專利名稱：用高精度輔助陣元進行陣列校正與信源測向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達、通信等領(lǐng)域中的一種空間譜估計信號處理方法，特別適用于大型相控陣天線的多通道雷達信號處理系統(tǒng)中方位依賴誤差的校正和方位角參數(shù)的聯(lián)合估計。
空間譜估計被廣泛應(yīng)用于雷達、聲納、通信、地震勘探等領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域內(nèi)的一個重要研究方向，是提高參數(shù)估計性能的一種關(guān)鍵技術(shù)。但當(dāng)空間陣列存在誤差時，空間譜估計算法的性能會嚴(yán)重下降，甚至無法使用，所以陣列誤差是影響空間譜估計算法性能的一個重要因素。因此有必要對陣列進行校正，早期的陣列校正是通過對陣列流形直接進行離散測量、內(nèi)插、存貯來實現(xiàn)的。但該方法實現(xiàn)的代價太大，而且效果往往也并不理想。90年代以后，人們通過對陣列誤差進行建模，將陣列誤差校正逐漸轉(zhuǎn)化為一個參數(shù)估計問題。參數(shù)類的陣列校正方法通?？梢苑譃橛性葱Ｕ惡妥孕Ｕ悺Ｅc直接對陣列流型進行測量的方法相比，參數(shù)類估計方法校正的精度要高很多，但其運算量相當(dāng)大。
陣列誤差包括陣元位置誤差、通道誤差、頻帶不一致誤差、陣元間互耦等，這些誤差都可歸結(jié)為幅-相誤差，幅-相誤差大致分為兩類一類是與方位角有關(guān)的誤差，這里稱其為方位依賴誤差；另一類是與方位無關(guān)的誤差。
本發(fā)明的目的正是針對上述背景技術(shù)中的方位依賴誤差提出的，本發(fā)明提出的方法是通過軟件實現(xiàn)的，不僅解決了直接陣列流型誤差校正需要大量人力、設(shè)備的問題，而且解決了參數(shù)類算法運算量大的問題，本發(fā)明具有穩(wěn)鍵性、工程實現(xiàn)簡單方便，能同時兼顧誤差校正與角度的聯(lián)合估計等特點。
本發(fā)明包括以下技術(shù)措施(1)利用自適應(yīng)均衡技術(shù)對與方位無關(guān)的誤差進行校正。
本發(fā)明還包括以下技術(shù)措施(1)利用直接陣列流形測量方法對輔助陣元(≤3)進行精確測量并校正。
(2)使用方位依賴誤差的對角特性建立如下的導(dǎo)向矢量模型W(θi)＝Γ(θi)a(θi)i＝1，2，…M其中，a(θi)對應(yīng)無擾動的陣列導(dǎo)向矢量，對角陣Γ(θi)為方位依賴的陣元幅相擾動矩陣，它的第j個對角元素對應(yīng)第j個陣元的幅相誤差；(3)利用方位依賴誤差的特殊關(guān)系構(gòu)造如下的代價函數(shù)Q^(θ)=a~H(θ)E^NE^NHa~(θ)]]>式中， 為噪聲子空間，重構(gòu)導(dǎo)向矢量 與a(θ)、Γ(θ)存在如下的關(guān)系Γ(θ)a(θ)=a1(θ)0P×K0(N-P)×1diag[a2T(θ)]1vecd(Γ2(θ))=a~(θ)δ(θ)]]>Γ(θ)＝diag[11×P[vecd(Γ2(θ))]T]其中p×1矢量a1(θ)由a(θ)中p個精確校正陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成，而k×1矢量a2(θ)原a(θ)中存在擾動的k個陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成。同理，k×k對角矩陣Γ2(θ)的對角元素由k個擾動陣元的幅相誤差構(gòu)成。 表示由行矢量組成的對角矩陣。
(4)利用陣列測向方法實現(xiàn)誤差校正、方位角的估計。其中，方位估計采用下式θ^=argmaxθ1λmin[Q^(θ)]]]>或θ^=argmaxθ1det[Q^(θ)]]]>陣元位置誤差采用下式ΔXΔY=P(θ^1)P(θ^2)sinθ^1sinθ^2cosθ^1cosθ^2-1]]>上兩式中λmin[·]為求矩陣的最小特征值，det[·]求矩陣的行列式。另外，δ^(θ^)=emin[Q^(θ^)].with,emin(1)=1]]>vecd(Γ^2(θ^))=[δ^(2)δ^(3),···,δ^(K+1)]T]]>ΔX＝[Δx4Δx5… ΔxN]T，ΔY＝[Δy4Δy5… ΔyN]TP(θi)=λ2πangle[vecd(Γ^2(θ^i))],i=1,2]]>其中，emin[·]為求矩陣最小特征值對應(yīng)的特征矢量。
