環(huán)狀基于正三角柵格的綜合孔徑輻射計(jì)陣列排布方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種環(huán)狀基于正三角柵格的綜合孔徑輻射計(jì)天線陣列排布方法：首先，對待放置天線陣列的平面進(jìn)行正三角形柵格化，獲得多個(gè)正三角形柵格；然后，選擇任意一個(gè)正三角形柵格中的任意一個(gè)頂點(diǎn)為圓心O，根據(jù)待放置的天線單元個(gè)數(shù)n和圓的半徑r0獲得半徑r1和r2；接著，以圓心O為圓心，分別以r1和r2為半徑獲得兩個(gè)同心圓；接著，設(shè)置在所述兩同心圓所夾的范圍內(nèi)且在正三角形柵格頂點(diǎn)處的位置為待放置天線單元的候選位置，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)從所述候選位置中獲得n個(gè)位置作為放置天線單元的位置；最后，將天線單元設(shè)置在所述位置后形成所需的天線陣列。本發(fā)明可獲取規(guī)則的空間頻率域采樣，更利于降低反演算法的計(jì)算復(fù)雜度及反演圖像質(zhì)量的提高。
【專利說明】
環(huán)狀基于正三角柵格的綜合孔徑輻射計(jì)陣列排布方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于微波遙感及探測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種環(huán)狀基于正三角柵格 的綜合孔徑輻射計(jì)陣列排布方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉孔徑綜合技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于射電天文和地球遙感領(lǐng)域。該技術(shù)采用稀疏小 口徑天線陣列和相關(guān)接收等技術(shù)獲得"合成"孔徑，與實(shí)孔徑技術(shù)相比，在一定程度上解決 了承載平臺空間對微波輻射計(jì)尺寸約束問題，這一點(diǎn)在星載平臺上尤為明顯。經(jīng)典的天線 陣列排布形式有Y型、均勻圓環(huán)型等形式。Y型陣列對應(yīng)規(guī)則的正六邊形柵格空間頻率域采 樣，易進(jìn)行六邊形快速反傅里葉變換，可其排布方式?jīng)Q定其沒有較為完整的空間供其他儀 器使用；均勻圓環(huán)陣雖有共形優(yōu)勢(有較為完整的空間供其他儀器使用），但其對應(yīng)不規(guī)則 的空間頻率域采樣，以致不易使用反傅里葉變換，而需使用更為復(fù)雜的反演方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有的圓環(huán)天線陣列（Circular Array)不易進(jìn)行六邊形快速反傅里葉變換 和Y型陣列沒有共形優(yōu)勢的情況，本發(fā)明提出一種新的天線陣列排布方法，一方面它可以與 平臺實(shí)現(xiàn)共形，另一方面可以形成規(guī)則的空間頻率域采樣，因而有利于降低反演算法的計(jì) 算復(fù)雜度及反演圖像質(zhì)量的提高。
[0004] 本發(fā)明提供了一種環(huán)狀基于正三角柵格的綜合孔徑輻射計(jì)天線陣列排布方法，包 括以下步驟：
[0005] S1:對待放置天線陣列的平面進(jìn)行正三角形柵格化，獲得多個(gè)正三角形柵格；
[0006] S2:在任意一個(gè)正三角形柵格中任意選擇一個(gè)頂點(diǎn)作為圓心0;
[0007] 并根據(jù)待放置的天線單元的個(gè)數(shù)η和圓的半徑Π )獲得第一半徑η和第二半徑r2;
[0008] S3:以所述圓心0為圓心，分別以所述第一半徑η和第二半徑r2為半徑獲得第一同 心圓和第二同心圓；
[0009] 設(shè)置在所述第一同心圓與所述第二同心圓之間所夾的范圍內(nèi)且在正三角形柵格 的頂點(diǎn)處的位置為待放置天線單元的候選位置，并通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)從所述候選位置中獲 得η個(gè)位置作為放置天線單元的位置；
