专利名称：用于宽频带成像的螺旋形状阵列的利记博彩app
一个相控阵列是一种某一空间图案的变换器(接收器、发射器或两种功能都可。执行的元件)分布。通过调整每个变换器发射或接收信号的相位，使阵列执行在一个期望方向上具有一束强、窄的波束的单一小孔的功能。波束的方向可通过改变变换器的相位来电控。
相控阵列可用于雷达、声纳、医用超声成像、军用电磁场源定位、诊断测试用的声源定位、射电天文学、和许多其它领域。发射或接收信号的特性和操纵它们所需的仪器(包括相位调整)随着应用的不同而改变。本发明不着重于信号转换设备或变换器(天线、麦克风或扬声器)其本身。这些问题已为各个领域内的技术人员所熟知。本发明描述变换器的一个特殊的空间排列(实际上是一种排列)。
在许多相控阵列的应用中，系统必须在一个宽的频率范围上工作。因为根据现有技术设计的任何单一阵列局限在它所能覆盖的频率范围内，因此这通常需要多个不同的阵列。在阵列的设计(指变换器的空间排列)和辐射波长之间的关系上出现频率限制。
给定阵列的有效最低频率由以波长为单位的阵列的总体尺寸确定。分辨率的瑞利限制决定了波束宽度(以弧度为单位)由波长除以孔径尺寸给出。这里所考虑的平面阵列的总体形状大致为正方形或圆形。将恰好大的能容纳阵列的圆形直径表示为D。如果最大的可容许束宽是10度(举一个特定的例子)，则阵列可有效运行的最大波长是(10度)×(2π弧度/360度)×D＝D/5.72。对于阵列的相应最小频率是5.72c/D，其中c是声或光速，取决于应用情况。为了重新陈述该结果，在最小频率运行时的阵列的最小直径是5.72倍的波长(例如需要束宽为10度)。这个频率下限适用于所有的平面阵列设计中，包括现有技术和本发明。
当一个阵列的频率从频率下限增加，由于直径和波长的比值增大，波束变得更窄。更窄的波束对于大多数应用有利，因此在这点上随着频率的增大，阵列的特性得以改善(如果期望一个恒定束宽，则有可能根据频率改变变换器的加权系数以防止束宽减小。熟悉相控阵列技术的技术人员应该了解此技术。)。在某一频率以上，主波束中夹有附加的、不期望的与预定的引导方向有偏差的角度上的波束。当这些额外波束比主波束弱时，这些额外波束被称作旁瓣，当它们与主波束处于同一量级时被认作歧瓣(aliases)。对于很多应用，如果旁瓣大大低于主波束，则旁瓣是可以容许的。所需的旁瓣的抑制程度取决于相对于所关注的波源的干扰源的强度。为再次给出一个确定的例子，可假定旁瓣必须低于主瓣7dB。
一个通常设计的平面阵列包括加有正方形格栅的变换器的矩形阵列。如果正方形的每一边长是S，并且阵列包括n＝m×m个变换器，则在平面的每两个正交方向上的变换器之间的间距是S/(m-1)(以上所定义的阵列直径是外接圆的直径，即S乘以2的平方根。)。对于这种类型的阵列，当频率足够高以至一对变换器之间的间隔是半波长时出现歧瓣。为了让此阵列正确运行，波长必须大于2S/(m-1)，这意味着频率必须小于c(m-1)/(2S)。用小孔尺寸D计算，一个正方形阵列的工作频率范围是5.72c/D到0.707(m-1)c/D。对于具有100个单元(m＝10)的10×10阵列，频率上限与频率下限之比为6.3∶5.72，这使得此设计基本为一个单频率设计。覆盖对于正方形阵列的一个50∶1的频率范围(通常用于声测试)将需要一个不太大数目的阵列。
为了了解是什么在限制正方形相控阵列的频率范围，研究接收模式并假设一个纯音频平面波信号正入射到阵列上。假设相同的变换器，所有的单元将接收具有相同相位的相同信号。构成相控阵列操作基础的聚束处理包括将来自每个变换器的信号与一个复相位矢量相乘并连续地将结果相加。如果变换器信号对应于从引导方向上入射的一个平面波，则确定复相位矢量以使得出的总和是一个最大值。为了将波束向阵列法向方向引导，复相位矢量均为单位矢量。由于实际信号是正入射的，当引导到正确方向时聚束形成装置的输出将是每个单一变换器响应的n倍。用分贝表示，阵列的增益为20log(n)。