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Josh's Note — 最优阵列处理<br>Part 1.3 均匀加权线阵 true true true
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true true true true 4
阵列信号处理
均匀加权线阵
3dB 带宽
第一零点波束宽度
旁瓣
栅瓣
瑞利限
Josh 的学习笔记
最优阵列处理
阵列和空域滤波器
aa32ec76 2023-04-20 19:34:47

均匀加权线阵的频率-波数响应函数

  现在把注意力集中到均匀加权线阵(Uniformly Weighted Linear Array)的情况,即

$$\begin{equation} w_n = \frac{1}{N}, , n = 0,1,\cdots,N-1 \end{equation}$$

$$\begin{equation} \boldsymbol{w} = \frac{1}{N} \boldsymbol{1} \end{equation}$$

其中 \boldsymbol{1} 是 N \times 1 维的单位矢量,则在 \psi 空间的频率-波数响应函数可以写成(利用等比级数的求和公式)

$$\begin{equation} \begin{aligned} \boldsymbol{\varUpsilon}\psi(\psi) &= \frac{1}{N} \sum{n=0}^{N-1} e^{j \left(n - \frac{N-1}{2}\right)\psi} \ &= \frac{1}{N} e^{-j \left(\frac{N-1}{2}\right)\psi} \sum_{n=0}^{N-1} e^{j n \psi} \ &= \frac{1}{N} e^{-j \left(\frac{N-1}{2}\right)\psi} \left[ \frac{1-e^{jN\psi}}{1-e^{j\psi}} \right] \end{aligned} \end{equation}$$

或(利用欧拉公式)

$$\begin{equation} \boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left( N \frac{\psi}{2} \right)}{\sin\frac{\psi}{2}} \end{equation}$$

可以观察到:

  • 当 N 是奇数时,\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) 是周期函数,周期为 $2\pi$;
  • 当 N 为偶数时,波瓣在 $\pm 2 \pi$、\pm 6 \pi 处的值为负值,周期为 $4 \pi$;
  • 对任意的 $N$,\left|\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right| 的周期为 $2 \pi$。

当 N = 11 时, \boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) 和 \psi 的关系在图 1-3-1 中给出。图 1-3-2 给出了 $\left|\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$,单位为 dB,其中

$$\begin{equation} \boldsymbol{\varUpsilon}\mathrm{dB}(\psi) = 10 \log{10} \left|\boldsymbol{\varUpsilon}(\psi)\right|^2 \end{equation}$$

图 1-3-1 $\boldsymbol{\varUpsilon}(\psi): \psi = \frac{2\pi}{\lambda} d \cos\theta, N=11${width=1000px}

图 1-3-2 用 dB 表示 $\left|\boldsymbol{\varUpsilon}(\psi)\right|${width=1000px}

{% note primary MATLAB Code %}

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Figure 2.15 & 2.16
% Beampattern of uniformly weighted linear array
% Xiaomin Lu
% Updated 1/5/99
% Last updated  by K. Bell 7/22/01, 10/4/01
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

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N = 11;				% 11 elements
% Note, Eq. (2.92) is in fact the standard Dirichlet function
% beam = diric(psi, N);
% if you don't have the signal processing toolbox, this does the same thing
psi = (-5:1/400:5)*pi;
beam = zeros(1,length(psi(:)));
y=sin(.5*psi);
i=find(abs(y)>1e-12);            % set where x is not divisible by 2 pi
j=1:length(psi(:));
j(i)=[];                         % complement set
beam(i)=sin((N/2)*psi(i))./(N*y(i));
beam(j)=sign(cos(psi(j)*((N+1)/2)));

plot(psi/pi, beam)
grid
xlabel('$\psi/\pi$','Interpreter','latex')
ylabel('Frequency wavenumber response function')
axis([-5 5 -0.4 1])
set(gcf,'Position',[0 0 1000 600])
figure
beam = 20*log10(abs(beam));
plot(psi/pi,beam);
xlabel('$\psi/\pi$','Interpreter','latex')
ylabel('Frequency wavenumber response function (dB)')
axis([-5 5 -25 0])
grid
set(gcf,'Position',[0 0 1000 600])

