[发明专利]基于3D-FFT的用于快速计算大型机会阵方向图的方法

说明书

本发明公开了一种基于3D‑FFT的用于快速计算大型机会阵方向图的方法，该方法利用机会阵方向图计算公式与三维离散傅里叶变换的内在联系，通过一系列的数学变换直观地展现了两者之间的对应关系。在此基础上讨论了在不同单元间距的条件下，3D‑FFT所求序列的取值范围与可见空间的三维方向图取值范围的关系，并根据实际的情况，延拓或截断3D‑FFT所求序列的取值范围，使得两者的取值范围一致。本发明的创新性在于挖掘了机会阵方向图计算公式与三维离散傅里叶变换的内在联系，详细分析两者取值范围之间的关系，把利用FFT计算阵列方向图的方法推广至了机会阵，为今后基于机会阵的雷达的波束快速设计和方向图快速综合奠定了理论基础。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到大型机会阵方向图的快速计算，具体来说是充分利用机会阵方向图的计算公式与离散傅里叶变换(DFT)的一致性关系，利用快速傅里叶变换(FFT)方法实现对大型机会阵方向图的快速高效计算,具体涉及一种基于3D-FFT的用于快速计算大型机会阵方向图的方法。

背景技术

到目前为止，天线阵的拓扑结构主要是平面形式或共形形式，他们都有一个共同的特点，即阵列单元分布在同一个连续的口径面内。但是，对于一些特殊载体，比如飞机、卫星、舰船等等，由于载体本身十分有限的可布阵的表面空间和其他非天线性能的要求，这样的拓扑结构在实现高增益、低副瓣、窄波束等特性要求时，必然会受到载体物理口径有限的本质约束，也难以实现全向探测视场、多功能一体化、隐身与反隐身等应用需求。因此阵元需要按照载体平台的外形而定，在载体平台上进行三维空间分布，以形成尽可能大的有效口径和全向探测视角。所以，以传统的连续孔径分布形式的面阵列天线需要向单元分布式分布的体阵列天线过渡，这就引入了机会阵或三维体阵的概念。机会阵(三维体阵)是指：单元可以随机布置于载体平台的预留开放空间，单元分布的孔径可以不连续分布，以提高平台的气动性和平台隐身性。

显然，机会阵是比传统阵列更加复杂的一种新型阵列，对其方向图的计算是我们首要的任务。在机会阵或三维体阵中，研究单元在空间三个维度上都是均匀分布的均匀三维体阵是最为简单的，也是最基础的。只有在实现了对均匀三维体阵方向图的研究之后，才能进一步研究更一般的机会阵或三维体阵。因此本专利的研究对象是均匀三维体阵。

机会阵的拓扑结构和应用需求决定了这样的阵列通常都是一个大型阵列(单元数目大于1000)。因此传统的按照级数求和的方法直接计算此阵列方向图的方法耗时很长、效率极低，而且随着阵列规模的增大，效率成倍的降低。因此研究计算大型机会阵方向图的快速方法将具有十分重要的工程意义。

在国内外公开发表的文献和专利中，研究对机会阵方向图快速计算的相关内容非常少。大部分方法都只适用于线阵或平面阵。2007年，中国电子科技集团第十四研究所的李建新，徐慧等人研究了均匀线阵方向图计算公式和一维离散傅里叶变换的关系，利用FFT的方法实现了对大型线阵方向图的快速高效计算；2009年，他们又把此方法推广至均匀平面阵。2013年，电子科技大学的阳凯等人，利用插值方法结合FFT方法成功实现了对任意的线阵和面阵方向图的快速计算，拓展了快速傅里叶变换方法的应用范围。在专利号为CN102841335 A的专利中，也是利用快速傅里叶变换的方法快速计算每一次迭代过程中的方向图及对应激励，进而高效地完成期望的雷达波形设计；在专利号为CN 106842134 A的专利中，也利用快速傅里叶变换的方法快速计算平面阵MIMO雷达的波形，进而实现对平面阵MIMO雷达的波形设计。2016年，W.P.M.N.Keize发表的文献“Synthesis of scan-andfrequency-invariant low-sidelobe tapers for planar array antennas”中，利用快速傅里叶变换方法计算了处于扫描状态下面阵的方向图，并基于此对其可见空间和不可见空间的关系进行了详细研究。从已发表的文献和专利上看，目前可以实现对天线方向图快速计算的方法主要是快速傅里叶变换的方法，但此方法只能适用于线阵或面阵的方向图计算，对于机会阵或三维体阵这样复杂的阵列，现有的快速傅里叶变换方法显得无能为力，本发明正是在此背景下应运而生的。