一种基于可视化阵列天线的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可视化阵列天线的测量方法。通过CMOS图像传感器固定位置拍摄信号源的图像，通过图像分析处理获得信号源坐标信息；采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收天线电流的相位差信息，最后利用相位差信息和坐标信息相结合建立关联关系，利用关联关系对待测信号源采集获得的相位差信息进行处理，获得信号源的位置，实现了信号源的定位测量。本发明专利技术能实现对图像中多个信号源位置的定位和校准，可应用神经网络算法实现对图像中任意位置的信号源测向及定位。

A measurement method based on visual array antenna

【技术实现步骤摘要】
一种基于可视化阵列天线的测量方法
本专利技术公开了一种可视化阵列天线的信号源定位测量方法，其中涉及了两种实现可视化阵列天线测向/校准的方式。
技术介绍
传统的定位方法包括旋转或切换有向天线、Watson-Watt测向法、到达时差法(TDOA)、和差分析、多普勒分析(Doppler)以及应用在更为复杂的相控阵系统和多输入多输出(MIMO)系统中的多信号分类(MUSIC)、基于旋转不变性的信号参数估计(ESPRIT)、最大似然估计(MLE)等波达方向角估计(DOA)方法。但是这些方法在应用过程中均存在一定的局限性。例如，当阵列天线单元间耦合效应较大时，上述定位方法难以将耦合分量分离，为精确定位带来极大的困难。另外，在复杂的环境中，电磁波由于建筑、大地、树木等的反射，使得阵列天线接收到的信号存在多径效应，更难以实现有效定位。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术公开了一种用于测向的可视化阵列天线校准测量方法。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术通过CMOS图像传感器固定位置拍摄信号源的图像，并实时显示信号源在图像中的位置，通过图像分析处理获得信号源在图像中的视角坐标或者像素坐标(pi,pj)，作为坐标信息；另外采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收天线电流的相位差信息，即信号源发出的电磁波信号入射到阵列天线单元被接收时的相位值其中L表示基于阵列天线的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，是阵列天线中的第1个阵列天线单元接收到的信号相位，是阵列天线中的第2个阵列天线单元接收到的信号相位，是阵列天线中的第L个阵列天线单元接收到的信号相位；信号相位检测系统将所有阵列天线单元上的接收电流相位进行归一化处理获得相位差信息；最后利用相位差信息和坐标信息相结合建立关联关系，利用关联关系对待测信号源采集获得的相位差信息进行处理，获得信号源的位置，实现了信号源的定位测量，进而用该位置对信号源所需的系统内部进行校准。本专利技术根据信号源发出的电磁波信号入射到阵列天线时的相位信息以及信号源在图像传感器所采集图像中的像素或视角坐标相结合，实现可视化阵列天线的测向校准过程。所述的测向校准过程包含两种方式。第一种测向方法，方法包括：1)将CMOS图像传感器拍摄信号源采集的图像划分为Li×Lj个网格，网格的交叉点和角点为网格点，每个网格点根据CMOS图像传感器的空间位置获得视角坐标或像素坐标(pi,pj)，作为坐标信息；所述的像素坐标(pi,pj)是在信号源在图像坐标系下图像中的位置坐标，图像坐标系是以图像左上角为原点、以图像水平方向作为x轴，以图像竖直方向作为y轴的二维坐标，pi,pj分别为信号源在图像中的位置处于的x轴和y轴坐标。所述的视角坐标是在信号源在视角坐标系下的相对于CMOS图像传感器光心的图像位置坐标，视角坐标系是以CMOS图像传感器的光心为原点、以过成像面中心的水平方向作为x轴，以过成像面中心的竖直方向作为y轴、以CMOS图像传感器的光心和成像面中心连线作为z轴的三维坐标，成像面即为图像两者重合，θc为信号源在图像中位置向x轴作投影的投影点到CMOS图像传感器光心的连线与成像面中心到CMOS图像传感器光心的连线之间的夹角，为信号源在图像中位置向y轴作投影的投影点到CMOS图像传感器光心的连线与成像面中心到CMOS图像传感器光心的连线之间的夹角。2)将信号源布置在不同网格点上分别进行测量，通过基于阵列天线的信号相位检测系统同步获得各个校准相位差信息；信号源每在一个网格点上时，信号源发出的电磁波信号入射到阵列天线单元被接收时的接收电流相位为L表示基于阵列天线的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，然后采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接受电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为可作为一组校准相位差信息；信号源每在一个网格点上均具有上述校准相位信息；3)对于待测信号源，通过基于阵列天线的信号相位检测系统采集获得其相位差信息；基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测信号源发出的电磁波信号入射到阵列天线单元被接收时的接收电流相位间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，分别为作为待测信号源的相位差信息；4)将待测信号源的相位差信息输入到以下相关系数公式中进行计算，匹配得到相关系数最大的网格点是信号源所在的图像位置，扫描整个图像校准空间，以相关系数C最大时相位信息所对应的网格点的坐标信息为待测信号源的位置：其中，表示待测信号源的相位差信息中的第i个相位差，表示校准相位差信息中的第i个相位差。第二种测向方法，方法包括：1)将CMOS图像传感器拍摄信号源采集的图像划分为Li×Lj个网格，网格的交叉点和角点为网格点，每个网格点根据CMOS图像传感器的空间位置获得视角坐标或像素坐标(pi,pj)，作为网格点的坐标信息；2)将信号源布置在不同网格点上分别进行测量，通过基于阵列天线的信号相位检测系统同步获得各个校准相位差信息；信号源每在一个网格点上时，信号源发出的电磁波信号入射到阵列天线单元被接收时的接收电流相位为L表示基于阵列天线的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，然后采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为可作为一组校准相位差信息；信号源每在一个网格点上均具有上述校准相位信息；3)建立校准模型，以步骤1)获得各个网格点的坐标信息或基于坐标信息进行构造的复数向量Vn作为校准模型的输出，以步骤2)获得信号源在各个网格点的校准相位差信息或基于相位差信息进行构造的复数向量I'n作为校准模型的输入，采用反向传播算法进行训练处理，获得训练后的校准模型；具体实施的校准模型采用基于反向传播算法的实数和复数形式的神经网络，模型结构是包含输入层、隐藏层、输出层的三层神经网络。对于实数形式的神经网络，在输入层中输入信号源在各个网格点的校准相位差信息，隐藏层用于提升神经网络的学习及拟合能力，在输出层中输出各个网格点的坐标信息。对于复数形式的神经网络，在输入层中输入信号源在各个网格点的校准相位差信息的复数形式隐藏层用于提升神经网络的学习及拟合能力，在输出层中输出包含各个网格点坐标信息的复数向量Vn＝[V1,V2,...,VL]T。4)对于待测信号源，通过基于阵列天线的信号相位检测系统采集获得其相位差信息；信号源发出的电磁波信号入射到阵列天线单元被接收时的接收电流相位为然后采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可视化阵列天线的测量方法，其特征在于：通过CMOS图像传感器(21)固定位置拍摄信号源(1)的图像，通过图像分析处理获得信号源(1)坐标信息；另外采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收天线电流的相位差信息，即信号源(1)发出的电磁波信号被接收时的相位值