如果波束被引导的方向不是在波的真实入射方向上时，希望聚束总和是一个随机相位总和，这将给出等于n的平方根的平均幅度结果。用分贝表示，结果为10log(n)。将真实的入射方向与其它方向比较，该网络净增益是20log(n)-10log(n)＝10log(n)。现在假设单元间的间距大于一个波长的一半。特别地，假设间距是波长除以2的平方根。在一个基平面中如果该阵列被引导到偏离法向45度角度上，则引导复相位矢量仍将是单位矢量，并且该阵列将给出在此方向上的最大寄生信号响应。问题是对于不在正入射的某些方向上，阵列的重复单元间的间距引起对于方向性系数的重复的复相位矢量数值。在不对应于真实的入射方向(本例中为正入射)的方向上，当在聚束时相加这些重复的数值时，得出一个大于所期望的随机相位总和的结果。值得注意的是，在所有的真实入射方向上皆存在该问题；由于分析简便选择了正入射方向来解释。
在文献中已经有了试图通过改变阵列形状以扩展平面阵列频率范围的多种尝试。例如，提出了蜂窝状三角形和具有在水平和垂直方向上对数间距的乘积图案(product patterns)的阵列。这些阵列通过采用减小重复间距降低了旁瓣电平。由于它们仍然依据一个正则的几何图案，因此不是十分成功，并且其相位总和在某些方向上仍给出寄生波峰。
现有技术中的一些提议仍旧在阵列中心附近的一个小区域中聚集了过多的单元以使至少有一些间距始终小于半波长。这种尝试在频率范围的两端失效。在低频段，聚集的单元聚集的距离小于一个波长，因此它们构成了不随引导方向改变的聚束总和的一大部分。这就扩展了中心瓣和降低了相对于瑞利限制的低频率分辨率。在高频段，聚集的单元只能部分减少旁瓣，因为与旁瓣形成有关外部单元仍然以正则格栅隔开，该外部单元可从高频处的总和中去除，但这降低阵列增益。
也提出了包括随机分布单元的阵列，但这些阵列具有非常差的旁瓣特性。
附图中
图1是一个相控阵列系统的框图；图2是一个平面阵列设计的现有技术的例子；图3是本发明的一个例子；图4表示在500Hz处的正方形阵列的特性；图5表示在500Hz处的螺旋阵列的特性；图6表示在1000Hz处的正方形阵列的特性。
图7表示在1000Hz处的螺旋阵列的特性；图8表示在5000Hz处的正方形阵列的特性；图9表示在5000Hz处的螺旋阵列的特性；图10表示在10,000Hz处的正方形阵列的特性；
图11表示在10,000Hz处的螺旋阵列的特性；图12表示在20,000Hz处的正方形阵列的特性；图13表示在20,000Hz处的螺旋阵列的特性；图14表示在40,000Hz处的正方形阵列的特性；图15表示在40,000Hz处的螺旋阵列的特性；图16表示在80,000Hz处的正方形阵列的特性；图17表示在80,000Hz处的螺旋阵列的特性。
因此，本发明的主要目的是扩展平面相控阵列的带宽。
根据下面的详细描述、附图和特例将更清楚地了解本发明的这个和其它目的与优点，所有这些将作为范例而非限制本发明。
通过将变换器在对数螺旋曲线上排列实现以上简单描述的目的。该对数螺旋呈不包含固定或重复间距的一种自然形状。在极坐标中，一个对数螺旋是用ρ＝ρ0exp(φ/tan(γ))定义的曲线，其中ρ和φ是曲线上某点的半径和极角，常数γ是螺旋角度，ρ0是对应于φ＝0的起始半径。尽管在特定的例子中其它安排可能更优越，但在下面的例子中，变换器沿着该螺旋曲线等弧长隔开，从ρ＝ρ0和φ＝0开始。螺旋形状定义中缺乏的固定距离导致变换器的分布有次序地避免重复安排，并因此避免了在宽频率范围上的大旁瓣。
阵列是一个相控阵列系统中的关键元件。其它单元包括电源、信号转换设备、电缆、一个用于进行聚束处理的计算机、和一个显示设备。一个非常简单的系统说明如下图1是一个相控阵列系统的框图。阵列1是内部以预定空间关系固定和承托发射和/或感测单元的一个刚性结构。在图1中可看出平面阵列以边框示出，因此看不见单元。变换器通过电缆(和可能的其它信号转换设备)连接到一排A/D转换器2(对于发射，这些应为D/A转换器。)。来自A/D转换器的信号被传送到进行涉及聚束的数学运算的计算机3。该结果(波源定位和可能的其它信息)在显示设备4上显示。
