机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法

摘要

本发明提供了一种机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法。针对机载下视3D SAR系统天线布局中存在平台安装空间有限以及设计方法复杂等问题，根据载机飞行高度、观测区域最大高度变化范围函数、雷达系统工作波长和阵列向分辨率进行天线布局设计，该方法操作简单，无需复杂计算，且能保证系统阵列向目标响应函数的栅瓣控制在合理水平。

说明书

技术领域

本发明涉及机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法。 

背景技术

机载下视阵列3D SAR(Three-Dimensional Synthetic Aperture Radar，简称3D SAR)通过对机底区域进行观测，在波传播方向借助于脉冲压缩实现分辨；在航迹向借助于载机平台运动实现孔径综合，进而实现航迹向分辨；在阵列向，通过沿载机机翼和机腹布置稀疏阵列天线实现孔径综合，进而实现阵列向分辨(参见非专利文献1、2)。 

如果沿机翼和机腹均匀布置大量天线子阵，一方面对飞机气动性等会造成较大影响。另一方面，均匀布置大量阵元还会增加系统成本和系统复杂度。针对这些问题，本领域人员就如何进行阵列向天线子阵布局开展了大量研究工作，例如在非专利文献3、4、5中公开了如下方法。通过M个发射天线单元和N个接收天线单元虚拟M×N个等效相位中心，且相位中心中间的间距需要小于半波长。但上述方法需要以天线阵元为全向天线为前提，即能够覆盖阵列向能观测到的所有目标。 

然而，在实际观测中，由于系统信噪比、分辨率等的限制，系统的阵列向观测范围总是限定在一定观测范围内，而不是阵列向±90°。 

此外，上述天线子阵布局中，尚未考虑到实际天线阵列向尺寸大小、 飞行平台上的天线安装空间和天线子阵间布局关系，会出现天线在航迹向前后交错布局的情形，特别是部分发射天线和接收天线等效天线重叠布局，这样一来不利于系统实现，也不利于天线在飞行平台上的灵活安装。 

此外，在现有技术的天线布局中，阵元布局尚未考虑目标高程范围影响。进而，还需要保证系统阵列向响应函数的栅瓣控制在合理水平。 

非专利文献： 

非专利文献1：J.Klare.A newairborne radar for3D imaging-simulation study of ARTINO.EUSAR Dresden，Germany，2006；W.M，E.J，E.A.Peters O.An airborneradar for three dimensionalimaging and observationtechnical realisation and status ofARTINO.EUSAR，Dresden，Germany，2006。 

非专利文献2：L.Du，Y.P.Wang，W.Hong，et al.A Three-Dimensional range migration algorithm for downward-looking3D-SAR with single-transmitting and multiple-receiving linear array antennas.EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2010。 

非专利文献3：J.Klare，D.Cerutti-Maori，A.Brenner，J.Ender.Image quality analysis of the vibrating sparse MIMO antenna array of the airborne3D imaging radar ARTINO.2007。 

非专利文献4：M.Weiss，O.Peters，J.Ender.A three-dimensional SAR system on an UAV.IGARSS2007，Barcelona，Spain，2008：5315-5318。 

非专利文献5：彭学明，王彦平，谭维贤，等.基于跨航向稀疏阵列的机载下视MIMO3D-SAR三维成像算法.电子与信息学报，2012，34(4)：943-949。 

发明内容：

(一)要解决的技术问题 

针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法，解决了机载下视3D SAR成像中阵列向天线布局设计方法复杂以及天线布局空间受限等问题，特别是能够根据系统阵列向分辨率和观测范围进行阵列向天线布局设计，并且能够保证系统阵列向响应函数的栅瓣控制在合理水平。 

(二)技术方案 

为了实现上述目的，本发明的机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法，包括： 

步骤S1，根据作为机载下视3D SAR系统参数的载机飞行高度、观测区域最大高度变化范围函数、雷达系统工作波长、方位向分辨率和阵列向分辨率，确定阵列天线方位向尺寸、阵列向天线布局长度和阵列天线单元半波束宽度； 

步骤S2，基于所述阵列向天线布局长度和所述阵列天线单元半波束宽度，来确定发射天线单元阵列向尺寸、发射天线单元间距、和接收天线单元阵列向尺寸； 

步骤S3，根据所述阵列向天线布局长度和所述发射天线单元间距，来计算发射天线单元数、接收天线单元数、接收天线单元间距、发射天线几何中心位置分布和接收天线单元几何中心位置分布； 

