考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于陣列信號處理領(lǐng)域，特別涉及信源方位信息存在偏差的陣列位置誤差校正的方法，對陣列位置誤差進行精確校正。本發(fā)明采用單信源校正，但接收陣列可精密旋轉(zhuǎn)，達到多個信源獨立分時校正的效果，從而獲得大量樣本；先采用最小二乘擬合估計信源導(dǎo)向矢量的相位，再采用剔野的方式剔除某些相位擬合誤差較大的陣元數(shù)據(jù)，進而再次采用最小二乘擬合估計相位，得到信源方位信息；最后采用最小二乘法校正陣元位置誤差。應(yīng)用本發(fā)明的校正陣元位置誤差的方法，可以很準確的校正陣元位置誤差，方法簡單，而且很適合實際工程使用。
【專利說明】考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陣列信號處理領(lǐng)，具體涉及一種考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]信號波達方向(DOA)估計在雷達、通信、聲吶等眾多領(lǐng)域都有極為廣闊的應(yīng)用。以多重信號分類(MUSIC)算法為代表的譜估計算法都具有很高的分辨力和估計精度，其前提是精確已知陣列流型。受各種非理想因素(機械加工誤差、接收通道不一致性、陣元互耦等)的影響，陣列流型往往會出現(xiàn)一定程度上的偏差和擾動，就會使高分辨譜估計算法的性能嚴重惡化，甚至失效。限于當(dāng)前的工藝水平，單純從硬件設(shè)計制作方面去克服模型誤差存在很大困難，陣列誤差的估計成為角度測量急需解決的一個難題。
[0003]現(xiàn)有的陣列校正方法通常可以分為自校正類(見文獻:Direction findingin the presence of mutual coupling, Friedlander B,Weiss A J ； IEEE Trans,on AP, 1991,39 (3):273-284 ；A Bayesian approach to autocalibration forparametric array signal processing, Viberg M ；Swindlehurst A L.；IEEE Trans.0nSP, 1994, 42(12):3495-3507)和有源校正類(見文獻:一種陣列天線陣元位置、幅度及相位誤差的有源校正方法，賈永康，保錚，吳??；電子學(xué)報，1996，24(3):47-52 ;Sensorarray calibration in the presence of mutual coupling and unknown sensor gains andphases, See C M S Electronics Letters, 1994，30(5):373-374)。自校正類方法通常將空間信源的方位與陣列的擾動參數(shù)根據(jù)某種優(yōu)化函數(shù)進行聯(lián)合估計。陣列校正可以不需要方位已知的輔助信源，而且可以在實際方位估計時在線完成。但是，信源方位和陣列誤差參數(shù)之間往往相互耦合，使得自校正中參數(shù)估計的可辨識性很難得到保證(Spatialsignature estimation for uniform linear arrays with unknown receiver gains andphases [J]，ASTELY D, SffINDLEHURST A, OTTERSTEN B.1EEE Transactions on Signal Processing, 1999，47(8):2128-2138)。有源校正通過設(shè)置方位精確已知的輔助信源來對陣列擾動參數(shù)進行離線估計，是目前比較實用的方法。
[0004]最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，是一種實用的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。當(dāng)后驗概率密度函數(shù)為對稱于后驗均值的單峰密度函數(shù)時，最小均方誤差估計是眾多類型代價函數(shù)的最佳估計(見文獻:信號的統(tǒng)計檢測與估計理論(第二版)，李道本)。最小二乘法的運用非常廣泛，尤其是在直線或曲線擬合方面。最小二乘方法也運用于陣元幅相誤差或位置誤差的估計中(見文獻:基于最小二乘的陣元位置誤差校正及性能分析，楊志偉，廖桂生；系統(tǒng)工程與電子技術(shù)2007，29(2):167-169.)。
[0005]陣元位置誤差使陣列導(dǎo)向矢量出現(xiàn)方位依賴特征，因此基于有源校正的方法往往需要多個獨立的校正信源；輔助信源位置的準確性也會影響位置誤差校正的結(jié)果；此外，當(dāng)某些陣元位置存在較大誤差時信源波達角估計會出現(xiàn)較大偏差，這些問題的存在使已有的陣元位置誤差校正方法很難滿足工程實際的需求。[0006]注意到很多相控陣陣列均安裝于可以精密旋轉(zhuǎn)的基座上，固定單一校正源而自身進行旋轉(zhuǎn)，就可以改變陣面法線和校正源的相對角度，等效于獲得大量虛擬的分時工作多校正源接收數(shù)據(jù)，為提高陣元位置校正精度帶來了機會。當(dāng)然，旋轉(zhuǎn)基座的定角精度也會影響到最終的校正精度，需要采用專門的措施消除其帶來的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提出一種考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，對陣列位置誤差進行精確校正。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，包括以下步驟:
[0010]a.通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，使位于轉(zhuǎn)臺上的陣列天線連續(xù)轉(zhuǎn)動J個角度，獲得在每個角度下陣列天線接收到的樣本數(shù)據(jù)；
[0011]b.根據(jù)樣本數(shù)據(jù)計算得到信號源導(dǎo)向矢量的相位序列；
[0012]c.對計算得到的信號源導(dǎo)向矢量的相位序列進行預(yù)處理，并對信號源的方位角度進行校正；
[0013]d.利用校正后的信號源的方位角度對陣元位置誤差進行校正，計算陣元位置誤差引起的相位誤差；
[0014]e.將計算得到的相位誤差補償?shù)疥嚵刑炀€的每一個陣元。
[0015]進一步,步驟a具體包括:
[0016]將M個陣元的均勻線陣置于可精密旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，使天線連續(xù)轉(zhuǎn)動J個角度Θ j (j = 1，…J)，獲得每個角度的樣本數(shù)據(jù)Xj (t)。
[0017]進一步,步驟b具體包括:
[0018]利用樣本數(shù)據(jù)計算接收信號的協(xié)方差矩陣Rj:
[0019]Rj = E [Xj (t) X/(t)]
[0020]對上述計算得到的協(xié)方差矩陣進行特征分解，得到歸一化的信號源導(dǎo)向矢量的估計值a(θj)= e/e1，其中e為R的最大特征值對應(yīng)的特征矢量，ei為e的第一個元素，進一步

