基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法技术

本发明专利技术提出了一种基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，用于解决现有机翼共形阵列幅相误差校正方法中存在稳定性低、实时性差的技术问题，实现步骤为：由接收数据计算协方差矩阵并进行特征分解，计算白噪声功率与噪声子空间；由协方差矩阵计算共形阵列的幅度误差矩阵；利用幅度误差矩阵拟合出机翼变形曲线；利用机翼变形曲线计算共形阵列的相位误差矩阵，并结合幅度误差矩阵计算共形阵列响应矩阵，搜索MUSIC谱得到波达方向估计角度；计算代价函数，最后输出满足收敛条件时的波达方向估计结果。本发明专利技术不需要少数精确已校正阵元，有效避免产生更多的系统误差，稳定性高，并且以波达方向作为优化变量，计算速度快，实时性好。

Amplitude and phase error correction method of conformal array based on wing deformation fitting

The present invention provides a method for correction of conformal array amplitude and phase errors of wing deformation based on fitting, to solve the existing wing conformal correction method of array amplitude and phase errors existing in the technical problems of low stability and poor real-time, implementation steps: data received by calculating the covariance matrix and eigenvalue decomposition, computing the white noise power and the noise subspace; calculate the amplitude error matrix of conformal array by using the amplitude error covariance matrix; matrix fitting wing deformation curve; the wing deformation curve of the phase error matrix calculation of conformal array, and calculate the conformal array response matrix combined with amplitude error matrix, search MUSIC spectrum estimation of DOA angle computation cost; the final output function, the estimation results satisfy the convergence condition of the direction of arrival. The invention does not need a few accurate correcting array elements, effectively avoids generating more system errors, has high stability, and takes the direction of arrival as the optimization variable, and has the advantages of fast calculation speed and good real-time performance.

