本申請要求于2016年1月28日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/287,995的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用的方式特此并入本文中。

本發(fā)明總的涉及用于雷達探測系統(tǒng)的天線陣列，更具體地，涉及在整個視場中具有高角分辨率的曲形天線陣列。

背景技術(shù)：

雷達是目標(biāo)探測系統(tǒng)，其使用由天線發(fā)射并接收的無線電波來確定目標(biāo)的距離、角度和/或速度。最為經(jīng)常地，雷達利用由多個天線單元或傳感器構(gòu)成的天線陣列，所述多個天線單元或傳感器被布置且相互連接以形成陣列。天線陣列可能由于它們設(shè)計成使天線輻射方向圖集中朝向特定方向而是定向的。輻射方向圖的方向由波束主瓣給出，所述波束主瓣沿輻射功率主體傳播的方向被指向。天線陣列的方向性和增益可用天線的歸一化場強度和陣列因子來表述，這是天線陣列理論的基本原理且在技術(shù)領(lǐng)域中為人熟知。

就方向性和增益而言，天線陣列的效率取決于天線陣列的設(shè)計和幾何形狀。天線陣列一般設(shè)計成帶有高的角分辨率的最優(yōu)方向性。然而，角分辨率與天線孔徑的大小和陣列中的天線單元的數(shù)目成比例。高角分辨率要求大的孔徑以及大量的天線單元，這增加了天線的成本。此外，由于出現(xiàn)在稀疏間隔的天線陣列中的模糊，孔徑的大小和單元的數(shù)目受天線單元間距限制。這些模糊一般是柵瓣的結(jié)果，柵瓣指的是在輻射方向圖旁瓣在幅值上變得顯著較大且接近主瓣的水平時發(fā)生的空間混疊效應(yīng)。柵瓣沿未預(yù)期的方向輻射，并且與波束主瓣相同或幾乎相同。

在大多數(shù)的現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，天線陣列是構(gòu)造成沿特定方向引導(dǎo)輻射天線圖的主瓣的相控陣。連接到每個天線單元或單元群的移相器構(gòu)造成使從天線單元發(fā)出的信號移相以便提供相長和/或相消干涉，從而沿期望的方向引導(dǎo)波束同時抑制在未期望的方向上的那些波束。具有窄波束寬度的相控陣天線有利地具有高的空間分辨率。然而，由于主瓣在它從視軸（即，端射角）被引導(dǎo)超過60°時的增益衰減，平面相控陣的掃描范圍（即，視場）一般限制于120°（向左60°和向右60°）。在端射掃描角中的增益衰減和減弱的角分辨率部分是因為柵瓣的出現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供用于對于天線陣列遍及視場優(yōu)化角分辨率的方法，所述天線陣列具有沿曲面定位的多個天線單元。方法包括為多個天線單元中的第一天線單元沿著曲面選擇位置，并計算對于天線陣列上剩下的多個天線單元的每個的后續(xù)的位置，其中，后續(xù)的位置相對于第一天線單元的位置被確定，并且其中，后續(xù)的位置表示對于視場中的所有角度取得最大角分辨率的位置。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供用于對于天線陣列遍及視場優(yōu)化角分辨率的方法，所述天線陣列具有沿曲面定位的多個天線單元。方法包括確定在視場中的角度的范圍，和基于角分辨率函數(shù)的最大值的自變量（argumentofthemaximum）運算確定對于多個天線單元中的每個在曲面上的位置，其中多個天線單元中的每個的位置表示對視場中的角度的范圍取得最大的角分辨率的位置。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供天線陣列，其包括具有給定曲率的曲面和沿著曲面布置的具有不均勻間距的多個天線單元，其中多個天線單元中的每個的位置通過最大化對于給定視場中的所有角度的角分辨率函數(shù)而確定。