本發(fā)明的目的還可以通過以下的技術(shù)措施達到(1)利用直接陣列流形測量方法對輔助陣元進行校正的措施技術(shù)步驟采用采用精密儀器測量。
(2)利用直接陣列流形測量方法對輔助陣元進行校正還可以采用的措施技術(shù)步驟采用加注標(biāo)準(zhǔn)信號到這幾個陣元上，然后利用自適應(yīng)均衡技術(shù)估計得到各輔助陣元的誤差值，然后將這幾個值與輔助陣元的接收數(shù)據(jù)相乘即可。
本發(fā)明相比背景技術(shù)有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明充分考慮空間譜估計的實際應(yīng)用環(huán)境，既避免了全部陣列進行陣列流形測量的大量人力和物力，又避免了參數(shù)類誤差算法的大運算量，所以發(fā)明所需設(shè)備簡單，成本低廉，升級方便。
(2)本發(fā)明可以綜合校正陣列實際應(yīng)用過程中的各種誤差，包括陣元位置誤差、通道誤差和頻帶誤差，通用性強。
(3)本發(fā)明可實現(xiàn)方位依賴誤差與方位角的聯(lián)合估計，且聯(lián)合估計的計算量較小，工程實現(xiàn)復(fù)雜度低，可實現(xiàn)性強。
(4)本發(fā)明可推廣到任意空間陣列，具有推廣應(yīng)用價值。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是本發(fā)明處理過程流程圖，圖2是實施例中輔助陣元、擾動陣元及理想陣元位置的關(guān)系，實施例中采用16陣元的均勻線陣，輔助陣元為3個。
參照圖1，本發(fā)明由有誤差陣元接收單元1、無誤差輔助陣元接收單元2、自適應(yīng)均衡器3、形成協(xié)方差矩陣4、構(gòu)造代價函數(shù)5、角度估計6、誤差估計單元7組成。
實施本發(fā)明方法的原理如下由陣列信號處理的知識可知數(shù)學(xué)模型為
X(t)＝AS(t)+N(t) (1)式中，X(t)為陣列的M×1維噪聲數(shù)據(jù)矢量，N(t)為陣列的M×1維噪聲數(shù)據(jù)矢量，S(t)為空間信號的N×1維矢量，A為空間陣列的M×N維流型矩陣(導(dǎo)向矢量陣)A＝{a1(θ1)，a2(θ2)，…，aN(θN)](2)當(dāng)陣列存在方位依賴的幅相誤差時，陣列的流形矩陣A(θ)可以表示為A(θ)＝[W(θ1) W(θ2) … W(θM)] (3)其中W(θi)為第i個信源的導(dǎo)向矢量。它可由式(3)表示為W(θi)＝Γ(θi)a(θi)i＝1，2，…M (4)其中，導(dǎo)向矢量a(θi)=[1,exp(j2πλdi2),···,exp(j2πλdiN)]T,i=1,2,···M...(5)]]>dij=xjyjsin(θi)cos(θi)T,j=1,2,···N----(6)]]>其中對角陣Γ(θi)為方位依賴的陣元幅相擾動矩陣，它的第j個對角元素對應(yīng)第j個陣元的幅相誤差，它可以是陣元幅相誤差、陣元位置擾動、陣元互耦綜合作用的結(jié)果，a(θi)對應(yīng)無擾動的陣列導(dǎo)向矢量，(xj，yj)為陣元的位置坐標(biāo)。
既然N元陣列中有P個陣元是精確校正的，在幅相擾動矩陣Γ(θi)中它們對應(yīng)的對角元素應(yīng)為1。將a(θ)和Γ(θ)進行如下的分塊a(θ)=a1T(θ)a2T(θ)T]]>---(7)Γ(θ)＝diag[11×P[vecd(Γ2(θ))]T] (8)其中P×1矢量a1(θ)由a(θ)中P個精確校正陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成，而K×1矢量a2(θ)原a(θ)中存在擾動的K個陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成。同理，K×K對角矩陣Γ2(θ)的對角元素由K個擾動陣元的幅相誤差構(gòu)成。diag[·]表示由行矢量為對角元素構(gòu)成對角矩陣，而vecd[·]表示由矩陣提取其對角元素構(gòu)成列矢量。將(7)式和(8)式代入(4)式，擾動后的導(dǎo)向矢量W(θ)可以重新表示為式(9)所示W(wǎng)(θ)=Γ(θ)a(θ)=a1(θ)0P×K0(N-P)×1diag[a2T(θ)]1vecd(Γ2(θ))=a~(θ)δ(θ)...(9)]]>其中 為N×(K+1)矩陣，而δ(θ)為(K+1)×1列矢量。由子空間原理有WH(θ)ENENHW(θ)=0,θ=θ1,θ2,···θM---(10)]]>將(9)式帶入上式(10)有δH(θ)a~H(θ)ENENHa~(θ)δ(θ)=0...(11)]]>δH(θ)Q(θ)δ(θ)＝0(12)Q(θ)=a~H(θ)ENENHa~(θ)...(13)]]>
