[发明专利]到达角估计

说明书

本申请要求于2016年1月22日提交的美国临时专利申请序号62/281,822的权益，该申请的全部内容特此通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及雷达系统，并且更具体地，涉及在具有宽阔地间隔开的元件的天线阵列中的到达角的估计。

背景技术

雷达是对象检测系统，其使用由天线发射和接收的无线电波来确定对象的范围、角度和/或速度。在大多数现代系统中，雷达采用由多个天线元件组成的阵列天线，这些天线元件被布置和互连以形成单个天线。在操作中，测量由天线元件接收的信号之间的相位差，并将其用于建立信号到达方向。例如，如果天线元件位于平面表面上，并且如果信号垂直于表面到达，则每个天线元件的信号输出是同相的，并且元件之间的相对相位差理想地为零。如果信号倾斜地到达平面，则元件之间的相位差根据信号频率、天线元件之间的距离和信号方向而变化。换言之，由于从信号源到各个天线元件的传播距离的差异，每个天线元件均观测到信号的不同相移。然后能够使用该相移来确定输入信号的到达方向。

存在许多已知的用于基于天线元件之间的相位差来确定入射信号的到达角的方法。然而，基本关系最好地通过考查两个元件线性阵列10来解释，如图1中所示。天线元件12a、12b被间隔分开距离“d”，并且形成波前16的入射信号14的到达角是θ，其具有180°的跨度。到达角θ以垂直于阵列的平面的轴线（即，垂射（broadside）于阵列）为基准，并且在从π/2到-π/2（90°到-90°）的角度的范围中。在设计成垂射于天线阵列辐射的阵列中，辐射图在π/2和-π/2（90°和-90°）处为最小值，并且在以0（0 °）垂射于阵列处变成最大值。如本领域技术人员所理解的，到达角也能够以阵列的轴线为基准。在这种情况下，θ仍然具有180°的跨度，但是代替地在从0到π（0°到180°）的范围内，并且最小值在0和π（0°和180°），且最大值在π/ 2（90°）。

天线阵列是定向的，因为它们被设计成通过将天线元件与随到达方向而变的相位调整组合来将天线辐射图朝向具体方向聚焦。辐射图的方向由主射束波瓣给出，其指向辐射功率的主体（bulk）行进的方向。天线阵列的方向性和增益能够根据天线的归一化场强度和阵列因子来表示，这是天线阵列理论的基本原理并且是本领域众所周知的。例如，再次参考图1，在垂射地测得的角度θ处的归一化场强度E(θ)与(sinNΨ/2)/(NsinΨ/2)成比例，其中N是阵列中天线元件的数量，Ψ是相邻天线元件之间的相位差并且等于2πd/λ(sinθ)，其中λ是波长，且d(sinθ)表示相邻天线元件之间波前16的传播延迟的线性距离。因此，能够通过知道相位差Ψ来确定入射信号14的到达角θ。

然而，出现了问题，因为元件之间的相位仅能够在180°的范围内无歧义地测得。当天线元件被宽阔地间隔开时（即，当天线元件之间的距离超过入射信号的波长的一半时），天线元件之间的相位差能够跨越大于360°。因此，能够获得到达的多于一个可能的到达，并且这通常被称为模糊性。

由宽阔地间隔开的天线阵列引起的模糊性导致栅瓣，其指代当辐射图旁瓣的振幅变得显著地更大，并且接近主瓣的水平时发生的空间混叠效应。栅瓣沿随机方向辐射，并且在幅度上与主波束波瓣相同或几乎相同。例如，上面提及归一化场强度方程E(θ)，当分母为零时，或当sinθ=±n/(d/λ)（其中n=0, 1, 2, 3 ...）时出现最大值。在其中天线元件之间的间距d等于波长的一半的阵列中，阵列沿θ= 0°的方向在阵列的可见区域中产生单个最大值（即，主瓣）。在其中天线元件之间的间距d大于波长的一半的阵列中，额外的最大值以除了主瓣方向之外的角度出现在可见区域中。比如，当天线元件之间的间距为2λ时，主瓣出现在θ= 0°处，但是栅瓣也出现在θ=±30°和±90°处。由于这些角度中的每一个均对应于最大值，因此雷达系统不能够区分对应于主瓣的到达角和对应于栅瓣的到达角。以另一方式陈述，单个相位测量可以指代多个到达角，从而导致额外的模糊性。

通常针对带有高角分辨率的最佳方向性设计天线阵列。然而，角分辨率与天线口径的大小和天线元件的数量成比例。高角分辨率需要大口径和大量的天线元件，这增加了天线的成本。另外，由于相位模糊性，口径的大小和元件的数量受到天线元件间距的限制。下文描述的方法解决了与宽阔地间隔开的天线阵列相关联的相位模糊性的问题，从而以减少数量的信道（channel）实现了确切的（unambiguous）高角分辨率。通过减少阵列中所使用的天线元件实现显著的成本减少。

发明内容