一種一維幹涉式微波輻射計的天線陣列設計方法與流程
2023-05-30 02:56:21 2
本發明涉及一維綜合孔徑輻射計領域，特別涉及一種一維幹涉式微波輻射計的天線陣列設計方法。
背景技術：
幹涉式微波輻射計測量原理不同於傳統的真實孔徑微波輻射測量。幹涉式微波輻射計首先對目標空間頻譜進行測量，然後通過傅立葉變換，反演得到目標的亮溫信息。
幹涉式微波輻射計的頻率域連續採樣是利用合理設計的稀疏天線陣列實現的。傳統的一維幹涉式微波輻射計根據系統複雜度及成本的考慮，通常要求利用最少單元數目實現最長基線覆蓋，即最小冗餘天線陣列。顧益輝等人(顧益輝，基於模擬退火算法的綜合孔徑稀疏天線陣設計，碩士論文，2010)採用模擬退火算法實現了最小冗餘天線陣列排布的設計。
然而，在一些特殊應用中，例如基於星載的一維綜合孔徑輻射計，其更關注的是系統的可靠性。若採用傳統的最小冗餘天線陣列，當任意天線-通道單元失效，均會引起測量基線的缺失，從而引起系統探測性能的下降。所以，在星載應用中，最小冗餘天線陣列方案無法滿足可靠性的需求。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服已有的最小冗餘天線陣列方案無法滿足可靠性需求的缺陷，從而提供一種具有較高可靠性的一維幹涉式微波輻射計的天線陣列設計方法。
為了實現上述目的，本發明提供了一種一維幹涉式微波輻射計的天線陣列設計方法，包括：
在確定所要設計的天線陣列的最長基線後，計算該最長基線的最小冗餘天線陣列，由該最小冗餘天線陣列得到一組或多組加入新天線單元後的新加天線單元排布；對所述新加天線單元排布的基線冗餘度進行判定，若除最長基線外的其餘基線的冗餘度均大於1，則所述新加天線單元排布初步滿足設計要求，然後進一步對新加天線單元排布中冗餘度為2的基線進行分析，若兩條冗餘基線由四個獨立單元構成，則認為所述新加天線單元排布滿足最終設計需求，即為所要設計的天線陣列。
上述技術方案中，該方法具體包括以下步驟：
步驟101)、確定天線陣列的最長基線umax＝Numin；其中，umax是最長基線，umin是最短基線，N是基線數量；
步驟102)、利用模擬退火算法計算得到最長基線為Numin的最小冗餘天線陣列Ant1；
步驟103)、根據步驟102)得到的最小冗餘陣列的排布方案Ant1，計算得到最小冗餘天線陣列的歸一化天線位置為Antnr，空餘天線位置為Antem，空餘天線位置數為Nem；
步驟104)、假設nadd＝1,2...n是為滿足天線陣列冗餘度需求而新加入的天線單元個數，則對於每一個nadd，新加入天線的方案Antadd有個；
步驟105)從nadd＝1開始，對每一個新加天線單元的方案進行窮舉搜索，並得到一個新的天線單元排布：Antnew＝[Antnr∪Antadd]；
步驟106)對步驟105)所得到的新的天線單元排布的基線冗餘度進行判定，若除最長基線l＝N外，其他基線的冗餘度均大於1，則初步認為該天線陣列滿足設計需求，執行下一步，否則，重新執行步驟105)；
步驟107)、對初步認定滿足設計需求的天線陣列做進一步分析，包括：繼續對冗餘度為2的基線進行分析，假設構成兩條冗餘基線的單元分別為[a1,a2]和[a3,a4]，若四個變量都不相等，則認為天線陣列滿足設計需求；若四個變量中存在相等的兩個變量，則認為天線陣列不滿足需求，重新執行步驟105)，直至得到符合設計要求的天線陣列。
本發明的優點在於：以最少的天線單元數量實現高可靠性一維幹涉式微波輻射計的天線陣列設計，即在缺失任一單元的情況下，仍可保證系統功能(觀測基線不缺失)。
附圖說明
圖1是本發明的一維幹涉式微波輻射計的天線陣列設計方法的流程圖；
圖2是在一個例子中利用模擬退火算法計算得到的最小冗餘情況下的天線陣列排布示意圖；
圖3是圖2所示例子所對應的最小冗餘天線陣列基線冗餘度情況的示意圖；
圖4是採用本發明方法所得到的天線陣列設計結果的示意圖；
圖5是基線的冗餘度情況的示意圖。
具體實施方式
現結合附圖對本發明作進一步的描述。
