多精度复合阵列天线
由于稀布阵列天线具有减弱阵元互耦、能适用于宽带系统、减轻信号处理负担、简化结构、减轻重量、降低成本等一系列优点，自上个世纪九十年代以来，稀布阵列天线已广泛应用在增强合成孔径雷达，硬点实验相控阵雷达，高频地面雷达，稀布阵综合脉冲与孔径雷达等军事与非军事领域。此外，在低载荷航天航空雷达和低成本民用雷达领域，基于稀布阵列天线的雷达技术正在得到越来越多的关注和研究。本论文吸取了稀布阵列天线的优点，设计了一个基于多精度复合阵列天线（MRCA）的数字波束雷达系统(DBF)，用它来进行单目标和多目标识别。首先，结合矢量网络分析仪、喇叭天线、笔记本电脑等实验设备，搭建了雷达实验硬件系统。然后，通过雷达实验系统对单个目标进行了精确定位，获得了单个目标的距离和角度信息，并对两个同距离不同角度的目标进行了识别。最后，对测试结果进行了分析，结合仿真结果，得出了结论。即与传统的均匀直线阵列天线（ULA）相比，在相同的天线单元数目的情况下，多精度复合阵列天线可以得到更窄的主波瓣和更低的副瓣，增强了雷达系统的方向性，提高了角度分辨率。本论文提出来的基于多精度复合阵列天线的数字波束雷达系统，减少了系统阵列天线单元的使用，降低了系统的成本和复杂度，能够将其运用到成本相对较低的民用场所中。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 本课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外研究的进展与现状 2
1.3 课题主要研究的内容及技术路线图 3
1.4 论文结构安排 3
第2章 雷达与天线相关理论及模型 5
2.1 阵列天线及数学模型 5
2.1.1线性阵列及其数学模型 5
2.1.2 矩形平面阵列及其数学模型 7
2.2 雷达基础理论 8
2.2.1 雷达测距原理 8
2.2.2 雷达测向原理 9
2.2.3 天线的S参数 10
2.3 波束形成及数字波束形成 10
2.3.1 波束形成 10
2.3.2 数字波束形成 12
2.4 稀疏阵列天线概念及几何结构 13
2
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.4.1 稀疏阵列天线概念 13
2.4.2 稀疏阵列天线几何结构 14
2.5 本章小结 14
第3章 多精度复合阵列天线及其设计 15
3.1 多精度复合阵列及方法 15
3.1.1 多精度复合阵列天线 15
3.1.2 多精度复合阵列方法 16
3.2 多精度复合阵列的形成及其设计 17
3.2.1 多精度复合阵列的形成 17
3.2.2 多精度复合阵列天线的设计 18
3.3 线性多精度复合阵列的DBF雷达及目标检测 19
3.4 本章小结 20
第4章 基于多精度复合阵列天线的目标识别实验 21
4.1 雷达实验硬件平台的搭建及介绍 21
4.1.1 矢量网络分析仪 22
4.1.2 喇叭天线 22
4.1.3 角反射器 22
4.1.4 校准件 23
4.2 基于多精度复合阵列天线的目标识别实验过程及结果 23
4.2.1 雷达实验设计及仿真 23
4.2.2 雷达实验过程及结果 26
4.3 本章小结 28
第5章 总结与展望 29
5.1 论文总结 29
5.2 课题展望 29
参考文献 30
致谢 33
英文文献： 35
中文翻译： 43
第1章 绪论
1.1 本课题研究的背景和意义
本课题研究的是基于多精度复合阵列天线的数字波束雷达系统。传统上为了提高雷达的分辨率，就得增加天线单元个数或者增大天线单元孔径，但是增大天线单元孔径会产生栅瓣，即会产生假目标，形成强烈的干扰，而增加天线单元个数会增加系统成本。因此，需要一种使用少数天线单元，并且在天线单元孔径不太大的情况下，还能提高雷达分辨率的方法。为此，本课题研究的目的就是为了用多精度复合阵列来提高雷达分辨率，减小系统成本，降低系统复杂度。但是由于受到经费和实验条件的限制，只能使用两个喇叭天线采用时分复用的方式来完成本课题的研究。
本课题的研究可应用于政府、仓库、兵营及公共场所等关键地点的安保雷达，还可作为机动车载雷达、灾害搜救雷达等。譬如，在车站广场放置一些雷达天线，能够检测出是否有人携带凶器进入车站广场，这样就能提前采取措施，保护广大乘客的生命财产安全。然而，检测过程中会出现很多干扰目标，在其与雷达探测系统的距离和角度相差不大的情况下，会对真目标信号的探测增加相当大的难度。因此，需要提高雷达系统的角度分辨率，以便能够分辨同距离不同角度的多个目标。本课题采用基于多精度复合阵列天线（MRCA）的数字波束雷达系统，可以减少天线阵列单元的数目，降低系统的成本和复杂性，因而适用于民用雷达系统。