本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

1.一種用于對于天線陣列遍及視場優(yōu)化角分辨率的方法，所述天線陣列具有沿著曲面定位的多個天線單元，所述方法包含下列步驟：

對于多個天線單元中的第一天線單元沿著曲面選擇位置；和

對于在天線陣列上的剩余的多個天線單元中的每個計算后續(xù)的位置，其中后續(xù)的位置相對于第一天線單元的位置確定，并且其中后續(xù)的位置表示對視場中的所有角度取得最大角分辨率的位置。

2.如方案1所述的方法，其中任意選擇第一天線單元沿著曲面的位置。

3.如方案1所述的方法，其中基于在天線陣列中的天線單元的數(shù)目和曲面的幾何形狀來選擇第一天線單元沿著曲面的位置。

4.如方案1所述的方法，其中計算后續(xù)的位置包括將最大值的自變量運算應(yīng)用于角分辨率函數(shù)。

5.如方案1所述的方法，其中角分辨率函數(shù)基于以下中的一個或多個：輸入信號的波長、天線陣列的長度、天線單元的數(shù)目、天線單元之間的距離、在天線陣列和目標(biāo)之間測量的傾斜距離瞄準(zhǔn)、天線陣列的曲率半徑和/或輸入信號的到達角。

6.如方案1所述的方法，其中角分辨率函數(shù)基于-3db波束寬度、天線陣列的長度和輸入信號的波長。

7.如方案1所述的方法，其中對于剩下的多個天線單元中的每個計算后續(xù)的位置包括：對視場中的每個角度估算最大角分辨率函數(shù)。

8.如方案1所述的方法，其中多個天線單元被以不均勻的距離分隔開。

9.如方案1所述的方法，其中天線陣列的曲面是凹的。

10.如方案1所述的方法，其中天線陣列的曲面是凸的。

11.如方案1所述的方法，其中天線陣列是一維直線陣列。

12.如方案1所述的方法，其中天線陣列是二維平面陣列。

13.一種用于對于天線陣列遍及視場優(yōu)化角分辨率的方法，所述天線陣列具有沿著曲面定位的多個天線單元，所述方法包含下列步驟：

確定在視場中的角度的范圍；

基于角分辨率函數(shù)的最大值的自變量運算確定對于多個天線單元中的每個在曲面上的位置，其中多個天線單元中的每個的位置表示對視場中的角度的范圍取得最大角分辨率的位置。

14.如方案13所述的方法，其中角分辨率函數(shù)基于以下中的一個或多個：輸入信號的波長、天線陣列的長度、天線單元的數(shù)目、天線單元之間的距離、在天線陣列和目標(biāo)之間測量的傾斜距離瞄準(zhǔn)、天線陣列的曲率半徑和/或輸入信號的到達角。

15.如方案13所述的方法，其中角分辨率函數(shù)基于-3db波束寬度、天線陣列的長度和輸入信號的波長。

16.一種天線陣列，其包含：

具有給定曲率的曲面；和

沿著所述曲面布置的具有不均勻間距的多個天線單元，其中多個天線單元中的每個的位置通過對于給定視場中的所有角度最大化角分辨率函數(shù)而確定。

17.如方案18所述的天線陣列，其中所述曲面的曲率是凹的。

18.如方案18所述的天線陣列，其中所述曲面的曲率是凸的。

19.如方案1所述的方法，其中所述天線陣列是一維直線陣列。

20.如方案1所述的方法，其中天線陣列是二維平面陣列。

附圖說明

下文中將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一個或多個實施例，其中同樣的標(biāo)記指示同樣的單元，并且其中：

圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性天線陣列；

圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的另一示例性天線陣列；

圖3圖示流程圖，其描繪了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于遍及整個視場優(yōu)化天線陣列的角分辨率的方法；和

圖4圖示流程圖，其描繪了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于遍及整個視場優(yōu)化天線陣列的角分辨率的另一方法。