步骤S4，根据所述载机飞行高度和所述阵列向天线单元的半波束宽度，建立阵列向采样点位置坐标，利用所述阵列向采样点位置坐标、所述载机飞行高度、和所述雷达系统工作波长，确定系统机下点目标的阵列向 响应函数f{X(k)-x₀}和观测区域最边缘目标的阵列向响应函数 $f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\};$

步骤S5，在所述系统机下点目标的阵列向响应函数f{X(k)-x₀}和所述观测区域最边缘目标的阵列向响应函数 $f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\}$的栅瓣落在系统成像观测区域±q_L之外，且时，执行步骤S6，在所述系统机下点目标的阵列向响应函数f{X(k)-x₀}和所述观测区域最边缘目标的阵列向响应函数 $f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\}$的栅瓣落在所述系统成像观测区域±q_L之内，或时，使得所述接收天线单元数加一，并返回至步骤S3，其中，H为所述载机飞行高度，L_e为阵列向天线布局有效孔径长度，l_c为所述雷达系统工作波长，r_L为所述阵列向分辨率； 

步骤S6，输出所述阵列天线方向尺寸L_A、所述发射天线单元阵列向尺寸、所述发射天线单元数、所述发射天线几何中心位置分布、所述发射天线单元阵列向尺寸、所述接收天线单元数和所述接收天线单元几何中心位置分布；和 

步骤S7，根据所述步骤S6中输出的布局参数，进行所述机载下视3DSAR稀疏阵列天线的布局。 

(三)发明效果 

根据本发明以雷达系统指标和实际观测范围为输入，考虑到实际天线阵列向尺寸大小、飞行平台上的天线安装空间和天线子阵间布局关系，解 决了常规天线在航迹向前后交错布局的情形，特别是部分发射天线和接收天线等效天线重叠布局，有利于天线在飞行平台上的灵活安装；此外，阵元布局考虑了目标高程范围影响，与现有技术相比，该方法操作简单，无需复杂计算，能够有效地应用于雷达系统设计。 

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法的流程图。 

图2是表示基于本发明的实施方式中所确定的天线布局参数来进行天线布局的步骤。 

图3是表示基于本发明的实施方式中所确定天线布局参数进行天线布局的示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。 

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附图标号。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。此外，以下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发明。 

本发明的一个示例性实施例中，提供了一种机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法。图1表示本发明的实施方式中的机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法的流程图。如图1所示，本实施例的机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法包括： 

步骤S1：根据作为机载下视3D SAR系统参数的载机飞行高度H、观测区域最大高度变化范围函数h_T(x)、雷达系统工作波长l_c、方位向分辨率r_A和阵列向分辨率r_L，计算阵列天线方位向尺寸L_A、阵列向天线布局长度L和阵列天线单元半波束宽度q_L； 

其中x表示阵列向目标位置变量，x＝[H-h_T(x)]×tan(θ_x)，θ_x∈[-θ_L，+θ_L]，机载下视3D SAR系统参数主要包括载机飞行高度H、观测区域最大高度变化范围函数h_T(x)、雷达系统工作波长l_c和阵列向分辨率r_L； 

步骤S2：根据阵列向天线布局长度L和阵列天线单元半波束宽度q_L计算发射天线单元阵列向尺寸l_T、发射天线单元间距Dl_T、接收天线单元阵列向尺寸l_R： 

$l_T=\frac{l_c}{\tan \left({2q}_L\right)}{K}_b;$

${\mathrm{Dl}}_T=\frac{l_c}{\tan \left({2q}_L\right)}{K}_b;$

$l_R=\frac{l_c}{\tan \left({2q}_L\right)}{K}_b;$

其中，K_b为波束宽度系数，与天线口径上的电流分布相关，通常K_b＝0.886； 

步骡S3：根据阵列向天线布局长度L和发射天线单元间距Dl_T计算发射天线单元数M、接收天线单元数N、接收天线单元间距Dl_R、发射天线几何中心位置分布L_Tx(m)，m＝1，2，...，M和接收天线单元几何中心位置分布L_Rx(n)，n＝1，2，...，N； 

步骤S4：根据天线单元几何中心位置分布L_x、阵列向天线单元的半波束宽度q_L和雷达系统工作波长l_c计算系统机下点目标f{X(k)-x₀}和观测区域最边缘目标的阵列向响应函数 $f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\},$其中，为对应q_L时的目标位置坐标，x_n表示机下点目标位置坐标，X(k)为阵列向采样点位置坐标，机下点目标阵列向坐标为也等于阵列向天线布局中心； 