由于δ(θ)≠0，式(12)成立的充要條件是(K+1)×(K+1)矩陣Q(θ)奇異或出現(xiàn)秩損現(xiàn)象。當(dāng)K+1≤N-M或P≥M+1，且擾動后的陣列導(dǎo)向矢量無秩N-1模糊時，矩陣Q(θ)出現(xiàn)秩損，當(dāng)且僅當(dāng)θ＝θii＝1，2，…M，即只有在信源真實方位處矩陣Q(θ)奇異。
上述的過程說明了方位依賴誤差對角分布特性有助于我們將信源方位和方位依賴的陣元幅相誤差進行“去耦”，從而實現(xiàn)兩者的聯(lián)合估計，這就是本發(fā)明的原理所在。
參照圖1和圖2，下面結(jié)合原理說明一下實施例，實施例中采用16陣元的等距均勻線陣，精確校正的輔助陣元3個，詳細步驟如下(1)由陣列接收單元將接收到的數(shù)據(jù)存貯到系統(tǒng)中，這里需要注意的是，每個接收通道的快拍數(shù)L是有限制的，如果L取的過大，對后續(xù)的DOA估計是有利的，但這將造成采樣數(shù)據(jù)的距離范圍太大；如果L取的過小，則接收數(shù)據(jù)(特別是噪聲)其統(tǒng)計特性會受影響，這將造成后續(xù)DOA估計性能嚴(yán)重下降。為了使由不滿足條件引起的性能損失限制在3dB內(nèi)，要求L取不少于2～3倍的系統(tǒng)自由度。
(2)對各通道接收作自適應(yīng)均衡處理，這主要是為了校正各通道的與方位無關(guān)的幅相誤差及頻帶不一致問題，這里采用的是常規(guī)自適應(yīng)均衡技術(shù)——即32級的FIR濾波器。
(3)將經(jīng)過自適應(yīng)均衡后的數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，計算公式如下R^=1LΣi=1LViViH]]>式中矢量樣本Vi(i＝1，2，…，L)表示各陣元同一時刻的接收數(shù)據(jù)矢量，并對協(xié)方差矩陣進行特征分解，得到由小特征矢量組成的噪聲子空間 (4)構(gòu)造如下的代價函數(shù)Q^(θ)=a~H(θ)E^NENH^a~(θ)]]>式中 與真實陣列導(dǎo)向矢量a(θ)、及陣元誤差矩陣Γ(θ)存在如下的關(guān)系分別見式(8)和式(9)。其中3×1矢量a1(θ)由a(θ)中3個精確校正陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成，而16×1矢量a2(θ)原a(θ)中存在擾動的16個陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成。同理，16×16對角矩陣Γ2(θ)的對角元素由16個擾動陣元的幅相誤差構(gòu)成。diag[·]表示由行矢量組成的對角矩陣，其中(5)采用下式對信號的入射角度進行估計θ^=argmaxθ1λmin[Q^(θ)]]]>或θ^=argmaxθ1det[Q^(θ)]]]>其中λmin[·]為求矩陣的最小特征值，det[·]求矩陣的行列式。
(6)采用下式估計擾動矢量及陣元擾動的位置δ^(θ^)=emin[Q^(θ^)].with,emin(1)=1]]>ΔXΔY=P(θ^1)P(θ^2)sinθ^1sinθ^2cosθ^1cosθ^2-1]]>其中，emin[·]為求矩陣最小特征值對應(yīng)的特征矢量，且有
vecd(Γ^2(θ^))=[δ^(2)δ^(3),···,δ^(K+1)]T]]>ΔX＝[Δx4Δx5… ΔxN]T，ΔY＝[Δy4Δy5… ΔyN]TP(θi)=λ2πangle[vecd(Γ^2(θi^))],i=1,2]]>(7)對上面估計的角度和陣元位置進行輸出即可。
權(quán)利要求