具體實施方式

下面描述的系統(tǒng)和方法涉及遍及整個視場（fov）優(yōu)化天線陣列的角分辨率。所公開的方法利用凹形天線陣列和凸形天線陣列的曲率來在整個fov中取得最大角分辨率，同時最小化陣列中的天線單元的數(shù)目。在一個實施例中，方法包括基于角分辨率函數(shù)、陣列面的幾何形狀和在陣列中的單元的數(shù)目來確定對于給定的陣列的最優(yōu)單元構(gòu)造。

圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的示例性天線陣列10。天線陣列10包括沿著天線陣列10的凸曲面18布置的多個天線單元12a-n。每個天線單元12a-n在陣列10上的位置由位置p1-n給出，其中pi(xi,yi,zi)表示第i個天線單元在陣列10上的位置。每個天線單元12a-n在陣列上的位置p由所公開的方法以下面的方式確定，即利用陣列面18的曲率并最大化遍及整個視場（fov）的角分辨率。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，fov根據(jù)天線陣列10的幾何構(gòu)造變化。對于圖1中所示的凸曲形陣列10，fov響應(yīng)陣列曲率半徑ra和陣列10的總長l而變化。輸入的入射信號14的到達角θ以垂直于陣列單元的平面的軸線（即，側(cè)對著陣列）作為參照并在從π/2到-π/2（90°到-90°）的角度范圍變化。由輸入信號14形成的波陣面16垂直于由輸入信號14所指示的平面波的方向。假設(shè)在波陣面16上的所有點具有相等的幅值和相位值。天線單元12a-n被以距離d1-m空間分隔開，所述距離d1-m根據(jù)每個天線單元12a-n在凸曲面18上的排布而變化。距離可直接沿著陣列面在單元之間測量，或者可基于在天線單元之間的距離測量，因為它們的位置被投射到垂直于陣列側(cè)邊的軸線上。

圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的另一示例性天線陣列20。天線陣列20包括以距離d'1-m空間分隔開的多個天線單元12'a-n。天線單元12'a-n沿著凹曲面22被布置在位置p'1-n處，其中p'i(xi,yi,zi)表示第i個天線單元在陣列20上的位置。在天線單元12'a-n之間的距離d'1-m根據(jù)每個天線單元12a-n在曲面22上的排布而變化，其以所公開的方法闡述的方式來確定，所述方法利用陣列面22的曲率并遍及整個視場（fov）最大化角分辨率。如同圖1中所示的凸形天線陣列10一樣，凹形天線陣列20的視場取決于凹面22的半徑ra。然而，由于凹形的幾何形狀，天線陣列20具有較窄的fov且一般具有比具有凸面的天線陣列更厚的天線深度。

以下描述的方法和方法論與圖1和2中所示的天線陣列構(gòu)造有關(guān)，然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員領(lǐng)會的是：所示的特定的布置僅是示例性的，并且在很多方面，為了容易說明已經(jīng)被簡化。例如，盡管圖1和2圖示了示例性的一維線陣列，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員領(lǐng)會的是：本文中所公開的構(gòu)思和方法可被應(yīng)用于帶有任何幾何構(gòu)造的任何適合的曲形天線陣列，所述幾何構(gòu)造包括但不限于其它的線陣列構(gòu)造、二維平面陣列和/或共形陣。

圖3圖示用于對于具有曲面的天線陣列遍及整個視場（fov）優(yōu)化角分辨率的示例方法100。陣列面可以是如以上圖1和2中所圖示的凸形的或凹形的。所公開的方法100在陣列的曲面上為每個天線單元確定最優(yōu)位置，使得對于那個給定的陣列幾何形狀，角分辨率遍及整個fov是不變的且被最大化。為了容易說明，以下描述的方法100參照圖1中所示的凸曲面陣列10，但方法100對圖2中所示的凹面陣列20同樣適用。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，角分辨率指的是在相同距離處的兩個相同目標(biāo)可被區(qū)分開的最小角間距。雷達的角分辨率特性一般由天線波束寬度確定，所述天線波束寬度由-3db角度θ3db表示，所述-3db角度θ3db由在天線輻射方向圖的主波束上的半功率（-3db）點定義。為了定義角分辨率的目的，天線輻射方向圖的半功率點（即，-3db波束寬度）通常被規(guī)定為天線波束寬度的界限。因此，如果在相同距離處的兩個同樣的目標(biāo)被分開超過天線波束寬度，則它們在角度上被分辨。波束寬度θ3db越小，天線的方向性越高且角分辨率越好。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，存在許多不同方法來以天線陣列的波束寬度表述角分辨率。一般而言，波束寬度θ3db是基于以下的一個或多個：輸入信號14的波長λ、天線孔的全長l、天線單元的數(shù)目n、天線單元之間的距離d、在天線和目標(biāo)之間測量得的傾斜距離瞄準(zhǔn)、天線陣列的曲率半徑和輸入信號14的到達角度θ。