步骤S5：在阵列向响应函数f{X(k)-x₀}和 $f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\}$的栅瓣落在系统成像观测区域±q_L之外，且时，其中，L_e为阵列向天线布局有效孔径长度，l_c为雷达系统工作波长，r_L为阵列向分辨率，H为载机飞行高度，为对应q_L时的目标位置坐标，则执行步骤S6；在阵列向响应函数f{X{(k)-x₀}和$f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\}$的栅瓣落在系统成像观测区域±q_L之内，或时，其中为对应q_L时的目标位置坐标，使接收天线单元数N加1，并返回至步骤S3； 

步骤S6：输出机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局参数，包括阵列天线方向尺寸L_A，发射天线单元阵列向尺寸l_T、发射天线单元数M、发射天线几何中心位置分布L_Tx(m)，m＝1，2，...，M、接收天线单元阵列向尺寸l_R、接收天线单元数N和接收天线单元几何中心位置分布L_Rx(n)，n＝1，2，...，N。 

步骤S7：根据步骤S6中输出的机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局参数，进行机载下视3D SAR稀疏阵列天线的布局。 

另外，上述的步骤S1还包括以下几个步骤： 

步骤S11：根据载机飞行高度H、雷达系统工作波长l_c方位向分辨率r_A和阵列向分辨率r_L计算阵列天线方位向尺寸L_A和阵列向天线布局长度L： 

$L=\frac{l_{c}H}{{2r}_L}$

$L_A=\frac{l_{c}H}{{2r}_A}$

这里的阵列天线方位向尺寸包括发射天线单元方位向尺寸和接收天线单元方位向尺寸，两种天线的方位向尺寸相等，均为L_A。 

步骤S12：根据载机飞行高度H、观测区域最大高度变化范围函数h_T(x)、雷达系统工作波长l_c和阵列向成像幅宽W_L计算阵列向天线单元的半波束宽度q_L： 

${\theta }_L=\max \{a\tan \left(\frac{W_L}{2H}\right),a\tan \left(\frac{x}{2(H-\max \left(h_T\left(x\right)\right))}\right)\}$

其中，x表示阵列向目标位置变量，x＝H×tan(θ_x)，θ_x∈[-θ_L，+θ_L]， 为对应q_L的目标位置坐标，max表示取最大值。 

另外，上述的步骤S3还包括以下几个步骤： 

步骤S31：若已执行步骤S5，则转到步骤S32；若尚未执行步骤S5，则根据阵列向天线布局长度L和发射天线单元间距Dl_T计算发射天线单元数M和接收天线单元数N： 

其中，a表示发射天线单元数变量，b表示接收天线单元数变量，Δl_T表示发射天线单元间距，表示上取整函数，表示下取整函数，M和N分别为正整数，min(2a+b)表示取(2a+b)的极小值； 

步骤S32：根据发射天线单元数M、接收天线单元数N和发射天线单元间距Dl_T计算接收天线单元间距Dl_R： 

${\mathrm{Dl}}_R=\frac{{\mathrm{Dl}}_T}{2}M$

步骤S33：根据发射天线单元数M、接收天线单元数N、发射天线单元间距Dl_T和接收天线单元间距Dl_R计算机载下视发射天线几何中心位置分布L_Tx(m)，m＝1，2，...，M和接收天线单元几何中心位置分布L_Rx(n)，n＝1，2，...，N： 

$\left(\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{Rx}}\left(n\right)={\mathrm{\Delta l}}_R\times n,n=1,2,...,N;\\ L_{\mathrm{Tx}}\left(m\right)=\left(\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{Rx}}\left(1\right)-{\mathrm{\Delta l}}_T\times m;m=\mathrm{1,2},...,\frac{M}{2};\\ L_{\mathrm{Rx}}\left(N\right)+{\mathrm{\Delta l}}_T\times (m-\frac{M}{2});m=(\frac{M}{2}+1),...,M;\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中，Dl_R为接收天线单元间距，Dl_T为发射天线单元间距。 

步骤S34：根据步骤S33得到的L_Rx(n)和L_Tx(m)生成阵列向天线布局有效孔径长度L_e和虚拟等效相位中心L_TRx(q)，q＝1，L，MN： 

$L_e=\frac{L_{\mathrm{Tx}}\left(M\right)+L_{\mathrm{Rx}}\left(N\right)}{2}-\frac{L_{\mathrm{Tx}}\left(1\right)+L_{\mathrm{Rx}}\left(1\right)}{2};$

for n＝1∶N， 

for m＝1∶M， 

$L_{\mathrm{TRx}}[q=(n-1)\times N+m]=\frac{L_{\mathrm{Rx}}\left(n\right)+L_{\mathrm{Tx}}\left(m\right)}{2}$

end； 

end； 

L_Rx(n)和L_Tx(m)两两之间依次循环进行天线相位中心等效，共获得MN个天线等效相位中心。 

另外，上述的步骤S4还包括以下的几个步骤： 

步骤S41：根据载机飞行高度H和阵列向天线单元的半波束宽度q_L建立阵列向采样点位置坐标其中，和分别表示上取整和下取整，Dl_T为发射天线单元间距，为阵列向天线布局中心，q_L为阵列向天线单元的半波束宽度； 

