一种基于校准源旋转的测向阵列幅度误差校准方法技术

针对高精度测向并行数据采集通道间存在幅度失配的问题，本发明专利技术公开一种基于校准源旋转的测向阵列幅度误差校准方法。该方法不需要获取辅助校准源的精确入射信号方向，通过控制和测量待校准阵列的旋转角度，校准阵元间的幅度失配。本发明专利技术减小了传统阵列测向系统校准时对校准源的精度要求，使得此技术可以在环境复杂的大规模生产过程中使用。杂的大规模生产过程中使用。杂的大规模生产过程中使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于校准源旋转的测向阵列幅度误差校准方法


[0001]本专利技术涉及无线高精度测向技术，具体公开一种基于校准源旋转的测向阵列幅度误差校准方法，属于计算、推算或计数的


技术介绍

[0002]阵列信号处理是信号处理领域内的一个重要研究分支，主要是将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列。传统的阵列信号处理主要对空间信号场进行并行接收和处理，如图1所示，目的是提取阵列接收信号的特征参数，并抑制干扰和噪声或不感兴趣的信息。
[0003]由于阵列信号处理，依赖于多个通道信号的并行采集，因此其精度受限于通道间的各种误差，例如通道间的幅度失配、相位失配、阵元互耦等等。
[0004]考虑M个天线组成的测向阵列，根据已有的阵列误差模型，可以得到：
[0005]X(t)＝ΓAS(t)+N(t)
[0006]其中，X(t)为M*1维快拍矢量数据，即测向阵列中M个天线的采集信号；N(t)为M*1维阵列噪声矢量；S(t)为N*1维入射信号幅度矢量，其中入射信号包含N个信号源；A为M*N维阵列流型矩阵。Γ为M*M维对角矩阵，对角线上的元素就是通道间的幅度误差。如果仅考虑幅度误差时，Γ对角线上的元素都为实数。如果以天线阵列中的天线1作为参考，那么
[0007]Γ＝diag{1，ρ1，...，ρ
M
‑1}
[0008]其中，ρ
i
是个复数，代表第i根天线相对于天线1的幅度误差，|ρ
i
|表示幅度误差，arg(ρ
i/>)表示相位误差。|*|表示取复数绝对值操作，arg(*)表示取复数角度操作。
[0009]传统的单辅助校准源校准时，需要在测向系统校准环境中放置一个入射信号方向已知的校准源，此时阵列误差模型中，N为1，且A中的阵列流型矩阵精确已知。因此可以同测得的X(t)获得通道间幅相误差Γ。此时上述阵列误差模型简化为：
[0010]X(t)＝Γa(θ
s
)s(t)+N(t)
[0011]获取上述数据的协方差矩阵，可以得到：
[0012]R
xx
′
＝E(x(t)x
*
(t))＝δ
s2
Γa(θ
s
)a
H
(θ
s
)Γ
*
+δ
n2
I
[0013]其中，θ
s
是辅助信号源的已知精确方向，δ
s2
是入射信号源的功率，δ
n2
是噪声信号功率。
[0014]对上述协方差矩阵进行特征值分解，得到最大的特征值，此时对应的特征矢量就是信号空间的特征矢量。如果阵列天线是均匀线阵ULA时，信号空间的特征矢量可以表示为：
[0015][0016]其中，λ0是测向信号波长，L是ULA线阵间距，ρ
i
为Γ中对角线上元素，也就是待校准
的误差。
[0017]而此时辅助校准源位置已知时：
[0018][0019]因此，通过对比e
max
和a(θ
s
)就可以获得阵列误差。
[0020]通过观察可以发现，传统的辅助校准源方法，精度取决于辅助校准源的入射信号方向θ
s
的精度。因此，为了确保θ
s
的精度，往往此时的阵列误差校准系统较为复杂，一般很难在环境复杂的大规模生产过程中单独使用。