方法100在步驟102處通過定義選擇的設(shè)計參數(shù)開始，所述設(shè)計參數(shù)可包括但不限于：天線單元的數(shù)目n、對于給定陣列面的幾何形狀和用于陣列分辨率的度量。在步驟104處，在給定的陣列面上為所有可能的陣列構(gòu)造定義網(wǎng)格（即，對于給定數(shù)目n的天線單元在陣列面上的所有可能的天線單元位置）。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所領(lǐng)會的，網(wǎng)格可表示空間上的二維面或空間上的三維體積。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進一步領(lǐng)會的是，可能的陣列構(gòu)造的數(shù)目和布置可根據(jù)已知的方法憑經(jīng)驗得到。

在步驟106處，在定義的網(wǎng)格上對于每種可能的陣列構(gòu)造計算角分辨率的度量。在步驟108處，基于步驟102中定義的設(shè)計參數(shù)的具有在整個fov上的最優(yōu)角分辨率的陣列構(gòu)造通過最小化角分辨率的度量來確定。換句話說，通過選擇達到最小分辨率度量的陣列構(gòu)造來確定對于給定陣列曲率的最優(yōu)天線單元位置。

關(guān)于在步驟102中被定義且在步驟104中被計算的角分辨率的度量，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員領(lǐng)會的是，與角分辨率有關(guān)的任何度量可被實施來確定對于給定面幾何形狀的最優(yōu)的天線單元定位。在一個實施例中，角分辨率的度量可涉及已知的波束形成技術(shù)，例如bartlett波束形成器，如以下所詳細描述的。

在步驟104的一個例子中，令p(θ,θ0)是當(dāng)目標(biāo)到達角度θ0時對于可能的陣列天線構(gòu)造的每一個在角度θ的波束形成譜，其中波束形成譜由以下給出：

其中d是在給定的陣列構(gòu)造中的天線單元之間的間距，λ是所發(fā)射信號的波長，n是天線單元的數(shù)目，x是輸入信號向量。令b（θ0）是圍繞目標(biāo)到達角度θ0為中心的波束形成譜中的主瓣的3db寬度（以角度單位的寬度）（即，p(θ0+δ,θ0)≥.5p(θ0,θ0)。因此，對于給定的天線構(gòu)造的分辨率度量λ由以下給出：

其中ω是所期望的視場，a是預(yù)設(shè)的，s是對于fov中的任何θ的在波束形成譜p(θ,θ0)中的主峰瓣p(θ0,θ0)和最大第二峰值之間的分配量，其經(jīng)常被稱為最大旁瓣水平。最小化在整個可能的陣列構(gòu)造的集合中的μλ得到在整個fov上具有好的分辨率質(zhì)量的陣列。

用于對于具有曲面的天線陣列遍及整個視場（fov）優(yōu)化角分辨率的替代方法200被示出在圖4中。方法200在步驟202處通過在陣列10的凸曲面18上為第一天線單元12a選擇位置p1而開始。在一個實施例中，第一天線單元12a的位置p1用作參考位置并且被任意選擇，但可基于特定陣列的幾何形狀和/或被用于陣列10的天線單元的數(shù)目n來選擇。在步驟204處，對于所期望的fov中的所有角度定義表示入射信號14到達角度的角度θ，在一個實施例中該角度θ是180°并且以垂直于陣列單元的平面的軸線作為參照，因此從-90°到90°變化。