【技术实现步骤摘要】
基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法
本专利技术属于信号处理
，涉及均匀线阵的振动误差校正方法，具体涉及一种基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，可用于飞机翼面发生振动时机翼共形阵列进行波达方向估计。
技术介绍
共形阵列天线为阵列单元附着于非平面载体上面，形成载体上的灵巧蒙皮。相比传统的面阵，共形阵列具有优良的空气动力学性能、更宽的波束扫描范围以及更小的雷达散射面积等特性，并广泛用于导弹、火箭、飞机和舰船等。由于载体结构不稳定以及安装误差影响，阵列单元会发生位置偏移，产生阵列幅相误差，引起共形阵列波束宽度、增益等性能严重下降。为保证共形阵列正常工作，需要对共形阵列的幅相误差进行校正，常见的校正方法包括自校正方法和有源校正方法两种。有源校正方法需要方位已知的信号源，但是实际工作中的信号源已知方位往往与真实值存在一定偏差，导致校正稳定性不理想，并且该方法不能对方位依赖的幅相误差进行校正。自校正方法一般通过联合估计阵列误差参数和信号方位实现校正，不需要已知信号源的方位，可以实现对方位依赖的幅相误差进行校正。当载体为机翼表面时，由于受到自身或外界因素影响，结构表面会发生振动变形，引起方位依赖的阵列幅相误差。由机翼振动引起的共形阵列幅相误差具有以下特点：1.机翼形变较大，容易产生2π模糊，并且阵元距离机翼根部越远，幅相误差越大。2.阵列位置发生变化，会产生相位误差；如果阵元是定向天线，当阵元波束指向发生偏移，由于阵元不同方向增益不同，将产生幅度误差。对于由机翼振动引起的共形阵列幅相误差，普遍使用自校正方法进行校正。自校正方法一般可以分为两类：一类方法为采用由几个精确已校正的阵元和未校正阵元组成部分校正阵列，来实现对幅相误差的校正，这种部分校正阵列方法不能保证所有情况下都可以预先设置几个精确已校正阵元，当已校正阵元存在误差时，该方法的校正效果将严重下降，所以稳定性不高。另一类自校正方法采用联合估计阵列误差参数方法，以幅相误差矢量作为优化变量，待优化空间大、收敛速度慢的缺点，导致算法的实时性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，用于解决现有机翼共形阵列幅相误差校正方法中存在稳定性低和实时性差的技术问题。本专利技术的技术思路是：首先计算协方差矩阵并进行特征分解，其次计算白噪声功率与噪声子空间，由协方差矩阵计算共形阵列中阵元的幅度误差矩阵，通过幅度误差矩阵拟合出机翼变形曲线，并计算共形阵列存在的相位误差矩阵，再结合幅度误差矩阵得到共形阵列响应矩阵，从而搜索MUSIC谱得到波达方向估计角度，计算代价函数，最后输出满足收敛条件时的波达方向估计结果。根据上述思路，实现本专利技术目的采取的技术方案包括如下步骤：(1)假设探测区域内信号源数N为1，共形阵列参考单元的偏移角度φ1为零或已知，利用接收数据计算协方差矩阵R，并对该协方差矩阵R进行特征分解，得到白噪声功率σ2和噪声子空间UN，其中协方差矩阵的表达式为：其中，K为接收数据的快拍数，x(t)为第t次快拍的接收数据，(·)H为接收数据矩阵取共轭转置；(2)利用协方差矩阵R和白噪声功率σ2，计算共形阵列中阵元的相对接收强度并由计算得到的共形阵列中阵元的相对接收强度构建对角化矩阵，该矩阵即共形阵列的相对幅度误差矩阵(3)设定迭代序数变量j、第j次迭代中波达方向估计角度θj和代价函数Jj，并对序数变量j、波达方向估计角度θj以及代价函数Jj进行初始化，使j＝1，θ1＝0，J1＝0；(4)由波达方向估计角度θj计算共形阵列参考阵元的绝对接收强度F(1)，再利用共形阵列参考阵元的绝对接收强度F(1)计算共形阵列的绝对幅度误差矩阵F，并利用共形阵列的绝对幅度误差矩阵F计算共形阵列中阵元的偏移角度φ1,φ2,…,φM；(5)利用共形阵列中阵元的偏移角度φ1,φ2,…,φM，计算共形阵列中阵元的偏移斜率ρ1ρ2…ρM，并根据计算出的共形阵列中阵元的偏移斜率ρ1ρ2…ρM，利用多项式曲线拟合算法拟合出共形阵列的斜率曲线f(x)，再对拟合出的共形阵列的斜率曲线f(x)进行积分，得到共形阵列的变形曲线F(x)，最后利用积分得到的共形阵列的变形曲线F(x)，计算共形阵列中阵元的偏移量矢量y；(6)根据计算出的共形阵列中阵元的偏移量矢量y，计算共形阵列的相位误差矩阵W，并根据共形阵列的相位误差矩阵W，得到变形后共形阵列的响应矩阵Γ(θj)A(θj)，将该响应矩阵Γ(θj)A(θj)代入MUSIC谱函数，搜索MUSIC谱，得到波达方向估计角度θj+1；(7)利用波达方向估计角度θj+1计算代价函数，将代价函数的值代入收敛条件，判断收敛条件是否满足，若是，则代表共形阵列幅相误差校正完成，输出波达方向估计角度θj+1；否则，令j＝j+1，执行步骤(4)。本专利技术相对于现有技术，具有以下优点：1)本专利技术利用单信号源在接收端产生的幅度误差信息，拟合出阵列变形的形态曲线，从而对共形阵列的幅相误差进行校正，不需要少数精确已校正阵元，有效避免产生更多的系统误差，与现有的共形阵列幅相误差校正技术中借助若干精准已校正的阵元的自校正方法相比，提高了幅相误差校正的稳定性。2)本专利技术采用曲线拟合方法，以波达方向估计角度作为优化变量，与现有的共形阵列幅相误差校正技术中联合估计阵列误差参数的自校正方法相比，待优化空间小，收敛次数少，因此计算速度快，实时性好。3)本专利技术采用曲线拟合方法，以波达方向估计角度作为优化变量对共形阵列幅相误差校正，并在最后输出波达方向估计角度，本专利技术可以通过分析波达方向的估计精度对共形阵列幅相误差校正效果进行判断，从实验仿真结果可以看出，在不同变形形态、不同波达方向情况下，本专利技术方法得到的波达方向估计角度误差一般维持在0.2°范围内，因而本专利技术对共形阵列幅相误差校正具有很好的校正效果，极大改善了存在幅相误差时的波达方向估计精度。附图说明图1为本专利技术的实现流程框图；图2为本专利技术在一个振动周期内不同信号源入射方向的波达方向估计仿真图；图3为本专利技术进行300次蒙特卡洛实验的波达方向估计仿真图。具体实施方式：以下结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细说明。参照图1，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，计算协方差矩阵R并对协方差矩阵R进行特征分解，计算白噪声功率σ2与噪声子空间UN。步骤1a假设探测区域内信号源数N为1，共形阵列参考单元偏移角度φ1为零或已知，利用接收数据估计协方差矩阵R，并对该协方差矩阵R进行特征分解，得到接收系统的白噪声功率σ2和噪声子空间UN，其中协方差矩阵的表达式为：其中，K为接收数据的快拍数，x(t)为第t次快拍的接收数据，(·)H表示取共轭转置；步骤1b对协方差矩阵R进行特征分解，并分解成特征值与特征向量累加的形式，将特征值从大到小排列：其中M为阵元数，λi为协方差矩阵R的特征值，αi为在协方差矩阵中特征值λi对应的特征向量。步骤1c由于信号源数目N＝1，协方差矩阵R的特征值λ2,λ3,…λM对应协方差矩阵R的噪声空间中系统的白噪声功率。使用特征值λ2,λ3,…λM的算术平均值表示白噪声功率σ2：σ2＝(λ2+λ3…+λM)/(M-1)<4>步骤1d定义协方差矩阵R的特征值λ2,λ3,…λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，包括如下步骤：(1)假设探测区域内信号源数N为1，共形阵列参考单元的偏移角度φ

