CN104991121B

CN104991121B - 一种扫频阵列校准方法

Info

Publication number: CN104991121B
Application number: CN201510334031.5A
Authority: CN
Inventors: 黄晓静; 李希彬
Original assignee: China Research Institute of Radio Wave Propagation CRIRP
Current assignee: China Research Institute of Radio Wave Propagation CRIRP
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2018-01-16
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: CN104991121A

Abstract

本发明公开了一种扫频阵列校准方法，其改进之处在于，包括以下步骤：步骤1，校准源发射扫频信号；步骤2，阵列接收设备依次采集单频信号；步骤3，对步骤2采集的单频信号进行积累处理；步骤4，对步骤3所得的相位矢量P_n按阵列相位模型进行拟合，使得实际测量数据与理论模型的偏差最小，得到拟合相位矢量Q_n；步骤5，利用步骤4所得的拟合相位矢量Q_n，得到阵列的通道相位差异矢量Q₀。本发明所公开的扫频阵列校准方法，通过多频点的整体相位模型对阵列进行校准，无需预知校准源位置，利用统计减小了到达角预计等因素带来的偏差，消除了校准值随频率的波动。

Description

一种扫频阵列校准方法

技术领域

本发明涉及阵列校准领域，尤其涉及一种扫频阵列校准方法。

背景技术

常规的阵列校准方式通常逐个频点进行，存在以下问题：1、需要预知校准源的方位；2、单频校准结果中存在难以消除的偏差；3、受各种干扰因素影响，校准值随频率波动较大。这些问题在高频段更加突出。由于天线阵列需要的面积较大，阵列往往受周围环境影响，使得来波的波前面改变，不能准确反映到达角。因此，即使知道校准源方位，也不能正确计算其到达角，给校准结果带来较大偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种无需预知校准源位置并可有效抑制随机干扰影响的扫频阵列校准方法。

本发明采用如下技术方案：

一种扫频阵列校准方法，其改进之处在于，包括以下步骤：

步骤1，校准源发射扫频信号，扫频信号包括频率依次等间隔递增的N个单频信号，扫频的起始频率为f₀；

步骤2，阵列接收设备依次采集单频信号，阵列接收设备包括L个通道，L>1，第l通道采集的第n个单频信号为s_l，n；

步骤3，对步骤2采集的单频信号进行积累处理，由s_l，n积累出一个标量，标量的相位表征了s_l，n的相位，获取该相位；s_l，n的相位为p_l，n，所有通道的相位构成阵列相位矢量P_n=[p_1，n，p_2，n，…，p_L，n]；

步骤4，对步骤3所得的相位矢量P_n按阵列相位模型进行拟合，使得实际测量数据与理论模型的偏差最小，得到拟合相位矢量Q_n；

步骤5，利用步骤4所得的拟合相位矢量Q_n，得到阵列的通道相位差异矢量Q₀。

进一步的，步骤1中所述的扫频信号恰好覆盖阵列接收设备的工作频段，N>30，所述单频信号采用可积累的信号形式。

进一步的，步骤2中所述的通道具有稳定的相位特性。

进一步的，步骤4中所述的阵列相位模型表达式为q_l，n=q_l，1+l·（n-1）·α·f_Δ，其中q_l，n为所述p_l，n的拟合量，q_l，n=p_l，n+e_l，n，所述e_l，n为p_l，n对所述阵列相位模型的偏差，所述e_l，n为α的函数，所述f_Δ为所述扫频信号的频率步进，所述α为常数，与所述扫频信号的到达角相关。

进一步的，步骤4中所述的拟合过程准则为所述e_l，n的统计特征最小，其执行步骤为：

步骤41，构筑所述e_l，n的统计量E，所述E同样为α的函数，可记为E（α）；

步骤42，搜索所述α，使得所述E最小，记为α|E→min，简记为α_m；

步骤43，将所述α_m代入所述阵列相位模型，可得到所述拟合相位矢量Q_n=[q_1，n，q_2，n，…，q_L，n]。

进一步的，步骤5中所述通道相位差异矢量Q₀，其表达式为Q₀=[q_1，0，q_2，0，…，q_L，0]，q_l，0= q_l，1- l·α·f₁。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的扫频阵列校准方法，通过多频点的整体相位模型对阵列进行校准，无需预知校准源位置，利用统计减小了到达角预计等因素带来的偏差，消除了校准值随频率的波动。具体的说，校准源发射扫频信号，阵列接收设备采集和处理每个频率的信号，获取其相位。所有通道的相位构成阵列相位矢量，该矢量为工作频率的函数，符合特定的模型。将实测数据与模型进行拟合，可以得到通道间的固有差异。相对传统技术，该方法无需预知校准源位置，可有效抑制随机干扰的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1所使用的阵列布局图；

图2为本发明实施例1所公开的校准流程图；

图3为使用本发明实施例1所公开的校准方法校准前后的比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所公开的扫频阵列校准方法，校准源发射的扫频信号，恰好覆盖阵列接收设备的工作频段，一边反映全频段的特性。N尽量多，使得统计特性更加准确，一般取N>30。所述单频信号采用可积累的信号形式，如单频信号和线性调频信号。单频信号经过傅里叶变换可得到一个谱峰；线性调频信号通过脉冲压缩也可获得一个窄峰。该峰值点可作为表征信号的标量，其相位代表信号的相位。阵列接收设备的通道具有稳定的相位特性，不随时间大幅变化。阵列相位模型表达式为q_l，n=q_l，1+l·（n-1）·α·f_Δ。其中，q_l，n为p_l，n的拟合量，q_l，n=p_l，n+e_l，n；e_l，n为p_l，n对阵列相位模型的偏差，α的函数； f_Δ为扫频信号的频率步进；α为常数，与所述扫频信号的到达角相关。拟合的准则为所述e_l，n的统计特征最小。典型的统计特征为均方根。其执行步骤可描述如下：步骤4-1，构筑所述e_l，n的统计量E，所述E同样为α的函数，可记为E（α）；步骤4-2，搜索所述α，使得所述E最小，记为α|E→min，简记为α_m；步骤4-3，将所述α_m代入所述阵列相位模型，可得到所述拟合相位矢量Q_n=[q_1，n，q_2，n，…，q_L，n]。通道相位差异矢量Q₀=[q_1，0，q_2，0，…，q_L，0]，其中，q_l，0= q_l，1- l·α·f₁。