{% endnote %}

若不指定 \boldsymbol{w} 的类型,则 \boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) 是复数,所以相位也应该画出来。但是,均匀加权线阵具有对称性,因此得到的频率-波数响应是实函数。

  也可以用 k_z 来表示频率-波数响应

$$\begin{equation} \boldsymbol{\varUpsilon}(\omega:k_z) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left( N k_z \frac{d}{2} \right)}{\sin \left(k_z\frac{d}{2}\right)} \end{equation}$$

这里 \boldsymbol{\varUpsilon}(\omega:k_z) 是周期函数,周期为 $2\pi/d$。

{% note warning %}

注意,响应函数仅依赖于波数分量 $k_z$,是 k_z 的周期函数,间隔为 $2\pi/d$,这是线性阵列的一维特性导致的,所以该阵列仅能分析在 k_z 方向上投影的波数分量。

{% endnote %}

均匀加权线阵的波束方向图

  均匀加权线阵的波束方向图为

$$\begin{equation} B_\theta(\theta) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left(\frac{N}{2} \cdot \frac{2\pi}{\lambda} \cos \theta \cdot d \right)}{\sin \left( \frac{1}{2} \cdot \frac{2\pi}{\lambda} \cos\theta \cdot d\right)}, \quad 0 \leqslant \theta \leqslant \pi \ \end{equation}$$

$$\begin{equation} B_u(u) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left(\frac{ \pi Nd}{\lambda} u \right)}{\sin \left( \frac{N d}{\lambda} u\right)}, \quad -1 \leqslant u \leqslant 1 \label{BeamPatternOfUWLAInDirectionCosineDomain} \end{equation}$$

$$\begin{equation} B_\psi(\psi) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left(N\frac{\psi}{2}\right)}{\sin \left( \frac{\psi}{2} \right)}, \quad -\frac{2\pi d}{\lambda} \leqslant \psi \leqslant \frac{2\pi d}{\lambda} \label{BeamPatternOfUWLAInWaveNumberDomain} \end{equation}$$

其中定义域分别为 $0 \leqslant \theta \leqslant \pi$、-1 \leqslant u \leqslant 1 和 $-\displaystyle\frac{2\pi d}{\lambda} \leqslant \psi \leqslant \frac{2\pi d}{\lambda}$,称为**{% label primary @可视区域(visible region) %}**。

{% note info %}

函数 B_u(u) 和 B_\psi(\psi) 有时称为**{% label primary @阵列因子(Array Factor) %}**。这个量对非全向性阵元非常重要。

{% endnote %}

  图 1-3-3 给出了 B_\theta(\theta) 的极坐标形式,单位为 dB。如果在三维空间画出波束方向图,在图 1-3-3 中的图将对应沿着任意方位角 \theta 切割得到的方向图。图 1-3-4 给出了波束方向图的幅度和不同变量之间的关系。

图 1-3-3 在极坐标系中画出 $B_\theta(\theta)${width=800px}

{% note primary MATLAB Code %}

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Figure 2.17
% Polar plot of B (Theta)
% Lillian Xu 1/5/99
% Updated by K. Bell 6/25/01
% Functions called: polardb
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%


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close all

N = 11;                                 % Elements in array
d = 0.5;                                % spacing wrt wavelength
beamwidth = 2/(N*d);                    % null-to-null (LL BW is half this)
D=d*(-(N-1)/2:1:(N-1)/2);               % element locations
ang = pi*(-1:0.001:1);
u   = cos(ang);
n2=size(u,2);
AS  = exp(-1i*2*pi*cos(90/180*pi)*D');  % BP points to 90 (broadside)
Au  = exp(-1i*2*pi*D'*u);
B   = real(AS'*Au)/N;
G   = 20*log10((abs(B)));

h=polardb(ang,G,-40);

{% endnote %}

图 1-3-4 $d = \lambda/2, N=10$,线阵的 $\left|\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|${width=1000px}