相对于已被广泛而深入研究的均匀间隔稀疏阵列和非周期稀布阵列模型，基于多个天线子阵输出信号合成的稀布阵列天线模型能获得较高的稀疏率和较低的旁瓣，其在雷达系统中的运用与研究获得了越来越多的关注。其中，比较经典的是由李道京、侯颖妮等人提出的稀疏阵天线时分多相位中心孔径综合方法[1][2]和由V.G. Welsby和D.G. Tucker介绍的基于两个天线子阵的输出信号相乘的乘法阵列（MA）技术[3]。时分多相位中心孔径综合方法减少了传统满阵天线中的实际阵元数目，对低载荷艇载阵列天线成像雷达的研制具有重要的参考价值。MA技术最初应用于射电天文侦测，后被广泛研究来实现更窄的主瓣，压制稀疏阵列的副瓣，或者在方向图特定方向上形成极窄的零点[4][5][6]。L.C. Stange和C. Metz等人第一次将MA技术应用于设计大孔径稀疏阵列天线数字波束雷达，在维持一定的雷达成像效果前提下，相较于传统天线阵削减了很多天线单元，极大的降低了数字波束雷达的成本和系统复杂性[7]。尽管如此，MA数字波束雷达存在着多目标分辨能力不足的缺点，这极大的限制了MA技术在数字波束雷达领域的应用。本课题所提出的多精度复合阵列天线（MRCA）技术也是基于子阵综合的稀布阵列天线技术。与MA技术相比，MRCA技术在同等指标下能减少更多天线单元，节约了成本；或者在相同阵列单元数下取得更宽的多目标分辨区域，提高了角度分辨率。与同样孔径的均匀直线阵列相比，MRCA能获得同样的主瓣宽度和更低的副瓣，增强了雷达的方向性[8]。
1.2 国内外研究的进展与现状
数字波束形成（DBF）起源于自适应阵列天线，它的早期应用领域也是声呐和雷达。数字波束形成技术是以数字化的信息为基础，然后进行波束形成和处理。随着时代的发展，社会战争对雷达的性能要求愈来愈高，数字信号处理技术也正在不断成熟[9]。而DBF的优点主要是可对主波束进行控制以及获得相对较高的信噪比，这使得其对于提升雷达的性能有及其重要的作用，所以越来越多的人将目光投向数字波束雷达。
国际上采用DBF技术的雷达很多[10]，荷兰Signaal公司研制的SMARTL舰载雷达，它采用DBF技术，能够在严重的干扰环境下有效监控飞行目标；荷兰Signaal公司也研发成功并出产了MW08舰载雷达，它选用的是微带阵列天线，并且用DBF进行数据操作，并且由于数字波束形成采用了快速傅里叶变换，以及多普勒处理，该雷达具有很低的副瓣和优良的抗干扰性能；美国海军所研制的ROTHR雷达，系统采用数字波束形成技术，可根据需要监视整个覆盖区域或检测特定区域，它主要对飞机和船舶进行广域监视。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 本课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外研究的进展与现状 2
1.3 课题主要研究的内容及技术路线图 3
1.4 论文结构安排 3
第2章 雷达与天线相关理论及模型 5
2.1 阵列天线及数学模型 5
2.1.1线性阵列及其数学模型 5
2.1.2 矩形平面阵列及其数学模型 7
2.2 雷达基础理论 8
2.2.1 雷达测距原理 8
2.2.2 雷达测向原理 9
2.2.3 天线的S参数 10
2.3 波束形成及数字波束形成 10
2.3.1 波束形成 10
2.3.2 数字波束形成 12
2.4 稀疏阵列天线概念及几何结构 13
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.4.1 稀疏阵列天线概念 13
2.4.2 稀疏阵列天线几何结构 14
2.5 本章小结 14
第3章 多精度复合阵列天线及其设计 15
3.1 多精度复合阵列及方法 15
3.1.1 多精度复合阵列天线 15
3.1.2 多精度复合阵列方法 16
3.2 多精度复合阵列的形成及其设计 17
3.2.1 多精度复合阵列的形成 17
3.2.2 多精度复合阵列天线的设计 18
3.3 线性多精度复合阵列的DBF雷达及目标检测 19
3.4 本章小结 20
第4章 基于多精度复合阵列天线的目标识别实验 21
4.1 雷达实验硬件平台的搭建及介绍 21
4.1.1 矢量网络分析仪 22
