CN101931124A

CN101931124A - 一种对数螺旋阵列天线布阵方法

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Publication number: CN101931124A
Application number: CN2009102633900A
Authority: CN
Inventors: 华光; 洪伟; 杨汶汶
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2010-12-29

Abstract

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。

Description

一种对数螺旋阵列天线布阵方法

技术领域

本发明涉及超分辨空间谱(波达方向(Direction of Arrival，DOA))估计技术，尤其涉及一种对数螺旋阵列天线布阵方法，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。

背景技术

超分辨空间谱估计技术又称为波达方向(Direction of Arrival，DOA)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。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种对数螺旋阵列天线布阵方法，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，本发明采用以下技术方案：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

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，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相隔

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、

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；

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，ACO)、粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)在内的各种算法，对影响天线方向图变化的参量a、

进行优化。

本发明的优点及显著效果：

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、MIMO雷达系统和射电天文研究等领域。

附图说明

图1是本发明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＝0dB)图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明

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，本发明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，A1，A2，...A10是同一平面上天线单元所处的位置，除原点处A1外，各点满足如下方程：

(单位：波长)为单条螺旋线方程，

其中r为螺旋线上任一点到坐标原点的距离(相对波长数)，

为相对于极轴(0°)的角度，

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n沿着螺旋线方程位于处，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

每条螺旋线上从初始起点相隔

各分别放置m个阵元，阵列中心放置一个阵元，当参数a、

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+1。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，ACO)，粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)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、

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、5采用阵列信号处理MUSIC方法得到规一化的二维空间谱，与“谱峰”对应的所有θ和

即给出波达方向的估计。当波达方向为θ₁＝30°，φ₁＝250°，θ₂＝35°，φ₂＝120°，快拍数为512，信噪比为10dB时，相应参数的对数螺旋阵列二维空间谱估计的仿真结果见图4。信号谱高于噪声信号27dB左右。当两信号源比较接近，波达方向为θ₁＝30°，φ₁＝145°；θ₂＝35°，φ₂＝130°，快拍数为512，信噪比为10dB时，相应参数的对数螺旋阵列二维空间谱估计仿真结果见图5。

图6当信噪比为0dB，即信号完全淹没于噪声中间时，依然可以获得清晰的二维空间谱。在下面的算例中，选取快拍数为256，波达方向为θ₁＝30°，φ₁＝145°；θ₂＝35°，φ₂＝130°，获得的二维空间谱如图6所示。由图可见，信号谱峰仍高于噪声信号10dB左右。

本发明对数螺旋阵的工作原理及工作过程：

设阵元数为N，其中N＞P，(P为来波的数量，即目标数)原点指向各阵元的向量模值为r(n)(n＝1，2，...，N)，方位角为各阵元的直角坐标为A_n(x_n，y_n)，则

设波达方向俯仰角为θ₁，θ₂，...，θ_P，方位角为φ₁，φ₂，......φ_P。以位于坐标原点的阵元为基准，各信号源在基准点的复包络分别为s₁(t)，s₂(t)...，s_P(t)。如图1所示，第n个阵元在xy平面上的位置用矢量表示为

Figure 239071DEST_PATH_GSB00000100525800024

波达方向的单位矢量为(u_i，v_i，cosθ_i)，u_i＝sinθ_icosφ_i，v_i＝sinθ_isinφ_i，θ_i为俯仰角，φ_i为方位角(i＝1，2，...，P)。D_n在波达方向矢量上的投影为

对数螺旋阵的阵因子为：

阵因子方程中的幅度加权函数I_n(n＝1，2，...，N)可以是相等的均匀阵，也可以是按某种分布变化的(如圆泰勒分布)。对于均匀阵，其激励幅度I_n＝I₀＝1，激励相位α_n＝0。由于该阵列在x，y方向呈现非周期特性，因而，消除了栅瓣产生的条件。

Claims

1.一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天线单元处于对数螺旋方程

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，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

处，相邻单元间相位差为

每条螺旋线上从初始起点依次相隔

各分别放置m个阵元，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。

2.根据权利要求1所述的对数螺旋阵列天线布阵方法，其特征在于：阵列中心即原点处可放置一个阵元，此时N条对数螺旋阵列总的天线单元数为Nm+1；所述对数螺旋阵是相扫的或非相扫的，r_n，

处可以放置天线单元，也可以放置天线子阵。

3.根据权利要求1或2所述的对数螺旋阵列天线布阵方法，其特征在于：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参数a、

进行优化并配置天线阵，即采用包括遗传算法、蚁群算法、粒子群优化算法在内的各种优化算法，对影响天线方向图变化的参量a、

进行优化。