{% note primary MATLAB Code %}

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Figure 2.18
% beam patterns in different spaces
% Lillian Xiaolan Xu
% Last updated 09/07/2000
% updated by K. Bell 7/22/01, 10/4/01
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

clear all
close all

N = 10;
n = (-(N-1)/2:(N-1)/2).';
psi = pi*(-3:0.001:3);
w = 1/N*[ones(N,1)];
d = 1/2;
vv = exp(1i*2*d*n*psi);
B = (abs(w'*vv));

u1=-1;
u2=3;
y1=0;
y2=1;

subplot(4,1,1)
plot(-psi/d,B);
hold on
axis([u1*pi/d u2*pi/d y1 y2])
set(gca,'XTick',[-pi/d 0 pi/d 2*pi/d 3*pi/d])
set(gca,'YTick',[0 0.5 1])
set(gca,'XTickLabel',{'$-\pi/d$';'$0$';'$\pi/d$';'$2\pi/d$';'$3\pi/d$'}, ...
  'TickLabelInterpreter','latex')

grid on
point=0.8;
point_up=0.84;
point_down=0.76;
plot([-pi/d pi/d],[point point],'--')
plot([-1*pi/d -0.9*pi/d],[point point_up])
plot([-1*pi/d -0.9*pi/d],[point point_down])
plot([0.9*pi/d pi/d],[point_up point])
plot([0.9*pi/d pi/d],[point_down point])
text(-0.3*pi/d,1.2,'Visible region')

plot([pi/d 3*pi/d],[point point],'--')
plot([pi/d 1.1*pi/d],[point point_up])
plot([pi/d 1.1*pi/d],[point point_down])
plot([2.9*pi/d 3*pi/d],[point_up point])
plot([2.9*pi/d 3*pi/d],[point_down point])
text(1.7*pi/d,1.2,'Virtual region')
legend({'$k_z$-space'},'Interpreter','latex')

subplot(4,1,2)
plot(psi,B);
hold on
axis([u1*pi u2*pi y1 y2])
set(gca,'XTick',[-pi 0 pi 2*pi 3*pi])
set(gca,'YTick',[0 0.5 1])
set(gca,'XTickLabel',{'$-\pi$';'$0$';'$\pi$';'$2\pi$';'$3\pi$'}, ...
  'TickLabelInterpreter','latex')

grid on
legend({'$\psi$-space'},'Interpreter','latex')

subplot(4,1,3)
plot(psi/pi,B);
hold on
axis([u1 u2 y1 y2])
set(gca,'XTick',[-1 0 1 2 3])
set(gca,'YTick',[0 0.5 1])
grid on
legend({'$u$-space'},'Interpreter','latex')

theta = -180:0.1:360;
vv = exp(1i*2*d*n*pi*cos(theta/180*pi));
B = (abs(w'*vv));
subplot(4,1,4)
plot(theta,B);
hold on
axis([-180 180 y1 y2])
set(gca,'XTick',[-180 -90 0 90 180])
set(gca,'YTick',[0 0.5 1])
set(gca,'XTickLabel',{'$180^\circ$';'$90^\circ$';'$0^\circ$';'$-90^\circ$'; ...
  '$-180^\circ$'},'TickLabelInterpreter','latex')

grid on
legend({'$\theta$-space'},'Interpreter','latex')

set(gcf,'Position',[0 0 800 800])

{% endnote %}

{% note info %}

虽然以上例子比较简单,但是可以用来展示线性阵列的一些重要特征。

{% endnote %}

波束方向图的参数

  波束方向图的重要特征可以使用波束方向图的参数来描述。

  1. 3dB 带宽(半功率波束宽度,half-power beamwidth,HPBW)
  2. 到第一零点的距离(这个距离的两倍称为 $BW_{NN}$)
  3. 到第一旁瓣的距离
  4. 第一旁瓣的高度
  5. 其余零点的位置
  6. 旁瓣衰减的速率
  7. 栅瓣(Grating lobes)

半功率波束宽度

  为了说明前两个参数,考虑在图 1-3-5 中给出的原点附近的波束方向图。

图 1-3-5 波束方向图的主波束{width=700px}

{% note primary MATLAB Code %}

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Figure 2.19
% Main lobe of beam pattern
% Kristine Bell
% Last updated 6/4/01, 10/4/01
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% bp_sect - plots conventional bp with sector

clear all
% close all
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Uniform Linear Array
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
N = 10;                                 % Elements in array
d = 0.5;                                % spacing wrt wavelength
beamwidth = 2/(N*d);                    % null-to-null (LL BW is half this)
D=d*(-(N-1)/2:1:(N-1)/2);               % element locations
u   = -0.45:0.01:0.45;
AS  = exp(-1i*2*pi*D'*0);               % BP points to 0
Au  = exp(-1i*2*pi*D'*u);
B   = real(AS'*Au)/N;                   % BP