[0010] S4:將天線單元設(shè)置在所述位置后形成了所需的天線陣列。
[0011] 更進(jìn)一步地，在步驟S1中，所述正三角形柵格的邊
待放置的天線單元的個(gè)數(shù)，η為大于等于2的正整數(shù)，Π )為圓的半徑，fix[ ·]表示向零取整。
[0012] 更進(jìn)一步地，在步驟S 3中，所述第一半徑
，所述第二半徑

[0013] 更進(jìn)一步地，通過獲得優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的極大值來從所述候選位置中獲得η個(gè)位置 作為放置天線單元的位置。
[0014] 更進(jìn)一步地，在步驟S3中，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 過程的約束條件是形成的天線陣列所對應(yīng)的空間頻率域采樣的"內(nèi)部正六邊形"不存在缺 失的空間頻率域采樣點(diǎn)。形成的天線陣列所對應(yīng)空間頻率域采樣的"內(nèi)部正六邊形"與擁有 相同或相近單元天線個(gè)數(shù)的正三角形陣所對應(yīng)空間頻率域采樣的"正六邊形"是一致的。
[0015] 更進(jìn)一步地，在步驟S3中，因根據(jù)目標(biāo)函 的極大值來選取陣列單元天線位置，
與輻射計(jì)靈敏度相關(guān)，而Nsam的大小決定空 間頻率域采樣范圍的大小，所以形成的天線陣列擁有最高的靈敏度或最大的空間頻率域采
與Nsam這兩個(gè)目標(biāo)不一定能同時(shí)達(dá)到最大值）。不同的是，若采用目標(biāo)函數(shù)
>則優(yōu)化過程側(cè)重輻射計(jì)靈敏度，即優(yōu)化結(jié)果一定使天線陣列擁有 最尚的靈敏度，但不一定擁有最大的空間頻率域米樣范圍；若米用目標(biāo)函數(shù)
優(yōu)化過程側(cè)重空間頻率域采樣范圍，即優(yōu)化結(jié)果一定使天線陣列擁有 最大的空間頻率域采樣范圍，但不一定擁有最高的靈敏度。補(bǔ)充說明，空間頻率域采樣范圍 越大，反演圖像含有更多的像素點(diǎn)，從而展示圖像更多內(nèi)容;輻射計(jì)靈敏度越高，反演圖像 清晰程度越高。
[0016] 同時(shí)，擁有相同目標(biāo)函數(shù)值的天線陣列排布可能不同，即目標(biāo)函數(shù)不是自變量的 單調(diào)函數(shù)。
[0017] 補(bǔ)充說明，在平面上n個(gè)不同位置處各放置1根陣列單元天線，從中任選2根陣列單 元天線，其中天線1的位置坐標(biāo)為( X1，yi)，天線2的位置坐標(biāo)為(x2，y2)，則它們在平面的相 對位置為（1112，￥12)(1112 =叉211，￥12 = 7211)，（1112，￥12)對應(yīng)一個(gè)空間頻率域采樣點(diǎn)具3111表示 空間頻率域采樣點(diǎn)總數(shù);顯然，對于不同的2對天線，它們的相對位置可能一樣，即對應(yīng)于同 一個(gè)空間頻率域采樣點(diǎn)。 Γι表示第i個(gè)空間頻率域采樣點(diǎn)對應(yīng)的所有天線對個(gè)數(shù)。
[0018] 本發(fā)明以均勾圓環(huán)天線陣(Uniform Circular Array，簡稱UCA)為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化 目標(biāo)函數(shù)以獲取其極大值的過程，在柵格化的平面內(nèi)、均勻圓環(huán)陣(UCA)附近柵格頂點(diǎn)處選 擇陣列單元天線位置，進(jìn)而形成天線陣列，得到規(guī)則的空間頻率域采樣。
【附圖說明】
[0019] 圖1是正三角形陣以及對應(yīng)的空間頻率域采樣，其中（a)為正三角形陣列；（b)為正 三角形陣列對應(yīng)的空間頻率域采樣；
[0020] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的圖形解釋說明，圓點(diǎn)表示均勻圓環(huán)陣(UCA)所對應(yīng)的39根天 線排布位置，方框表示環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)所對應(yīng)的39根天線排布位置；