【技术特征摘要】
1.一种基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，包括如下步骤：(1)假设探测区域内信号源数N为1，共形阵列参考单元的偏移角度φ1为零或已知，利用接收数据计算协方差矩阵R，并对该协方差矩阵R进行特征分解，得到白噪声功率σ2和噪声子空间UN，其中协方差矩阵的表达式为：其中，K为接收数据的快拍数，x(t)为第t次快拍的接收数据，(·)H为接收数据矩阵取共轭转置；(2)利用协方差矩阵R和白噪声功率σ2，计算共形阵列中各阵元的相对接收强度并由计算得到的共形阵列中各阵元的相对接收强度构建对角化矩阵，该矩阵即共形阵列的相对幅度误差矩阵(3)设定迭代序数变量j、第j次迭代中波达方向估计角度θj和代价函数Jj，并对序数变量j、波达方向估计角度θj以及代价函数Jj进行初始化，使j＝1，θ1＝0，J1＝0；(4)由波达方向估计角度θj计算共形阵列参考阵元的绝对接收强度F(1)，再利用共形阵列参考阵元的绝对接收强度F(1)计算共形阵列的绝对幅度误差矩阵F，并利用共形阵列的绝对幅度误差矩阵F计算共形阵列中各阵元的偏移角度φ1,φ2,…,φM；(5)利用共形阵列中各阵元的偏移角度φ1,φ2,…,φM，计算共形阵列中各阵元的偏移斜率ρ1ρ2…ρM，并根据计算出的共形阵列中各阵元的偏移斜率ρ1ρ2…ρM，利用多项式曲线拟合算法拟合出共形阵列的斜率曲线f(x)，再对拟合出的共形阵列的斜率曲线f(x)进行积分，得到共形阵列的变形曲线F(x)，最后利用积分得到的共形阵列的变形曲线F(x)，计算共形阵列中阵元的偏移量矢量y；(6)根据计算出的共形阵列中阵元的偏移量矢量y，计算共形阵列的相位误差矩阵W，并根据共形阵列的相位误差矩阵W，得到变形后共形阵列的响应矩阵Γ(θj)A(θj)，将该响应矩阵Γ(θj)A(θj)代入MUSIC谱函数，搜索MUSIC谱，得到波达方向估计角度θj+1；(7)利用波达方向估计角度θj+1计算代价函数，将代价函数的值代入收敛条件，判断收敛条件是否满足，若是，则代表共形阵列幅相误差校正完成，输出波达方向估计角度θj+1；否则，令j＝j+1，执行步骤(4)。2.根据权利要求1所述的基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，其特征在于，步骤(2)中所述的共形阵列的相对幅度误差矩阵其获取步骤为：2a)利用协方差矩阵R与白噪声功率σ2，计算共形阵列中各阵元的相对接收强度计算公式为：其中，Ri,i为协方差矩阵R第i个对角元素，M为共形阵列阵元数目；2b)将共形阵列中各阵元的相对接收强度通过下式构建共形阵列的相对幅度误差矩阵其中，diag(·)表示由序列构建对角化矩阵。3.根据权利要求1所述的基于机翼形变拟合的共形阵列幅相误差校正方法，其特征在于，步骤(4)中所述的计算共形阵列中各阵元的偏移角度φ1,φ2,…,φM，其实现步骤为：4a)利用波达方向估计角度θj，计算共形阵列参考阵元的绝对接收强度F(1)：F(1)＝f(θj+φ1)，<3>其中，φ1为共形阵列参考阵元的偏移角度；4b)利用共形阵列参考阵元的绝对接收强度F(1)和共形阵列的相对幅度误差矩阵根据计算共形阵列的绝对幅度误差矩阵F；4c)利用共形阵列的绝对幅度误差矩阵F，计算信号源相对于共形阵列中各阵元的波达方向η1,η2,…ηM，其计算公式为：ηi＝f-1(Fi,i),i＝1,2,…,M，<4>其中，Fi,i表示共形阵列的绝对幅度误差矩阵F的第i个对角...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文涛，杜文豪，徐艳红，雷亚杰，崔灿，史小卫，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61