步骤S42：根据载机飞行高度H、雷达系统工作波长l_c和阵列向采样点位置坐标X(k)确定系统机下点目标的阵列向响应函数f{X(k)-x₀}和观测区域最边缘目标的阵列向响应函数 $f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\}:$

$\left(\begin{array}{c}f\{X\left(k\right)-x_1\}{|}_{x_1=x_0}\\ =\underset{q=1}{\overset{\mathrm{MN}}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}\exp (-j4\pi \frac{\sqrt{{[X\left(k\right)-x_1]}^2+{[H-h_T\left(x_1\right)]}^2}}{{\lambda }_c})\\ \times \exp (+j4\pi \frac{\sqrt{{[L_{\mathrm{TRx}}\left(q\right)-x_1]}^2+{[H-h_T\left(x_1\right)]}^2}}{{\lambda }_c})\end{array}\right)\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}f\{X\left(k\right)-x_1\}{|}_{x_1=\left\{\right[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\}}\\ =\underset{q=1}{\overset{\mathrm{MN}}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}\exp (-j4\pi \frac{\sqrt{{[X\left(k\right)-x_1]}^2+{[H-h_T\left(x_1\right)]}^2}}{{\lambda }_c})\\ \times \exp (+j4\pi \frac{\sqrt{{[L_{\mathrm{TRx}}\left(q\right)-x_1]}^2+{[H-h_T\left(x_1\right)]}^2}}{{\lambda }_c})\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中，x₁表示阵列向目标位置坐标，L_TRx(q)为虚拟等效相位中心q＝1，L，MN，$f\{X\left(k\right)-x_0\}=f\{X\left(k\right)-x_1\}{|}_{x_1=x_0},$

$f\{X\left(k\right)-\{[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\left\}\right\}=f\{X\left(k\right)-x_1\}{|}_{x_1=\left\{\right[H-h_T\left(x_{{\theta }_L}\right)]\times \tan \left({\theta }_L\right)+x_0\}}.$

图2表示基于本发明的上述实施方式中确定的天线布局参数来进行机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局的步骤。图3表示基于本发明的实施方式中所确定天线布局参数进行天线布局的示意图。 

利用上述方法计算出发射天线单元阵列向尺寸l_T、发射天线单元数M、发射天线几何中心位置分布L_Tx(m)，m＝1，2，...，M、接收天线单元阵列向尺寸l_R、接收天线单元数N和接收天线单元几何中心位置分布 L_Rx(n)，n＝1，2，...，N，上述的步骤S7还包括以下几个步骤： 

步骤S71：确定天线布局参数列表，所确定的天线布局参数列表如表1所示； 

表1 

阵列天线布局参数>符号>阵列天线方位向尺寸>L_A发射天线单元阵列向尺寸>l_T发射天线单元数>M>发射天线几何中心位置分布>L_Tx(m)>接收天线单元阵列向尺寸>l_R接收天线单元数>N>接收天线单元几何中心位置分布>L_Rx(n)>

步骤S72：根据天线布局参数列表确定天线布局标记点，选择待布局平台，根据发射天线几何中心位置分布L_Tx(m)确定平台可布局的发射天线标记点，并标记为PosT(mt)，其中mt＝1，...，M，根据接收天线单元几何中心位置分布L_Rx(n)确定平台可布局的接收天线标记点，并标记为PosR(nr)，其中nr＝1，...，N； 

步骤S73：发射天线和接收天线布置，根据平台可布局发射天线标记点PosT和接收天线标记点PosR，将发射天线和接收天线根据几何中心与标记点重合的原则分别布置发射天线和接收天线。 

以上对本发明的实施方式进行了说明，在机载下视3D SAR稀疏阵列天线布局方法，基于雷达系统指标和实际观测范围，考虑到实际天线阵列向尺寸大小、飞行平台上的天线安装空间和天线子阵间布局关系，能够解决常规天线在航迹向前后交错布局的情形，特别是避免了部分发射天线 和接收天线等效天线重叠布局，有利于天线在飞行平台上的灵活安装。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。