[0021] 圖3是利用差分進(jìn)化算法獲取的環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)對應(yīng)39根天線陣列的空 間頻率域采樣。
[0022]圖4是均勻圓環(huán)陣(UCA)對應(yīng)39根天線陣列的空間頻率域采樣。
[0023]圖5是地球場景圖像。
[0024]圖6是利用環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)反演的地球圖像。
[0025]圖7是利用均勾圓環(huán)陣(UCA)反演的地球圖像，（a)為使用T i khonov方法反演出的 圖像;（b)為使用NUFFT方法反演出的圖像;（c)為使用TSVD方法反演出的圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0027]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種環(huán)狀基于正三角柵格的綜合孔徑輻射計(jì)陣列排 布方法（名為"環(huán)狀六邊形柵格陣"--Circular Hexagonal Lattice Array，簡稱CHLA)， 包括下述步驟：
[0028] S1:對待放置天線陣列的平面進(jìn)行正三角形柵格化，如圖2所示；
[0029] S2:確定待排布的陣列單元天線個(gè)數(shù)η、和圓心0(在某一柵格頂點(diǎn)處)及圓的半徑 ro,如圖2所示；
[0030] S3:在步驟S2基礎(chǔ)上作兩同心圓，半徑分別為n、r2，在這兩同心圓所夾范圍內(nèi)，柵 格頂點(diǎn)處為候選陣列單元天線位置，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以獲取其極大值的過程，在候選點(diǎn) 中選出η個(gè)位置為陣列單元天線位置，將陣列單元天線安放于這些位置，形成所需天線陣 列，如圖2所示。
[0031 ]
fix[ ·]表示向零 取整。
[0032]其中，在步驟S1中，正三角形柵格邊長由步驟S2中的單元天線個(gè)數(shù)η及所述圓的半 徑ro確定，即柵格邊
[0033] 其中，在步驟S3中，是通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)
以獲取其極大值的過程，在候選點(diǎn)中選取陣列單元天線位置，本實(shí)例是利用已有算法(差分 進(jìn)化算法)獲取目標(biāo)函數(shù)最大值。
[0034]為了進(jìn)一步說明實(shí)施例，本發(fā)明運(yùn)用差分進(jìn)化算法來排布天線陣列，該算法屬于 進(jìn)化優(yōu)化技術(shù)，是具有魯棒性的高效算法，并且被成功運(yùn)用于許多工程問題。圖3展示利用 差分進(jìn)化算法得出的對應(yīng)于39根單元天線的環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)的空間頻率域采樣， 圖4展示對應(yīng)于39根單元天線均勻圓環(huán)陣(UCA)的空間頻率域采樣。
[0035] 為了更進(jìn)一步說明環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)的性能，本實(shí)例通過環(huán)狀六邊形柵格 陣(CHLA)與均勻圓環(huán)陣(UCA)對圖5的地球場景圖像反演清晰程度說明。在微波探測與遙感 領(lǐng)域，反演圖像的清晰程度是衡量反演效果的一個(gè)重要指標(biāo)，為后續(xù)從圖像中提取所需信 息提供有利幫助。考慮實(shí)際接收到的空間頻率域采樣存在誤差，仿真對圖5的地球場景增加 l〇〇k的接收機(jī)本底噪聲后進(jìn)行反演。
