适用于均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向方法技术

一种适用于均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向方法，该方法利用阵列信号处理技术同时对圆阵互耦误差及信源入射角进行估计，它包括以下步骤：采集各通道接收的数据，并将其存储到系统内存中；对各通道接收的数据作自适应均衡处理；将经过自适应均衡处理后的数据生成阵列协方差矩阵，并对协方差矩阵进行特征分解，得到由小特征向量组成的噪声子空间；利用子空间原理构造代价函数：利用上述构造的代价函数进行方位角的估计和互耦误差的计算，实现均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向；利用得到的互耦误差对均匀圆阵的阵列导向矢量进行校正。本发明专利技术可广泛应用于雷达、通信等领域内均匀圆阵的阵列互耦校正和信号源的高精度定位，具有实际推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达、通信
，涉及该领域一种空间谱估计信号处理方法，具体地说，本专利技术涉及一种适用于均匀圆阵天线多通道雷达信号处理系统中阵列互耦校正与信源测向的方法。
技术介绍
空间谱估计被广泛应用于雷达、声纳、通信、地震勘探等领域，是提高参数估计性能的一种关键技术。但当空间阵列存在误差时，空间谱估计的性能会严重下降，甚至无法使用，所以阵列误差是影响空间谱估计性能的一个重要因素。与其它阵列误差相比，阵元间的互耦效应与阵列的电磁特性密切相关，由于其复杂性，其校正与补偿一直未找到简单有效的解决方法。早期的互耦计算是通过电磁测量或矩量法对互耦进行电磁计算，然而阵元互耦常随环境和电磁参数的变化而变化，其测量值或计算精度往往不能满足实际需要，而且当用带有误差的互耦测量值或计算值对互耦进行补偿时，往往会使方位角的估计性能更加恶化。 90年代以后，人们通过对阵列互耦进行建模，将阵列互耦校正逐渐转化为一个参数估计问题。参数类的阵列校正方法通常可以分为有源校正类和自校正类。与直接对阵列互耦进行测量的方法相比，参数类估计方法校正的精度要高很多，但其运算量相当大。 均匀圆阵是一种中心对称阵列，与均匀线阵相比，它具有许多优异的特性，如可同时估计信号的方位角和俯仰角，且方位角可以覆盖360°，无论在任何方向，都具有近似相同的估计精度和分辨力等。我国第三代移动通信TD-SCDMA智能天线(Smart Antenna)就采用了8阵元均匀圆阵，因此研究均匀圆阵互耦条件下的波达方向估计及互耦自校正方法具有重要的现实意义。
技术实现思路
为了更好地校正均匀圆阵的阵列互耦误差，本专利技术的目的是提供一种简单方便、运算量少、能同时兼顾互耦校正与信源角度估计的适用于均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向的方法。 为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种，它利用阵列信号处理技术同时对阵列互耦误差及信源入射方向进行估计，它包括以下步骤 (1)、采集各通道接收的数据，并将其存储到系统内存中； (2)、对各通道接收的数据作自适应均衡处理，其目的是校正与方位无关的阵列幅相误差； (3)、将经过自适应均衡处理后的数据生成阵列协方差矩阵，并对协方差矩阵进行特征分解，得到由小特征向量组成的噪声子空间EN； (4)、利用子空间原理构造一个代价函数 (5)、利用上述构造的代价函数进行方位角的估计和互耦误差的计算，实现均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向； 其中，利用下式进行方位角的估计 或 利用下式求解阵元互耦误差 或 其中，λmin{g}表示求矩阵的最小特征值，emin{g}表示求矩阵最小特征值对应的特征向量，w＝T， 为矩阵 的广义逆矩阵； (6)、利用得到的互耦误差对均匀圆阵的阵列导向矢量进行校正； 校正公式为 a(θ，c)＝Ca(θ)＝Tc。 所述第(4)步利用子空间原理构造代价函数进一步 包括以下步骤 (a)、利用均匀圆阵互耦矩阵的带状循环特性及对称Toeplitz性，将均匀圆阵的互耦误差矩阵表示为N×N三带状循环矩阵； 设C表示均匀圆阵的互耦误差矩阵，若仅考虑左右相邻的三个阵元间的互耦效应，即互耦自由度q＝3，则循环矩阵C的循环矢量可以表示为 ，且0＜|c2|＜|c1|＜c0＝1(1) 相应地，N×N三带状循环矩阵C可以表示为 其中， 表示由矢量 形成的对称Toeplitz矩阵； (b)、求出互耦误差条件下的实际导向矢量； 互耦改变了理想的阵列导向矢量，此时阵列的实际导向矢量为 a(θ，c)＝Ca(θ)＝Tc(3) 其中，c＝T，N×q阶矩阵T可表示为 T＝T1+T2+T3+T4(4) 其中，当阵元数N为偶数时，p＝N/2；当N为奇数时，p＝(N+1)/2； (c)、利用子空间原理构造一个代价函数。 