計算得到信號源導(dǎo)向矢量的相位序列= angle (a ( θ p)。
[0021]進一步，步驟c中所述對計算得到的信號源導(dǎo)向矢量的相位序列進行預(yù)處理的方法為:
[0022]Φ j = [ Φ u, Φ2Ρ …，Φ。，…，(J)mj] (i = I,...，M),以第一個元為參考陣元，Φυ =


O ;當(dāng)i>l時，陣元間相位間隔的均值為:
【權(quán)利要求】
1.考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，其特征在于，包括以下步驟: a.通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，使位于轉(zhuǎn)臺上的陣列天線連續(xù)轉(zhuǎn)動J個角度，獲得在每個角度下陣列天線接收到的樣本數(shù)據(jù)； b.根據(jù)樣本數(shù)據(jù)計算得到信號源導(dǎo)向矢量的相位序列； c.對計算得到的信號源導(dǎo)向矢量的相位序列進行預(yù)處理，并對信號源的方位角度進行校正； d.利用校正后的信號源的方位角度對陣元位置誤差進行校正，計算陣元位置誤差引起的相位誤差； e.將計算得到的相位誤差補償?shù)疥嚵刑炀€的每一個陣元。
2.如權(quán)利要求1所述的考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，其特征在于，步驟a具體包括: 將M個陣元的均勻線陣置于可精密旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，使天線連續(xù)轉(zhuǎn)動J個角度QjU = 1，....!)，獲得每個角度的樣本數(shù)據(jù)Xj (t)。
3.如權(quán)利要求2所述的考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，其特征在于， 步驟b具體包括: 利用樣本數(shù)據(jù)計 算接收信號的協(xié)方差矩陣Rj:
Rj = E [Xj (t) X/⑴] 對上述計算得到的協(xié)方差矩陣進行特征分解，得到歸一化的信號源導(dǎo)向矢量的估計值 ，其中e為R的最大特征值對應(yīng)的特征矢量，ei為e的第一個元素，進一步計算
eI得到信號源導(dǎo)向矢量的相位序列Φ j = angle (a ( θ」))。
4.如權(quán)利要求3所述的考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，其特征在于，步驟c中所述對計算得到的信號源導(dǎo)向矢量的相位序列進行預(yù)處理的方法為: Φ」=[Φ U, Φ2」.，…，Φ^.,…，Φυ.] (i = I, *..,Μ)，以第一個元為參考陣元，Φυ = O ;當(dāng)

M-1i>l時，陣元間相位間隔的均值為:丄V (/ + l)i' _ ^ii j
Φ.二 -
J~m tnM -1，

^ (?—\)Φ.— φ.、 ?1.=徹.round -)丨 mcan lj +φ,lJIv 360。 J "。
5.如權(quán)利要求4所述的考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，其特征在于，步驟c中所述對信號源的方位角度進行校正的方法為: 對預(yù)處理后的各個通道的相位數(shù)據(jù)進行最小二乘法求解，得到相位變化率kj:
6.如權(quán)利要求5所述的考慮信源方位誤差的陣列位置誤差校正方法，其特征在于，步驟d具體包括: 對于第i個陣元，用經(jīng)過預(yù)處理后的相位數(shù)據(jù)以及經(jīng)過校正后的信源方位角度Θ j(j=1，…J)得到超定方程的系數(shù)矩陣

【文檔編號】G01S3/10GK104007413SQ201410174084
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】李軍, 王珍, 曹東凱, 陳克微, 劉紅明, 何子述, 段翔 申請人:電子科技大學(xué)