实施例1，将本发明所公开的扫频阵列校准方法用于如图1所示阵列，阵列为8元均匀线阵线，阵元1至阵元8从右至左依次排列，阵列间距8m，校准源位于偏离法线30°、距离约10km的位置，校准源发射功率在1W左右。

校准过程如图2所示，包括：发射扫频信号、采集信号、获取相位信息、拟合、计算通道相位差异，共5个步骤。

步骤1，校准源发射扫频信号，扫频信号频率为4MHz~23.9MHz，频率步进为0.1MHz，共N=100个频率，信号形式为线性调频，每个频率发射512个连续的线性调频脉冲。

步骤2，阵列接收设备依次采集单频信号，采集过程使用IQ分离技术。阵列接收设备包括L=8个通道，与阵元一一对应，记为通道1至通道8。通道具有稳定的相位特性，稳定度优于3°/24h。第l通道采集的第n个单频信号为s_l，n。s_l，n为一段采样序列，每个采样点表示为一个复数，具有幅度和相位信息。

步骤3，对步骤2采集的单频信号进行积累处理。首先对单个线性调频脉冲进行脉压，然后对脉压结果进行累加。累加结果的峰值相位为p_l，n，可表征通道相位，所有通道的相位构成阵列相位矢量P_n=[p_1，n，p_2，n，…，p_L，n]。P_n随频率变化的曲线如图3左侧所示。

步骤4，对步骤3所得的相位矢量P_n按阵列相位模型进行拟合，使得实际测量数据与理论模型的偏差最小，得到拟合相位矢量Q_n。根据阵列信号处理的基本理论，阵列相位模型表达式为q_l，n=q_l，1+l·（n-1）·α·f_Δ。其中，q_l，n为p_l，n的拟合量，q_l，n=p_l，n+e_l，n；e_l，n为p_l，n对阵列相位模型的偏差，是α的函数； f_Δ为扫频信号的频率步进；α为常数，与所述扫频信号的到达角相关。本例中α≈2π·8m·sin（-30°）/（3e8m/s）≈8.38e-8s，该值从实际测量曲线中也可以大致看出。拟合采用最小均方根准则，选择适当的α，使e_l，n的均方根最小。具体步骤如下：

步骤41，构筑e_l，n的均方根E（α）=∑_l∑_n（e_l，n）²/（L·N）；步骤42，搜索所述α，使得所述E最小，记为α|E→min，简记为α_m，本例中可将搜索范围确定在8.38e-8s附近；步骤43，将所述α_m代入所述阵列相位模型，可得到所述拟合相位矢量Q_n=[q_1，n，q_2，n，…，q_L，n]。Q_n随频率变化的曲线如图3右侧所示。

步骤5，利用步骤4所得的拟合相位矢量Q_n，得到阵列的通道相位差异矢量Q₀；Q₀为阵列的固有特性，与频率无关。通道相位差异矢量Q₀=[q_1，0，q_2，0，…，q_L，0]，q_l，0= q_l，1- l·α·4MHz。

Claims

1.一种扫频阵列校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3，对步骤2采集的单频信号进行积累处理，由s_l，n积累出一个标量，标量的相位表征了s_l，n的相位，获取该相位；s_l，n的相位为p_l，n，所有通道的相位构成阵列相位矢量P_n＝[p_1，n，p_2，n，…，p_L，n]；

步骤5，利用步骤4所得的拟合相位矢量Q_n，得到阵列的通道相位差异矢量Q₀；步骤1中所述的扫频信号恰好覆盖阵列接收设备的工作频段，N>30，所述单频信号采用可积累的信号形式；步骤2中所述的通道具有稳定的相位特性；步骤4中所述的阵列相位模型表达式为q_l，n＝q_l，1+l·(n-1)·α·f_Δ，其中q_l，n为所述p_l，n的拟合量，q_l，n＝p_l，n+e_l，n，所述e_l，n为p_l，n对所述阵列相位模型的偏差，所述e_l，n为α的函数，所述f_Δ为所述扫频信号的频率步进，所述α为常数，与所述扫频信号的到达角相关。

2.根据权利要求1所述的扫频阵列校准方法，其特征在于：步骤4中所述的拟合过程准则为所述e_l，n的统计特征最小，其执行步骤为：

步骤41，构筑所述e_l，n的统计量E，所述E同样为α的函数，可记为E(α)；

步骤43，将所述α_m代入所述阵列相位模型，可得到所述拟合相位矢量Q_n＝[q_1，n，q_2，n，…，q_L，n]。

3.根据权利要求1所述的扫频阵列校准方法，其特征在于：步骤5中所述通道相位差异矢量Q₀，其表达式为Q₀＝[q_1，0，q_2，0，…，q_L，0]，q_l，0＝q_l，1-l·α·f₁。