在步驟106處，每個天線單元12i在陣列10的曲面18上的位置pi基于角分辨率函數(shù)的最大值的自變量確定。經(jīng)常以縮寫argxmaxf(x)標(biāo)記的最大值的自變量（argumentofthemaximum）是已知的數(shù)學(xué)運算，其產(chǎn)生使函數(shù)獲得它的最大值的給定自變量的點或點集。在該情況下，函數(shù)是角分辨率函數(shù)，并且最大值的自變量被用于計算每個天線單元12i的位置pi，以產(chǎn)生對于給定的陣列10的遍及fov中的所有角度θ的最大角分辨率。簡單來說，方法100利用最大值的自變量運算來“搜索”在整個所期望fov上取得最大分辨率的天線單元位置。

在一個實施例中，用于計算天線單元12i在陣列10的曲面18上的位置的角分辨率函數(shù)由以下給出：波束寬度θ3db=0.866λ/(nd)，其中λ是入射信號14的波長，n是天線單元的數(shù)目，d是天線單元之間的距離。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員領(lǐng)會的是，以上列舉的角分辨率函數(shù)僅是示例性的，并且角分辨率方程、方程的變量和這些變量之間的關(guān)系可根據(jù)天線陣列的幾何形狀和其它的應(yīng)用特定標(biāo)準(zhǔn)而變化。

在一個非限制性的例子中，根據(jù)所公開的方法200用于優(yōu)化對于給定的天線曲率的天線單元位置的簡化算法由以下給出：

p_1=第一天線單元的位置；

　fortheta=-90:90;//在所期望fov中的角度；

　　fori=2:n;//n是在陣列中的天線單元的數(shù)目；

　　p_i=arg{max{angular_resolution}};//計算取得最大分辨率的天線單元位置；

end

　end

以上闡述的示例性算法迭代“for”循環(huán)，直至對于指定的fov角分辨率函數(shù)對陣列中所有的n個天線單元收斂到最大值。如本領(lǐng)域技術(shù)人員會領(lǐng)會的，以上的算法可以以許多不同的方法來執(zhí)行。例如，在一個實施例中，陣列10中每個天線單元12i的位置pi基于第一單元和任何其它先前計算的天線單元的位置獨立地確定。換句話說，最大值的自變量函數(shù)作為迭代循環(huán)執(zhí)行，并且考慮先前定位的單元的位置，獨立地且順序地每次為一個天線單元產(chǎn)生定位，直至陣列中每個天線單元的定位已被確認(rèn)。在另一實施例中，天線單元的位置被計算為解的集合，使得位置pi是對于fov中的所有角度θ獲得最大角分辨率的天線單元位置的集合。

將理解的是，前面是本發(fā)明的一個或多個實施例的描述。本發(fā)明不限于本文中公開的特定的實施例，而是僅由以下的權(quán)利要求限定。此外，包含在前面描述中的敘述涉及特定實施例并且不應(yīng)被解釋成對本發(fā)明的范圍的限制或?qū)?quán)利要求中用到的術(shù)語的定義的限制，除非術(shù)語或短語在以上被明確定義。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，各種其它的實施例及對所公開的實施例的各種的變化和修改將變得顯而易見。所有這些其它的實施例、變化和修改意圖進入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

如在本說明書和權(quán)利要求中所用到的，術(shù)語“例如”、“譬如”、“舉例來說”、“比如”和“像”，以及動詞“包含”、“具有”、“包括”和它們的其它動詞形式，當(dāng)結(jié)合一個或多個部件或其它項目的列表使用時，各自應(yīng)被解釋為開放結(jié)尾的，意思是列表不被認(rèn)為是排除其它的、另外的部件或項目。其它術(shù)語應(yīng)被解釋為使用它們最廣泛合理的意思，除非它們被用在要求不同解釋的語境中。