由子空间原理有 将式(3)代入式(9)，可构造如下的代价函数 式中，EN为噪声子空间，q×q阶矩阵Q(θ)定义为 由式(11)可以看出，Q(θ)独立于互耦参数向量c。 所述第(3)步将经过自适应均衡处理后的数据生成阵列协方差矩阵的公式为 式中，矢量样本Vi(i＝1，2，…，L)表示各阵元同一时刻的接收数据矢量。 所述第(3)步利用小特征向量组成噪声子空间EN的方法是 将阵列协方差矩阵R进行特征分解得 其中，λi，ei分别为矩阵R的特征值及其对应的特征向量。可以发现，R的特征值具有如下分布 λ1≥λ2≥L≥λM≥λM+1＝λM+2＝L＝λN 由小特征向量构成的矩阵EN＝所生成的线性子空间称为噪声子空间。 由于本专利技术采用以上技术方案，故，本专利技术不仅解决了直接阵列流型互耦校正需要大量人力、设备的问题，而且解决了参数运算量大的问题。本专利技术具有稳键性强，工程实现简单方便，能同时兼顾互耦校正与角度估计等优点。 附图说明 图1为本专利技术具体实施例中均匀圆阵、信源及入射角的关系图； 图2为本专利技术实现均匀圆阵阵列互耦校正与信源测向的处理过程流程图。 具体实施例方式 本专利技术利用阵列信号处理技术同时对阵列互耦误差及信源入射角进行估计，其原理 (1)利用均匀圆阵互耦矩阵的带状循环特性及对称Toeplitz性，将均匀圆阵的互耦误差矩阵表示为N×N三带状循环矩阵。 设C表示均匀圆阵的互耦误差矩阵，由均匀圆阵的特性可知，可以用一个三带状循环矩阵进行建模，将其表示为N×N三带状循环矩阵。若仅考虑左右相邻的三个阵元间的互耦效应，即互耦自由度q＝3，则循环矩阵C的循环矢量可以表示为 且0＜|c2|＜|c1|＜c0＝1(1) 相应地，N×N三带状循环矩阵C可以表示为 其中， 表示由矢量 形成的对称Toeplitz矩阵。 (2)求出互耦误差条件下的实际导向矢量。 互耦改变了理想的阵列导向矢量，此时阵列的实际导向矢量为 a(θ，c)＝Ca(θ)＝Tc(3) 其中，c＝T，N×q阶矩阵T可表示为 T＝T1+T2+T3+T4(4) 其中，当阵元数N为偶数时，p＝N/2；当N为奇数时，p＝(N+1)/2。 (3)利用子空间原理构造一个代价函数。 由子空间原理有 将式(3)代入式(9)，可构造如下的代价函数 式中，EN为噪声子空间，q×q阶矩阵Q(θ)定义为 由式(11)可以看出，Q(θ)独立于互耦参数向量c。因为互耦系数向量不全为0，即c≠0，故只有当矩阵Q(θ)降秩(为奇异矩阵)时，式(11)才能成立。当q≤N-M时，通常Q(θ)为q×q满秩矩阵，只有当θ取信源的真实方位{θi}i＝1M时，矩阵Q(θ)降秩变为奇异矩阵。 上述的过程说明了均匀圆阵互耦矩阵的带状循环特性及对称Toeplitz性有助于我们将信源方位和阵元互耦进行“去耦”，从而实现两者的联合估计，这就是本专利技术的原理所在。 (4)利用上述构造的代价函数进行方位角的估计和互耦误差的计算。其中，利用下式进行方位估计 或 利用下式求解阵元位置误差 或 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向方法，其特征在于：该方法利用阵列信号处理技术同时对阵列互耦误差及信源入射方向进行估计，它包括以下步骤：（１）、采集各通道接收的数据，并将其存储到系统内存中；（２）、对各通道接收的数据作自适应均衡处理，其目的是校正与方位无关的阵列幅相误差；（３）、将经过自适应均衡处理后的数据生成阵列协方差矩阵，并对协方差矩阵进行特征分解，得到由小特征向量组成的噪声子空间Ｅ↓［Ｎ］；（４）、利用子空间原理构造一个代价函数：Ｑ（θ）＝Ｔ↑［Ｈ］［ａ（θ）］Ｅ↓［Ｎ］Ｅ↓［Ｎ］↑［Ｈ］Ｔ［ａ（θ）］（５）、利用上述构造的代价函数进行方位角的估计和互耦误差的计算，实现均匀圆阵的阵列互耦校正与信源测向；其中，利用下式进行方位角的估计：ｆ↓［１］（θ）＝１／ｄｅｔ｛＊（θ）｝或ｆ↓［２］（θ）＝１／λ↓［ｍｉｎ］｛＊（θ）｝利用下式求解阵元互耦误差：ｃ＝ｅ↓［ｍｉｎ］｛＊（θ）｝或ｃ＝＊↑［＋］（θ）ｗ／ｗ↑［Ｔ］＊↑［＋］（θ）ｗ其中，λ↓［ｍｉｎ］｛ｇ｝表示求矩阵的最小特征值，ｅ↓［ｍｉｎ］｛ｇ｝表示求矩阵最小特征值对应的特征向量，ｗ＝［１，０，…，０］↑［Ｔ］，＊↑［＋］（θ）为矩阵＊（θ）的广义逆矩阵；（６）、利用得到的互耦误差对均匀圆阵的阵列导向矢量进行校正；校正公式为：ａ（θ，ｃ）＝Ｃａ（θ）＝Ｔ［ａ（θ）］ｃ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐崇英，张永顺，陈志杰，韩颖，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学导弹学院，中国人民解放军空军装备研究院雷达与电子对抗研究所，
类型：发明
国别省市：61[中国|陕西]