技术实现思路

[0021]本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供一种基于校准源旋转的测向阵列幅度误差校准方法，在不需要精确获得辅助校准源入射信号方向θ
s
的情况下，专利技术了通过获取转台旋转角度校准测向系统阵元幅度误差的方法，解决了在简易的工程生产环境下高精度校准元幅度误差的技术问题。
[0022]本专利技术实现上述专利技术目的采用如下技术方案。
[0023]通过观察上述a(θ
s
)和e
max
可知，当θ
s
未知，但是非常接近0时，存在近似：
[0024][0025]通过上述性质，在θ
s
不能精确确保的情况下，我们可以在入射角度0附近，小规模的旋转待校准的阵列，同时通过角度计精确测量阵列旋转的角度，就可以校准阵列误差。
[0026]具体原理如下：
[0027]首先在校准环境中放置一个校准源，待校准的阵列放在转台上，此时不能确保入射信号方向的精确位置，也就是不能确定θ1的大小，但是可以确认θ1非常接近0。
[0028]此时，通过阵列测量原理，可以得到此时的信号空间特征矢量为：
[0029][0030]然后将转台旋转一个小角度到达θ2。此时入射信号仍然接近0。此时，通过阵列测量原理，可以得到此时的信号空间特征矢量为：
[0031][0032]通过角度计，测量获得旋转的角度，即：θ2‑
θ1＝Δθ。
[0033]此时，将两次获得的信号空间特征矢量共轭相乘，可以得到：
[0034][0035]因此，当通过转台旋转前和后，分别利用传统的空间谱估计算法，获得e
max,2
和e
max,1
，同时通过高精度角度计测量获得Δθ的情况下，根据上式就可以估计阵列的幅度误差|ρ
i
|。而实际需要确保的，就是旋转前后，两次辅助源的入射信号方向θ2和θ1大致接近0即可。
[0036]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：本专利技术无需获取辅助校准源的精确入射信号方向，通过控制和测量待校准阵列的旋转角度，获取旋转转台之前信号空间特征矢量的和旋转转台之后的信号空间特征矢量，校准阵元间的幅度失配，减小了传统阵列测向系统校准时对校准源方向的高精度要求，并通过容易高精度测量获得的相对旋转角度，完成阵列测向系统幅度失配的校准。本专利技术专利提出的校准方案，可以降低阵列幅度误差校准系统要求，使得此技术可以在环境复杂的大规模生产过程中使用。
附图说明
[0037]图1为线性阵列天线并行接收机测向模型的示意图。
[0038]图2为旋转前校准系统的示意图。
[0039]图3为旋转后校准系统的示意图。
[0040]图4为本专利技术所提基于校准源旋转的测向系统阵元幅度误差校准方法的流程图。
具体实施方式
[0041]为使本专利技术的专利技术目的、技术方案和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0042]本专利技术所提一种基于校准源旋转的测向系统阵元幅度误差校准方法，如图4所示，包括如下6个步骤。
[0043]步骤1：将待校准的阵列天线放置于转台上，将一个辅助校准源布置于1米以外，辅助校准源大致垂直于天线阵列，辅助校准源的入射方向角度为θ1，θ1可以未知，大约接近0即可，转台旋转前校正系统如图2所示；
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于校准源旋转的测向阵列幅度误差校准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将待校准的阵列天线放置于转台上，将一个辅助校准源布置于转台外的区域内，辅助校准源垂直于天线阵列，记旋转转台前辅助校准源的入射方向角度为第一入射方向角度，所述第一入射方向角度未知且接近0；步骤2，通过测向技术获取旋转转台前辅助校准源的入射方向角度为第一入射方向角度时待校准阵列天线的采集信号，并计算所述旋转转台前辅助校准源的入射方向角度为第一入射方向角度时待校准阵列天线采集信号的协方差矩阵，对旋转转台前辅助校准源的入射方向角度为第一入射方向角度时待校准阵列天线采集信号的协方差矩阵进行特征值分解，得到旋转转台前待校准阵列天线采集信号的协方差矩阵的最大特征值对应的特征矢量；步骤3，将放置待校准阵列天线的转台旋转一个小角度，旋转转台后辅助校准源仍垂直于天线阵列，记旋转转台后辅助校准源的入射方向角度为第二入射方向角度，所述第二入射方向角度未知且接近0；步骤4，测量转台旋转角度差，所述转台旋转角度差为第二入射方向角度与第一入射方向角度的差值；步骤5，通过测向技术获取旋转转台后辅助校准源的入射方向角度为第二入射方向角度时待校准阵列天线的采集信号，计算旋转转台后辅助校准源的入射方向角度为第二入射方向角度时待校准阵列天线采集信号的协方差矩阵，对旋转转台后辅助校准源的入射方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄成，陆生礼，刘昊，
申请(专利权)人：东南大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：