且γ取决于发射天线窗函数。

步骤六，根据雷达成像质量要求，确定收发天线的窗函数

由式(4)可知，γ越小，收发阵元总数量越小，但跨航向积分旁瓣比可能更高，因此应该根据成像质量探讨γ的取值。前视阵列SAR的阵列天线是跨航向排布的，采用跨航向阵列天线的波束形成实现跨航向的高分辨，因此考虑跨航向分辨率、跨航向峰值旁瓣比和跨航向积分旁瓣比三个指标。实验表明，该收发分置阵列天线主要有以下几个特点：(1)由于有效抑制了接收栅瓣，跨航向分辨率仅与接收阵列加权有关，与发射方向图的关系不密切。(2)跨航向峰值旁瓣比尽管与发射方向图也有关，但主要取决于接收阵列加权处理的旁瓣水平，而且也容易获得较满意的旁瓣水平。(3)跨航向积分旁瓣比与发射方向图、接收阵列加权处理均十分密切。同时，仿真实验结果表明，跨航向积分旁瓣比水平与下面三点有关：(1)要想获得较理想的积分旁瓣水平，必须用发射波束的零点有效抑制全部的接收栅瓣。(2)如果采用矩形窗对发射阵列加权，即使接收阵列采用较深的加权函数，积分旁瓣比都将大于-10dB，即γ不能取1；因此，发射天线的加权窗函数采用周期式Hamming窗和周期式Hanning窗都可以，此时γ＝2。(3)如果采用Hamming或Hanning窗对发射阵列加权，接收阵列的加权深度只要小于-30dB，积分旁瓣比都会小于-10dB，满足跨航向成像要求。因此，γ的最小值应该是2，且收发天线均采用一定深度的周期窗函数，此时才可以满足前视阵列SAR***的成像要求。例如，在以下实施例中，发射天线采用Hamming窗函数，接收天线采用Chebwin窗函数。

以下给出具体实施例，并验证了本发明的方法的可行性及其成像质量。

假定发射信号波长为3毫米，接收天线长度为9.6米，若采用均匀密布阵列，相邻阵元间距为1.5毫米，则接收阵元数量为6400个。而如果采用本文方法，假定波束宽度可以无限小，则最优解对应的发射和接收阵元数量分别为114个，总阵元数为228个，阵元数量降为原来的3.6％。此时，发射波束宽度约为0.035弧度。假定方位向波束宽度为30度(0.52弧度)，相邻波束的重合度为10％，则扫描波束数量约为17个。若假定最小波束宽度为0.07弧度，则发射阵元数降为56个，接收阵元数量提高到228个，总阵元数量增加了25％，此时扫描波束数量降为9个。此时，与密布阵方式相比，阵元约为它的4.5％，同样显著降低了阵元数量。仿真实验的基本参数如表1所示。

表1仿真实验的基本参数

中心波长(mm)	3	接收天线总长度(m)	9.6
				脉冲带宽(MHz)	500	场景中心斜距(km)	1
脉冲时宽(μs)	2	跨航向分辨率(m)	0.5
				采样频率(MHz)	600	距离向分辨率(m)	0.55

(1)：图1给出了发射阵元数为56个和接收阵元数为228个时发射和接收的双程方向图，其中发射波束采用Hamming窗加权，此时发射波束宽度为0.07弧度(约3.7度)，如图2所示。接收阵列在成像时进行加窗处理，窗函数为-35dB的切比雪夫窗。图3给出了收发双程的方向图，其中峰值旁瓣比为-35dB，积分旁瓣比为-17dB，完全满足跨航向成像的要求。

(2)：假定场景中心斜距为1千米，则跨航向分辨率约为0.5米。同时，假定发射脉冲为线性调频信号，信号带宽为500MHz，脉冲宽度为2微秒，距离向窗函数为-30dB的切比雪夫窗，则距离向分辨率约为0.5米。图4给出了场景中心处一个点散射源的二维成像图，图5给出了该散射源图像的距离向和跨航向剖面图。其中，成像方法采用了Chirp Scaling成像算法。

(3)：仿真9个呈田字形的点散射源的回波。其中，这9个点散射源的幅度相同，相位随机，且相邻点散射源的间距为1米。图6给出了这9个点散射源回波的成像结果。

可见，在这种天线构型下，本发明也实现了所有点散射源的有效成像和准确定位。以上实验结果表明，该方法可以有效实现前视阵列SAR的跨航向成像，且显著减少了阵元数量，有利于前视阵列SAR天线的实现。

Claims (2)

1.一种前视阵列SAR***的稀疏天线，包括发射天线和接收天线，其特征在于，所述发射天线的阵元数量所述接收天线的阵元数量N_r＝L_r/d_r，min，且发射天线的加权窗函数采用周期窗函数；

其中，γ为发射天线的波束零点的展宽系数，L_r为接收天线的总长度；d_r，min为以下最优化方程的最优解：

<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>md</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

s.t. λ/2≤d_r≤λ/Δθ_t

m≥γ

其中，m为正整数，d_r为接收天线的阵元间距，Δθ_t为发射波束的最小宽度，λ为***的工作波长。

2.如权利要求1所述的前视阵列SAR***的稀疏天线，其特征在于，所述的发射天线的加权窗函数采用周期式Hamming窗或者周期式Hanning窗。