h=plot(u,B,'-');
set(h,'LineWidth',1.5)
hold on
% HPBW
I=find(B>=0.707);
plot([u(min(I)-1) u(max(I)+1)],[B(min(I)-1) B(max(I)+1)],'-')
plot(u(min(I)-1)*[1 1],B(min(I)-1)*[1 1]+0.03*[-1 1],'-')
plot(u(max(I)+1)*[1 1],B(max(I)+1)*[1 1]+0.03*[-1 1],'-')
plot([0.03 0.13],[0.72 0.845],'-')
text(0.155,0.84,'$\Delta u_1 = $HPBW','Interpreter','latex');

% BW-NN
plot([-0.2 0.2],[-0.3 -0.3],'-')
plot(-0.2*[1 1],-0.3*[1 1]+0.03*[-1 1],'-')
plot(0.2*[1 1],-0.3*[1 1]+0.03*[-1 1],'-')
text(-0.05,-0.35,'$\Delta u_2 = BW_{NN}$','Interpreter','latex');

% axes
plot([-1 1 ],[0 0],'-')
plot([0 0],[-0 1.1],'-')

% tick marks
plot(-0.4*[1 1],0.03*[-1 1])
plot(-0.2*[1 1],0.03*[-1 1])
plot(0.2*[1 1],0.03*[-1 1])
plot(0.4*[1 1],0.03*[-1 1])

yy = -0.1;
%tick labels
text(-0.45,yy,'$-2\frac{\lambda}{ND}$','Interpreter','latex');
text(-0.21,yy,'$-\frac{\lambda}{ND}$','Interpreter','latex');
text(-0.005,yy,'0','Interpreter','latex');
text(0.18,yy,'$\frac{\lambda}{ND}$','Interpreter','latex');
text(0.38,yy,'$2\frac{\lambda}{ND}$','Interpreter','latex');

text(0.01,1.1,'$B(u)$','Interpreter','latex')
hold off
axis([-0.42 0.42 -0.4 1.2])

set(gca,'Visible','off')

{% endnote %}

  3dB 波束宽度是波束宽度的一个度量。定义为对应 \left| B_u(u) \right|^2 = 0.5 或 \left| B_u(u) \right| = 1/\sqrt{2} 的点。可以通过令波束方向图 $B_u(u)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInDirectionCosineDomain}$)等于 $1/\sqrt{2}$,来求出 u 空间的半功率点。对于 $N\geqslant 10$,通过解下面的方程可以得到一个很好的近似:

$$\begin{equation} \frac{\pi N d}{\lambda} u = 1.4 \end{equation}$$

即有

$$\begin{equation} \label{ApproximationOfHPBW} \Delta u_1 = 0.891 \frac{\lambda}{N d} \end{equation}$$

我们把这个间隔称为**{% label primary @半功率波束宽度(half-power beamwidth,HPBW) %}**。当 N 增加时,式 \eqref{ApproximationOfHPBW} 中的常系数会稍稍减小。对于 $N > 30$,0.886 \lambda/Nd 是一个更好的近似表达式。

  表 1-3-1 中列出了不同空间内 HPBW 的表达式。

表 1-3-1 各个空间的半功率波束宽度
空间 任意 d d=\lambda/2
u 0.891 \frac{\lambda}{Nd} 1.782 \frac{1}{N}
\bar{\theta} 1 2\sin^{-1} \left( 0.446 \frac{\lambda}{Nd} \right) 2\sin^{-1} \left( 0.891 \frac{1}{N} \right)
较小的 \bar{\theta} \simeq 0.891 \frac{\lambda}{Nd} radians
\simeq 51.05 \frac{\lambda}{Nd} degrees
\simeq 1.782 \frac{1}{N} radians
\simeq 102.1 \frac{1}{N} degrees
\psi 0.891 \frac{2\pi}{N} 0.891 \frac{2\pi}{N}
k_z 0.891 \frac{2\pi}{dN} 1.782 \frac{2\pi}{\lambda N}