图2是平面阵列设计的现有技术的一个例子。它是一个100个单元的正方形阵列，其边长S＝42.4英寸和有效直径(在此情况下为对角线)D＝60英寸。这用于声音速度c＝13,000英寸/秒在空气中声波束的形成。根据以上给出的分析，其频率下限(对更好的10度分辨率)应为1,239Hz。对于1,379Hz和以上的频率它应呈现出歧瓣。
图3是本发明的一个例子。它是一个其内半径ρ0＝4英寸，外半径为30英寸(直径为60英寸)，和螺旋角度γ＝87度的具有100个单元的对数螺旋。它还具有一个1,239Hz的频率下限，但完全不呈现歧瓣，并在比正方形阵列的1,379Hz限制高许多的频率下具有可接受的低旁瓣。
余下的图(图4到图17)表示在几个频率处的两个阵列的特性。每个图表示特定的阵列在θ＝0度处对于正入射的一个平面波的响应。画出了聚束幅度响应。理想地，此响应在θ＝0度处应是一个锐峰，在其它方向上不应有明显大幅值。
为了总结在一个宽方向范围的实际响应，每个图给出以偏离轴线的角度θ绘出的两条曲线，该曲线表示在方位角度φ的360度范围上的聚束幅度的最大值和最小值。由于聚束始终准确地决定了入射平面波的幅度，所以每条曲线在θ＝0处趋近于1(波峰在高频时变得如此锐利以致于从纵轴上不能辨别曲线。)。对于中心波峰附近的小数值θ，最大值和最小值曲线应相互匹配。这个情况将表示对应于平面波方向的圆形波峰。在中心波峰内的最小值和最大值曲线之间的差别表示该阵列输出与方位角度不一致。本应为圆形的波峰将呈现为椭圆形。这对于图示的两个阵列来讲不是一个十分严重的问题。
阵列的分辨率定义为在3dB下降(半功率)点的中心波峰宽度。该3dB下降点对应于聚束幅度的反对数值alog(-3/20)＝0.7。例如，图4表示在500Hz处的正方形阵列的分辨率大约是2×17＝34度。因为500Hz低于由瑞利公式预定的1,239Hz的限制，所以这个值可大于10度。
为了说明，假设最大可容许旁瓣电平为在波峰以下10dB。这对应于0.316的聚束幅度。如果中心峰外的最大值曲线在0.316以上，则图中表示了旁瓣的问题。(这些图不表示对于旁瓣的最严格的可能测试。这将需要入射和观察方向都须向该范围以外扩展。然而，它们给出阵列的旁瓣特性的总体概念。)图4和图5总结了在500Hz处的正方形和螺旋阵列的特性。在此频率处两者均具有大约34度的分辨率和可容许旁瓣。
图6和图7给出在1000Hz处的阵列特性。两者均具有大约20度的分辨率和可容许旁瓣。
图8和图9给出在5000Hz处的两个阵列的特性。可以看出两者的分辨率均大约是5度。如预期的那样，在此频率处正方形旁瓣具有歧瓣。螺旋阵列具有可容许旁瓣电平。
图10和图11表示在10,000Hz处的阵列。中心瓣非常密集。正方形阵列具有如此多的歧瓣以致对于大多数应用它将没有用处。螺旋阵列具有可容许旁瓣。
图12和图13给出在20,000Hz处的图案。正方形阵列具有更多的旁瓣。螺旋阵列具有可容许旁瓣电平。中心波峰变得几乎看不清。在实用中有必要采取一些措施来人工扩展波峰。
图14和图15表示在40,000Hz处在此范围内似乎充满了正方形阵列歧瓣。螺旋阵列具有可容许旁瓣。
图16和图17给出在80,000Hz处的阵列图案。正方形阵列的图案定性地看起来与40,000处的图案类似。螺旋阵列仍具有可容许旁瓣。
权利要求
1.一种具有一个对数螺旋曲线形状的相控阵列。
2.一种相控阵列，包括一组沿一个对数螺旋曲线排列并与一个转换器组相连的变换器，所述转换器组与一个用于进行涉及聚束的数学运算的计算机相连。
全文摘要
一种设计成对数螺旋形状的相控阵列。通过在对数螺旋形状曲线上分布阵列单元,避免了空间规则性并进而可以使阵列在一个宽频率范围上运行。
文档编号H04R1/40GK1170972SQ9711140
公开日1998年1月21日 申请日期1997年5月15日 优先权日1996年5月17日
发明者罗伯特·P·多尔蒂 申请人:波音公司