专利名称：一种稀疏mimo平面阵列雷达天线构建方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，它特别涉及了 MIMO雷达和雷达阵列天线技术领域。 技术背景
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术最早由贝尔实验室提出，目前已经广泛地应用于无线通信领域，有效提高了无线覆盖范围和数据传输性能。而MIMO雷达是本世纪初才提出的一种新型雷达体制，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，使得发射电磁波从不同角度照射目标，从而获得空间分集增益。
根据本发明人了解以及已发表的文献，例如J.Klare，“ Digital Beamforming for a 3DMIM0 SAR-Improvements through Frequency and Waveform Diversity, " in Geoscience and Remote Sensing Symposium,2008. IGARSS 2008.IEEE International, 2008，pp. V-17-V-20，平面阵列天线在相控阵雷达中有着重要的应用，能够实现对多目标快速跟踪等；通过改变相位加权能够容易实现波束赋形；利用平面阵列具有空间二维角分辨力，结合脉冲压缩技术还能够实现三维雷达成像。然而，为了避免栅瓣效应和实现更大的空间扫描范围，平面阵列天线需按照满阵元排布，导致需要成千上万的收发天线阵元及相应的天线控制模块，成本极其昂贵。因此，平面阵列天线的优化设计降低其成本，成为其广泛应用亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明主要为了解决平面阵列天线需要大量天线阵元的问题，提出了一种稀疏 MIMO平面阵列雷达天线构建方法。利用相位中心近似(PCA，Phase Center Approximation) 和ΜΙΜΟ技术，按照本发明构建的稀疏MIMO平面阵列雷达天线能够实现用较少的发射天线阵元和接收天线阵元，虚拟实现等效的满阵元排布的平面天线阵列。
为了方便描述本发明的内容，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D. W. Bliss and K. W. Forsythe, " Multiple-input multiple-output(ΜΙΜΟ)radar and imaging :degrees of freedom and resolution," in Signals, Systems and Computers,2003. Conference Record of the Thirty-Seventh Asilomar Conference on, 2003, pp.54-59Vol. 1.
定义2、正交信号
两个信号的协方差为零，称它们相互正交；如果两个信号中有一个均值为零，那么统计不相关和正交等价。详见文献“现代数字信号处理及其应用”，何子述等编著，清华大学出版社，2009。
定义3、空间分集
空间分集是一种在发射端或(和)接收端安装多根不同位置的天线的分集技术。 若这些天线的距离足够大，则电磁波受到衰落的影响就相互独立。详见文献“现代移动通信”，庞宝茂等，清华大学出版社，2004。
定义4、波形分集
波形分集是指通过合理地设计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、安装矩形平面
安装矩形平面是指平面阵列天线被安装的固定平面，为一矩形。如
图1所示。
定义6、平面阵列天线
平面阵列天线是指天线收、发阵元全部被安装在一个固定平面内，通常阵元按照矩形或者三角形排列。详见文献“雷达手册(第二版)”，王军等译，电子工业出版社。
定义7、安装矩形平面的坐标系
安装矩形平面的坐标系将坐标原点设定安装矩形平面的中心，坐标轴χ和坐标轴 y分别与安装矩形平面的两条相邻边平行，以右手系进行建立坐标系，如图1所示。详见文献“线性代数与空间解析几何(第二版)”，黄廷祝等著，高等教育出版社，2003。
定义8、平面阵列天线的横向和纵向
平面阵列天线的横向是指沿X方向；平面阵列天线的纵向是指沿y的方向。如图 1所示。
定义9、平面阵列天线波束图
平面阵列天线的空间滤波响应即为平面阵列天线波束图，当阵列输入为平面波时，阵输出(通常只考虑输出幅度或功率)与平面入射角之间的关系。详见文献“自适应滤波——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10、平面阵列天线的横向角分辨率和纵向角分辨率
平面阵列天线的横向角分辨率指通过天线波束图中心，沿χ方向进行垂直剖面， 剖面主瓣的3dB宽度，用久表示；平面阵列天线的纵向角分辨率指通过天线波束图中心，沿 y方向进行垂直剖面，剖面主瓣的3dB宽度，用乂表示。详见文献“自适应滤波——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11、发射天线阵元和接收天线阵元