第一零点波束宽度

  方向图的零点出现在当波束方向图 $B_u(u)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInDirectionCosineDomain}$)的分子为零而分母不为零时,即

$$\begin{equation} \sin \left( \frac{\pi N d}{\lambda} u \right) = 0 \end{equation}$$

成立的条件为

$$\begin{equation} \frac{\pi N d}{\lambda} u = m\pi, \quad m = 1,2,\cdots \end{equation}$$

则出现零点需要满足下面的两个条件:

$$\begin{equation} u = m \frac{\lambda}{Nd}, \quad m = 1,2,\cdots \end{equation}$$

且

$$\begin{equation} u \ne m \frac{\lambda}{d}, \quad m = 1,2,\cdots \end{equation}$$

则第一个零点的位置为 $\lambda/Nd$,即有

$$\begin{equation} \Delta u_2 = 2 \frac{\lambda}{Nd} \end{equation}$$

我们把 \Delta u_2 称为零点-零点波束宽度(null-to-null beamwidth),用 BW_{NN} 表示。 BW_{NN} 的一半是到第一零点的距离 (0.5 BW_{NN}) 。这个量能够衡量阵列分辨两个不同平面波的能力,也称为{% label primary @瑞利限(Rayleigh resolution limit) %}。如果第二个波束方向图的峰值在第一个波束方向图的第一零点之外(间隔 $\geqslant \Delta u_2 / 2$),则认为这两个平面波是可以分辨的。在后面,我们将研究一个阵列的分辨能力的统计性度量。

{% note warning %}

注意到线阵在方位角方向($\varphi$)没有分辨能力,因为该阵列在 x 和 y 方向上没有扩展。我们将在后面详细讨论分辨率的问题。

{% endnote %}

  表 1-3-2中列出了在各个不同空间表示出的 $BW_{NN}$。

表 1-3-2 各个空间的第一零点波束宽度
空间 任意 d d=\lambda/2
u 2 \frac{\lambda}{Nd} \frac{4}{N}
\bar{\theta} 2\sin^{-1} \left( \frac{\lambda}{Nd} \right) 2\sin^{-1} \left( \frac{2}{N} \right)
较小的 \bar{\theta} \simeq 2 \frac{\lambda}{Nd} radians \simeq \frac{4}{N} radians
\psi \frac{4\pi}{N} \frac{4\pi}{N}
k_z \frac{4\pi}{dN} \frac{8\pi}{\lambda N}

旁瓣的位置及其衰减速率

  旁瓣极大值的位置出现在当波束方向图 $B_\psi(\psi)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInWaveNumberDomain}$)中的分子逼近极大值的时候:

$$\begin{equation} \sin \left( \frac{N \psi}{2} \right) = 1 \end{equation}$$

则此时有

$$\begin{equation} \frac{N \psi}{2} = \pm \left( 2m+1 \right)\frac{\pi}{2}, \quad m = 1,2,\cdots \end{equation}$$

也即在 \psi 空间有

$$\begin{equation} \psi = \pm \frac{2m+1}{N}\pi \end{equation}$$

也即在 u 空间有

$$\begin{equation} u = \pm \frac{2m+1}{N}\frac{\lambda}{2d} \end{equation}$$

则第一旁瓣的峰值出现在

$$\begin{equation} \psi = \pm \frac{2\pi}{N} \end{equation}$$

由于在极大值时,波束方向图 $B_\psi(\psi)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInWaveNumberDomain}$)中的分子趋近为 1,因此极大值为

$$\begin{equation} B_\psi \left( \pm \frac{3\pi}{N} \right) \approx \frac{1}{N \sin \left( \frac{3\pi}{2N} \right)} \end{equation}$$

对于较大的 $N$,这个表达式可以进一步近似为

$$\begin{equation} B_\psi \left( \pm \frac{3\pi}{N} \right) \approx \frac{3}{2\pi} \end{equation}$$

计算得 -13.5dB。

{% note warning %}

这意味着一个信号如果在这个旁瓣的位置入射,且比位置在 k_z = 0 的信号大 13.5dB,则这两个信号将产生相同的响应。主要的旁瓣出现在 $k_z = \pm(2m + 1) \pi/Nd$,旁瓣的水平衰减速率为 $1/(2m + 1)$。例如,第二旁瓣的高度为 -17.9dB。在实际中,这种旁瓣水平的分辨能力是不能被接受的,所以很少使用均匀加权。旁瓣控制在确定性阵列和自适应阵列设计中都是特别重要的问题。