[0036] 圖6是環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)直接利用反傅里葉變換的反演圖像（因其具有規(guī) 則的空間頻率域采樣），環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)反演圖像能夠分辨出陸地與海洋(淺顏色 為陸地，深顏色為海洋）；圖7是均勻圓環(huán)陣(UCA)分別用Tikhonov、NUFFT、TSVD方法反演的 圖像(因均勻圓環(huán)陣對應(yīng)非規(guī)則空間頻率域采樣，不能直接利用反傅里葉變換），通過與圖5 的比較，均勻圓環(huán)陣(UCA)反演圖像不能分辨出陸地與海洋。同時(shí)，本實(shí)例運(yùn)用MATLAB軟件 進(jìn)行反演，環(huán)狀六邊形柵格陣(CHLA)用反傅里葉變換反演用時(shí)0.32秒，均勻圓環(huán)陣(UCA)用 Tikhonov、NUFFT、TSVD方法反演用時(shí)分別為7.7秒、6.6秒和5.8秒，因而環(huán)狀六邊形柵格陣 (CHLA)反演所需時(shí)間更少。
[0037] 在本發(fā)明實(shí)施例中，反演成像接收的不是直接的"圖像信號"，是"空間頻率域采樣 信號"，通過"空間頻率域采樣信號" "反演"出所需的"圖像信號"。
[0038] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種環(huán)狀基于正Ξ角柵格的綜合孔徑福射計(jì)天線陣列排布方法，其特征在于，包括 W下步驟： S1:對待放置天線陣列的平面進(jìn)行正Ξ角形柵格化，獲得多個(gè)正Ξ角形柵格； S2:在任意一個(gè)正Ξ角形柵格中任意選擇一個(gè)頂點(diǎn)作為圓屯、0; 并根據(jù)待放置的天線單元的個(gè)數(shù)η和圓的半徑ro獲得第一半徑ri和第二半徑η; S3: W所述圓屯、0為圓屯、，分別W所述第一半徑ri和第二半徑η為半徑獲得第一同屯、圓 和第二同屯、圓； 設(shè)置在所述第一同屯、圓與所述第二同屯、圓之間所夾的范圍內(nèi)且在正Ξ角形柵格的頂 點(diǎn)處的位置為待放置天線單元的候選位置，并通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)從所述候選位置中獲得η 個(gè)位置作為放置天線單元的位置； S4:將天線單元設(shè)置在所述位置后形成了所需的天線陣列。2. 如權(quán)利要求1所述的綜合孔徑福射計(jì)天線陣列排布方法，其特征在于，在步驟S1中， 所述正Ξ角形柵格的邊^(qū)5η為待放置的天線單元的個(gè)數(shù)，η為大于 等于2的正整數(shù)，ro為圓的半徑，fix[ ·]表示向零取整。3. 如權(quán)利要求1或2所述的綜合孔徑福射計(jì)天線陣列排布方法，其特征在于，在步驟S3 中，所述第一半徑[·]表示向零取整。4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的綜合孔徑福射計(jì)天線陣列排布方法，其特征在于，通過 獲得優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的極大值來從所述候選位置中獲得η個(gè)位置作為放置天線單元的位置。5. 如權(quán)利要求4所述的綜合孔徑福射計(jì)天線陣列排布方法，其特征在于，所述優(yōu)化目標(biāo) 函數(shù)'>其中，i為空間頻率域采樣點(diǎn)的序號，i 從巧帆am, Nsam為空間頻率域采樣點(diǎn)的數(shù)目，ri為第i個(gè)空間頻率域采樣點(diǎn)對應(yīng)的所有天線 對個(gè)數(shù)。
【文檔編號】G01S7/285GK106093882SQ201610390227
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月2日 公開號201610390227.0, CN 106093882 A, CN 106093882A, CN 201610390227, CN-A-106093882, CN106093882 A, CN106093882A, CN201610390227, CN201610390227.0
【發(fā)明人】胡飛, 賀鋒, 張哲賢, 馮馳茗, 張悅
【申請人】華中科技大學(xué)