在一個實施例中，將本發明的冗餘天線陣列設計方法應用於星載L波段的海洋鹽度測量系統中，但本領域技術人員應當了解，本發明的冗餘天線陣列設計方法也適用於其他波段的一維幹涉式微波輻射計測量系統。
如圖1所示，本發明的冗餘天線陣列設計方法可具體描述為：
步驟101)、確定天線陣列的最長基線umax＝Numin；其中，umax是最長基線，umin是最短基線，N是基線數量。
步驟102)、利用模擬退火算法計算得到最長基線為Numin的最小冗餘天線陣列Ant1；其中，所述模擬退火算法是現有技術，如背景技術中提到的顧益輝的論文《基於模擬退火算法的綜合孔徑稀疏天線陣設計》就對模擬退火算法的實現做了描述。
步驟103)、根據步驟102)得到的最小冗餘陣列的排布方案Ant1，計算得到最小冗餘天線陣列的歸一化天線位置為Antnr，空餘天線位置為Antem，空餘天線位置數為Nem；其中，所述歸一化天線位置是指將天線位置按天線陣列中最小天線間距歸一化，例如三個天線間距依次為0.5m、2m，則歸一化天線位置為[126]。歸一化天線的位置計算是現有技術，因此不在此處重複。
步驟104)、假設nadd＝1,2...n是為滿足天線陣列冗餘度需求而新加入的天線單元個數，則對於每一個nadd，新加入天線的方案Antadd有個；
步驟105)從nadd＝1開始，對每一個新加天線單元的方案進行窮舉搜索，並得到一個新的天線單元排布：Antnew＝[Antnr∪Antadd]；
步驟106)對步驟105)所得到的新的天線單元排布的基線冗餘度進行判定，若除最長基線l＝N外，其他基線的冗餘度均大於1，則初步認為該天線陣列滿足設計需求，執行下一步，否則，重新執行步驟105)；
步驟107)、對初步認定滿足設計需求的天線陣列做進一步分析，包括：繼續對冗餘度為2的基線進行分析，假設構成兩條冗餘基線的單元分別為[a1,a2]和[a3,a4]，若四個變量都不相等，則認為天線陣列滿足設計需求；若四個變量中存在相等的兩個變量，則認為天線陣列不滿足需求，重新執行步驟105)，直至得到符合設計要求的天線陣列。
採用本發明的方法所設計的天線陣列，缺失任意一個天線單元，均不會引起測量基線的缺失，所以較現有的設計方法可靠性更高。
在一個實施實例中，天線形式為拋物柱形反射面天線，天線最長基線設計為u＝30du,其中du＝0.6125λ為最短基線。圖2為利用模擬退火算法計算得到的最小冗餘情況下的天線陣列排布，天線單元數為N＝10,天線單元的歸一化位置為Antnr＝[0,2,4,5,13,14,23,24,29,30]，天線陣列空餘位置為Antem＝[1,3,6,7,8,9,10,11,12,15,16,17,18,19,20,21,22,25,26,27,28],空餘位置數Nem＝21。圖3為最小冗餘天線陣列基線冗餘度情況，可以看到基線的冗餘度無法滿足系統可靠性的需求。本發明的方法是在最小冗餘情況下的天線陣列排布基礎上，加入新的天線單元，以期新的天線陣列冗餘度可以達到設計需求。本發明的方法從nadd＝1開始進行窮舉，可以計算得到nadd＝1時，天線陣列方案共有種，nadd＝2時，天線陣列方案共有時，天線陣列方案共有種。然後在每組成一個新的天線陣列時，實時對天線陣列的冗餘度進行判別，當出現一個新的天線陣列使得每個基線的冗餘度都大於1(除了最長基線)時，則對冗餘度為2的基線對進行進一步檢查。在一個設計中，程序輸出的結果為總饋源數13個，且各基線冗餘度均大於1(除了最長基線)，但檢查發現其中一個冗餘度為2的基線天線位置分別為：[3 6]；[6 10]，此情況下若第6個單元損壞，會導致該基線缺失，不滿足設計需求。繼續搜索冗餘度都大於1的陣列並進行檢查(冗餘度為2的基線)，最終輸出滿足設計需求的天線陣列設計結果。圖4是由本發明方法所得到的天線陣列設計結果，圖中淺色為初始天線陣列，黑色饋源是基於最小冗餘陣列排布情況下新加的饋源，總饋源數為14個。圖5是基線的冗餘度情況，可以看到，除了最長基線其他基線的冗餘度都大於1，並且冗餘度為2的基線滿足設計要求。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。