{% endnote %}

栅瓣(Grating lobes)

图 1-3-6 阵元间距对波束方向图的影响:(a) $d=\lambda/4$;(b) $d=\lambda/2$;(c) $d=\lambda${width=1000px}

{% note primary MATLAB Code %}

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Figure 2.20
% Effect of element spacing on beam pattern
% Xin Zhang
% Lillian Xu updated 09/2000
% updated by K. Bell 7/22/2001, 10/4/01
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

clear all
close all

N = 10;
n = (-(N-1)/2:(N-1)/2).';
psi = pi*(-3:0.001:3);
w = 1/N*[ones(N,1)];
d = [1/4 1/2 1];

figure
for k =1:length(d)
  vv = exp(1i*2*d(k)*n*psi);
  B(k,:) = 20*log10(abs(w'*vv));
  subplot(3,1,k)
  plot(psi/pi,B(k,:));
  hold on
  plot([-1 -1],[-25 0],'--');
  plot([1 1],[-25 0],'--');
  axis([-3 3 -25 5])
  set(gca,'YTick',[-25 -20 -15 -10 -5 0])
  grid on
  xlabel('$u$','Interpreter','latex')
  if k == 1
    plot([-1 1],[2.5 2.5])
    plot([-1 -0.9],[2.5 0.5])
    plot([-1 -0.9],[2.5 4.5])
    plot([0.9 1],[0.5 2.5])
    plot([0.9 1],[4.5 2.5])
    text(-0.4,7,'Visible region')
  end
  hold off
end

set(gcf,'Position',[0 0 800 600])

{% endnote %}

  在图 1-3-6 中,针对多种 d/\lambda 的值,画出了 $\left| \boldsymbol{\varUpsilon}u(u) \right|$。图中说明了“栅瓣”这个重要的概念,即和主波束一样高的波瓣。栅瓣发生在当波束方向图 $B\psi(\psi)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInWaveNumberDomain}$)中的分子和分母均为零的时候。栅瓣出现的间隔为

$$\begin{equation} \frac{\psi}{2} = m \cdot \pi \end{equation}$$

也即

$$\begin{equation} \psi = m \cdot 2 \pi \end{equation}$$

也即

$$\begin{equation} u = m \cdot \frac{\lambda}{d} \end{equation}$$

  如果阵列的间距大于 $\lambda$,则栅瓣的峰值出现在信号传播区域以内,即在 \left| u \right| \leqslant 1 的区域以内。这里就会出现峰值响应模糊的问题,只有当我们对信号的入射方向有先验信息的时候,才可能解决这个问题。

  下一节将讨论阵列调向的问题,阵列调向使得在 u 空间的频率-波数响应函数 \left| \boldsymbol{\varUpsilon}_u(u) \right| 发生平移,这种平移导致栅瓣进入了可视区域以内。我们发现,如果阵列需要的调向范围为 0^\circ \leqslant \theta \leqslant 180^\circ 则需要

$$\begin{equation} \frac{d}{\lambda} \leqslant \frac{1}{2} \end{equation}$$

也即

$$\begin{equation} \lambda \leqslant \frac{\lambda}{2} \end{equation}$$

  通常,我们考虑满足 d \leqslant \lambda/2 的阵列,并假设需要在整个球内进行调向。我们把满足 d = \lambda/2 的均匀线阵称为**{% label primary @标准线阵(standard linear array) %}**。

{% note info %}

在时间序列分析中,当对时域波形欠采样时,会出现混迭问题。栅瓣的问题和时域混迭问题是等同的。

{% endnote %}

参考文献

  1. Harry L. Van Trees. Optimum array processing: Part IV of detection, estimation, and modulation theory. New York, NY, USA: John Wiley & Sons, 2002.
  2. Harry L. Van Trees, 汤俊. 最优阵列处理技术. 北京:清华大学出版社. 2008.

  1. 侧射角(broadside angle)的定义为 \bar{\theta} = \pi/2 - \theta ↩︎