发射天线阵元是指安装在平面阵列天线上，用于发射信号波形的天线阵元，简称发射阵元，用T表示；接收天线阵元是指安装在平面阵列天线上，用于接收回波信号的天线阵元，简称接收阵元，用R表示。如图1所示。
定义12、发射天线阵元间横向间距和纵向间距
发射天线阵元间横向间距是指发射天线阵元沿χ方向分布的间距，用dxT表示；发射天线阵元间纵向间距是指发射天线阵元沿y方向分布的间距，用dyT表示。如图1所示。
定义13、接收天线阵元间横向间距和纵向间距
接收天线阵元间横向间距是指接收天线阵元沿χ方向分布的间距，用dxK表示；接收天线阵元间纵向间距是指接收天线阵元沿y方向分布的间距，用dyK表示。如图1所示。
定义14、收、发天线阵元间横向间距和纵向间距
收、发天线阵元间横向间距是指相邻的接收天线阵元和发射天线阵元沿χ方向分布的间距，用dxTK表示；收、发天线阵元间纵向间距是指相邻的接收天线阵元和发射天线阵元沿y方向分布的间距，用dyTK表示。如图1所示。
定义15、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^/4r= /1，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)，一对发射和接收分置的天线阵元，可由位于它们中心位置的一个收发共用的等效相位中心来代替。详细内容可参考Bellettini A, Pinto M A, "Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase Center Antenna，，·IEEE Journal of Oceanic Engineering,2002 ；Vol. 27, No. 4,pp.780-789。
定义16、虚拟阵元、虚拟线阵和虚拟平面阵列
根据相位中心近似原理，在远场条件下，一对发射和接收分置的天线阵元可由位于它们中心位置的一个收发共用的等效相位中心来代替，这个收发共用的等效相位中心即为虚拟阵元；所有虚拟阵元按照一定的位置关系排列在一条直线上即为虚拟线阵；所有的虚拟线阵按照一定位置关系排列成一个矩形即为虚拟平面阵列。如图2和图3所示。详细内Ilya Bekkerman and Joseph Tabrikian. "Target Detection and Localization Using MIMO Radars and Sonars，，· IEEE Transactions on signal processing,2006, 54(10) :3873 3883。
定义17、虚拟平面阵列的横向长度和纵向长度
虚拟平面阵列的横向长度是指虚拟平面阵列沿χ轴分布的长度，用Lvx表示；虚拟平面阵列的纵向长度是指虚拟平面阵列沿y轴分布的长度，用Lvy表示。如图3所示。
定义18、虚拟平面阵列阵元间的横向间距和纵向间距
虚拟平面阵列阵元间的横向间距是指虚拟平面阵列阵元间沿χ轴的间距，用dvx表示；虚拟平面阵列阵元间的纵向间距是指虚拟平面阵列阵元间沿y轴的间距，用dvy表示。 如图3所示。
定义19、向上取整
向上取整的数学定义为「d = hl e ije “ < s + l}，表示取不小于s的最小整数，其中，e为属于符号，0表示整数集合，i表示实数集合，n表示任意整数，s表示任意实数。定义20、向上取偶
向上取偶的数学定义为「^ffl=f | ej <“ <s + ，表示取不小于s的最小偶数，其中，e为属于符号，0 表示偶数集合，i表示实数集合，η表示任意偶数，s表示任意实数。
定义21、阵元间间距
阵元间间距包括发射阵元间横向间距，发射阵元间纵向间距，接收阵元间横向间距，接收阵元间纵向间距，收、发阵元间横向间距和收、发阵元间纵向间距。
本发明提出的一种稀疏MIMO平面阵列雷达天线构建方法，它包括步骤如下
步骤1、天线相关参数的初始化设置
首先，确定虚拟平面阵列的尺寸参数。预先设定平面阵列天线的横向角分辨率
权利要求
1. 一种稀疏MIMO平面阵列雷达天线构建方法，其特征是它包括步骤如下 步骤1、天线相关参数的初始化设置首先，确定虚拟平面阵列的尺寸参数；预先设定平面阵列天线的横向角分辨率久和纵向角分辨
全文摘要
本发明提供了一种稀疏MIMO平面阵列雷达天线构建方法，它是以相位中心近似原理为基础，结合MIMO天线思想，采用MIMO思想进行天线布阵优化设计，当所有发射阵元同时(或轮流)发射正交信号，而接收阵元同时接收回波信号时，利用相位中心近似原理等效出具有均匀间隔的虚拟平面阵列；按照本发明构建的稀疏MIMO平面阵列雷达天线能够采用较少的发射天线阵元和接收天线阵元，虚拟实现等效的满阵元排布的平面天线阵列。与直接布设和等效的虚拟平面阵列同样大小的平面阵列天线相比，本发明的方法大幅度地减少了对阵元数目的需求。
文档编号G06F17/50GK102521472SQ20121000051
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者向高, 师君, 张晓玲 申请人:电子科技大学