1.一種用高精度輔助陣元進行陣列校正與信源測向的空間譜估計處理方法，包括以下技術(shù)措施(1)利用自適應(yīng)均衡技術(shù)對與方位無關(guān)的誤差進行校正。其特征還包括以下技術(shù)措施(1)利用直接陣列流形測量方法對輔助陣元(≤3)進行精確測量并校正。(2)使用方位依賴誤差的對角特性建立如下的導(dǎo)向矢量模型W(θi)＝Г(θi)a(θi)i＝1，2，…M其中，a(θi)對應(yīng)無擾動的陣列導(dǎo)向矢量，對角陣Г(θi)為方位依賴的陣元幅相擾動矩陣，它的第j個對角元素對應(yīng)第j個陣元的幅相誤差；(3)利用方位依賴誤差的特殊關(guān)系構(gòu)造如下的代價函數(shù)Q^(θ)=a~H(θ)E^NE^NHa~(θ)]]>式中， 為噪聲子空間，重構(gòu)導(dǎo)向矢量 與a(θ)、Г(θ)存在如下的關(guān)系Γ(θ)a(θ)=a1(θ)0P×K0(N-P)×1siag[a2T(θ)]1vecd(Γ2(θ))=a~(θ)δ(θ)]]>Г(θ)＝diag[11×P[vecd(Г2(θ))]T]其中p×1矢量a1(θ)由a(θ)中p個精確校正陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成，而k×1矢量a2(θ)原a(θ)中存在擾動的k個陣元對應(yīng)的元素構(gòu)成。同理，k×k對角矩陣Г2(θ)的對角元素由k個擾動陣元的幅相誤差構(gòu)成。diag[●]表示由行矢量組成的對角矩陣。(4)利用陣列測向方法實現(xiàn)誤差校正、方位角的估計。其中，方位估計采用下式θ^=argmaxθ1λmin[Q^(θ)]]]>或θ^=argmaxθ1det[Q^(θ)]]]>陣元位置誤差采用下式[ΔXΔY]=[P(θ^1)P(θ^2)]sinθ^1sinθ^2cosθ^1cosθ^2-1]]>上兩式中λmin[●]為求矩陣的最小特征值，det[●]求矩陣的行列式。另外，δ^(θ^)=emin[Q^(θ^)].]]>with emin(1)＝1vecd(Γ^2(θ^))=[δ^(2)δ^(3),···,δ^(K+1)]T]]>ΔX＝[Δx4Δx5…ΔxN]T，ΔY＝[Δy4Δy5…ΔyN]TP(θi)=λ2πangle[vecd(Γ^2(θ^i))]i=1,2]]>其中，emin[●]為求矩陣最小特征值對應(yīng)的特征矢量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用高精度輔助陣元進行陣列校正與信源測向的空間譜估計處理方法，其特征利用直接陣列流形測量方法對輔助陣元進行校正的措施技術(shù)步驟采用采用精密儀器測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用高精度輔助陣元進行陣列校正與信源測向的空間譜估計處理方法，其特征利用直接陣列流形測量方法對輔助陣元進行校正還可以采用的措施技術(shù)步驟采用加注標(biāo)準(zhǔn)信號到這幾個陣元上，然后利用自適應(yīng)均衡技術(shù)估計得到各輔助陣元的誤差值，然后將這幾個值與輔助陣元的接收數(shù)據(jù)相乘即可。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用高精度輔助陣元進行陣列校正與信源測向的超分辨空間譜估計方法，根據(jù)空間陣列方位依賴誤差對陣列導(dǎo)向矢量的影響是一個誤差對角矩陣與無誤差導(dǎo)向矢量的乘積這一特點。首先使用直接陣列流形測量方法對少量相鄰陣元(≤3)進行精確校正；其次利用陣列方位依賴誤差構(gòu)造校正的代價函數(shù)，并重新構(gòu)造陣列導(dǎo)向矢量；最后利用陣列方位依賴誤差的特點進行其它所有陣元的方位依賴誤差的校正及方位角的精確估計。本發(fā)明提出的方法是一種穩(wěn)健的、便于工程實現(xiàn)、且可實現(xiàn)方位依賴誤差和方位的同時估計，可廣泛應(yīng)用于雷達、通信等領(lǐng)域內(nèi)大型相控陣的方位依賴誤差校正和信號源的高精度定位，具有實際推廣應(yīng)用價值。
文檔編號G01S7/40GK1580813SQ20041001316
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者王永良, 王布宏, 陳輝, 吳志文 申請人:中國人民解放軍空軍雷達學(xué)院