4.1.2 喇叭天线 22
4.1.3 角反射器 22
4.1.4 校准件 23
4.2 基于多精度复合阵列天线的目标识别实验过程及结果 23
4.2.1 雷达实验设计及仿真 23
4.2.2 雷达实验过程及结果 26
4.3 本章小结 28
第5章 总结与展望 29
5.1 论文总结 29
5.2 课题展望 29
参考文献 30
致谢 33
英文文献： 35
中文翻译： 43
第1章 绪论
1.1 本课题研究的背景和意义
本课题研究的是基于多精度复合阵列天线的数字波束雷达系统。传统上为了提高雷达的分辨率，就得增加天线单元个数或者增大天线单元孔径，但是增大天线单元孔径会产生栅瓣，即会产生假目标，形成强烈的干扰，而增加天线单元个数会增加系统成本。因此，需要一种使用少数天线单元，并且在天线单元孔径不太大的情况下，还能提高雷达分辨率的方法。为此，本课题研究的目的就是为了用多精度复合阵列来提高雷达分辨率，减小系统成本，降低系统复杂度。但是由于受到经费和实验条件的限制，只能使用两个喇叭天线采用时分复用的方式来完成本课题的研究。
本课题的研究可应用于政府、仓库、兵营及公共场所等关键地点的安保雷达，还可作为机动车载雷达、灾害搜救雷达等。譬如，在车站广场放置一些雷达天线，能够检测出是否有人携带凶器进入车站广场，这样就能提前采取措施，保护广大乘客的生命财产安全。然而，检测过程中会出现很多干扰目标，在其与雷达探测系统的距离和角度相差不大的情况下，会对真目标信号的探测增加相当大的难度。因此，需要提高雷达系统的角度分辨率，以便能够分辨同距离不同角度的多个目标。本课题采用基于多精度复合阵列天线（MRCA）的数字波束雷达系统，可以减少天线阵列单元的数目，降低系统的成本和复杂性，因而适用于民用雷达系统。
相对于已被广泛而深入研究的均匀间隔稀疏阵列和非周期稀布阵列模型，基于多个天线子阵输出信号合成的稀布阵列天线模型能获得较高的稀疏率和较低的旁瓣，其在雷达系统中的运用与研究获得了越来越多的关注。其中，比较经典的是由李道京、侯颖妮等人提出的稀疏阵天线时分多相位中心孔径综合方法[1][2]和由V.G. Welsby和D.G. Tucker介绍的基于两个天线子阵的输出信号相乘的乘法阵列（MA）技术[3]。时分多相位中心孔径综合方法减少了传统满阵天线中的实际阵元数目，对低载荷艇载阵列天线成像雷达的研制具有重要的参考价值。MA技术最初应用于射电天文侦测，后被广泛研究来实现更窄的主瓣，压制稀疏阵列的副瓣，或者在方向图特定方向上形成极窄的零点[4][5][6]。L.C. Stange和C. Metz等人第一次将MA技术应用于设计大孔径稀疏阵列天线数字波束雷达，在维持一定的雷达成像效果前提下，相较于传统天线阵削减了很多天线单元，极大的降低了数字波束雷达的成本和系统复杂性[7]。尽管如此，MA数字波束雷达存在着多目标分辨能力不足的缺点，这极大的限制了MA技术在数字波束雷达领域的应用。本课题所提出的多精度复合阵列天线（MRCA）技术也是基于子阵综合的稀布阵列天线技术。与MA技术相比，MRCA技术在同等指标下能减少更多天线单元，节约了成本；或者在相同阵列单元数下取得更宽的多目标分辨区域，提高了角度分辨率。与同样孔径的均匀直线阵列相比，MRCA能获得同样的主瓣宽度和更低的副瓣，增强了雷达的方向性[8]。
1.2 国内外研究的进展与现状
数字波束形成（DBF）起源于自适应阵列天线，它的早期应用领域也是声呐和雷达。数字波束形成技术是以数字化的信息为基础，然后进行波束形成和处理。随着时代的发展，社会战争对雷达的性能要求愈来愈高，数字信号处理技术也正在不断成熟[9]。而DBF的优点主要是可对主波束进行控制以及获得相对较高的信噪比，这使得其对于提升雷达的性能有及其重要的作用，所以越来越多的人将目光投向数字波束雷达。
国际上采用DBF技术的雷达很多[10]，荷兰Signaal公司研制的SMARTL舰载雷达，它采用DBF技术，能够在严重的干扰环境下有效监控飞行目标；荷兰Signaal公司也研发成功并出产了MW08舰载雷达，它选用的是微带阵列天线，并且用DBF进行数据操作，并且由于数字波束形成采用了快速傅里叶变换，以及多普勒处理，该雷达具有很低的副瓣和优良的抗干扰性能；美国海军所研制的ROTHR雷达，系统采用数字波束形成技术，可根据需要监视整个覆盖区域或检测特定区域，它主要对飞机和船舶进行广域监视。
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