【技术特征摘要】
1.一种基于可视化阵列天线的测量方法，其特征在于：通过CMOS图像传感器(21)固定位置拍摄信号源(1)的图像，通过图像分析处理获得信号源(1)坐标信息；另外采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收天线电流的相位差信息，即信号源(1)发出的电磁波信号被接收时的相位值其中L表示基于阵列天线的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，是阵列天线中的第1个阵列天线单元接收到的信号相位，是阵列天线中的第2个阵列天线单元接收到的信号相位，是阵列天线中的第L个阵列天线单元接收到的信号相位；最后利用相位差信息和坐标信息相结合建立关联关系，利用关联关系对待测信号源(1)采集获得的相位差信息进行处理，获得信号源(1)的位置，实现了信号源(1)的定位测量。


2.根据权利要求1所述的一种基于可视化阵列天线的测量方法，其特征在于：方法包括：
1)将CMOS图像传感器(21)拍摄信号源(1)采集的图像划分为Li×Lj个网格，网格的交叉点和角点为网格点，每个网格点根据CMOS图像传感器(21)的空间位置获得视角坐标或像素坐标(pi,pj)，作为坐标信息；
2)将信号源(1)布置在不同网格点上分别进行测量，通过基于阵列天线的信号相位检测系统同步获得各个校准相位差信息；信号源(1)每在一个网格点上时，信号源(1)发出的电磁波信号被接收时的接收电流相位为L表示基于阵列天线的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，然后采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接受电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为可作为一组校准相位差信息；
3)对于待测信号源，通过基于阵列天线的信号相位检测系统采集获得其相位差信息；
基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测信号源(1)发出的电磁波信号被接收时的接收电流相位间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，分别为作为待测信号源的相位差信息；
4)将待测信号源的相位差信息输入到以下相关系数公式中进行计算，扫描整个图像校准空间，以相关系数C最大时相位信息所对应的网格点的坐标信息为待测信号源的位置：



其中，表示待测信号源的相位差信息中的第i个相位差，表示校准相位差信息中的第i个相位差。


3.根据权利要求1所述的一种基于可视化阵列天线的测量方法，其特征在于：
方法包括：
1)将CMOS图像传感器(21)拍摄信号源(1)采集的图像划分为Li×Lj个网格，网格的交叉点和角点为网格点，每个网格点根据CMOS图像传感器(21)的空间位置获得视角坐标或像素坐标(pi,pj)，作为网格点的坐标信息；
2)将信号源(1)布置在不同网格点上分别进行测量，通过基于阵列天线的信号相位检测系统同步获得各个校准相位差信息；信号源(1)每在一个网格点上时，信号源(1)发出的电磁波信号被接收时的接收电流相位为L表示基于阵列天线的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，然后采用基于阵列天线的信号相位检测系统实时检测接收电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余L-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为可作为一组校准相位差信息；
3)建立校准模型，以步骤1)获得各个网格点的坐标信息或基于坐标信息进行构造的复数向量Vn作为校准模型的输出，以步骤2)获得信号源(1)在各个网...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33