CN111190135A - 一种适用于任意阵列的校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于任意阵列的校准方法。主要解决阵列测向时幅相、位置以及互耦误差的校准问题，其实现过程是：将阵列天线与射频、数字以及PC相连，并置于平面转台；使转台在所需估计平面按步进进行旋转，每转至一个角度时，接收相应方向上的信号；将每个方向上对应信号进行傅里叶变换，提取对应频点的数值，作为校准之后导向矢量；利用校准后的导向矢量，进行谱峰搜索。本发明使用校准之后的导向矢量进行谱峰搜索，提高了角度分辨力以及测向精度，且该校准方法简单，利于实际工程应用。

Description

一种适用于任意阵列的校准方法
技术领域
本发明涉及自适应天线领域领域，特别涉及适用于任意阵列的误差校准方法。
技术背景
阵列信号处理是将多个传感器分别放置在空间不同的位置，组成传感器阵列来接收空间信号并对其进行特定的处理，来增强感兴趣的有用信号、抑制无用的干扰和噪声，并提取需要的信号特征，解读信号中所包含的信息。阵列信号处理的一个基本问题就是确定同时处在空间某一区域内的多个感兴趣的空间信号的方向或位置，即信号的波达方向估计，这也是雷达、声纳、地震勘探、射电天文和医学成像等多种军事和民用领域的重要任务之一。阵列信号处理的另一个主要研究内容是以空间滤波为核心的波束形成，其本质是对来自不同方向的信号进行有目的的增强和抑制处理，最终达到提取信号中信息的目的。而在信号的波达方向估计中，基于特征子空间的测向方法，如MUSIC，ESPRIT方法等，在理论上都具有很高的空间分辨力，具有测出多个来波方向的潜在优势，但是经过不断的理论分析和实验表明，在实际的工程应用中存在的误差会导致测向性能急剧下降，甚至完全失效。实际存在的误差主要包括阵元位置误差、通道幅相误差和天线阵元互耦引起的误差。其中阵元位置误差是由于天线制造、安装等因素导致阵元接收信号的相位和阵列导向矢量存在偏差，最终使得测向性能降低。而互耦是阵列天线的固有特性，当天线单元之间的距离大于或是等于中心频率的半波长时，阵列天线单元之间的互耦会较低，但是随着现代设备小型化的趋势，安装天线的空间是有限的，这就导致天线天线单元之间的互耦效应较强，从而影响阵列特性，使得接收信号发生畸变，改变特征子空间方法中数据协方差的特征值结构，造成测向误差。最后是通道幅相误差，在通常的阵列处理系统中，包括天线单元、发大器、馈线、中频放大器、混频、A/D变换器等一系列模拟设备等都会产生一定的误差，致使通道之间的幅相不一致，从而使得测向性能严重恶化。而对于现有关于上述误差的校准方法，对于实际的工程应用任具有一定不适用性，因此，如何寻找一种易于实际工程实现的校准方法成为了欲待解决的实际问题。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述实际存在的误差，提出的一种适用于任意形式阵列的校准方法。本发明提出一种使用于任意形式阵列的校准方案，实验天线阵列包括一4元线极化直线阵，4元线极化共形阵，通过在不同形式阵列上进行校准，实现了校准方法的适用性，该校准方法具有实施简单，应用性广的优点。
为实现上述发明的目的，本发明技术方案如下：
一种适用于任意阵列的校准方法，包括如下步骤：
步骤1：将M元天线阵列连入对应射频模块、数字处理模块以及PC端，并将整个系统放置于能够按步进进行转动的转台上，以便于接收每个角度的来波信号。
步骤2：发射源发射一束来波，接收系统将其接收后，在PC端上对数据进行处理，保证接收信号的正确性。
步骤3：在步骤2中如果确保了信号的准确性，随即按照设定的坐标系，将转台转至-90°，并按照步进1°进行旋转，转至90°，并且在每一度方向上，接收系统都需采集一组数据(根据需要选择采样点数，我们选取的采样点数为N)，这样，在每个方向上都在PC端存有一组M×N维的时域信号，因此，在整个空域内，共有181×M×N组数据。
步骤4：将每个方向上的数据保存之后，对其进行傅里叶变换，得到每个方向上的各个端口数据的频谱，并取出中心频率的值，这样在每个方向上便可将M×N维的数据变为M×1的向量
Figure BDA0002366628930000021
步骤5：通过步骤4的处理，可以获得整个空域的M×N维的导向矢量Ac，并用该导向矢量去进行谱峰搜索，并得到相应的空间谱。
本发明方法提出的适用于任意阵列的校准方法与通常的幅相误差校准，互耦误差校准，位置误差校准不同。如果是基于通常的幅相、互耦以及位置误差校准等，需要分别对各种误差进行单独校准，一方面在实际工程应用中，步骤较为繁琐，另一方面，各种不同的校准方法对硬件资源以及成本也具有一定的要求。所以结合上述两方面，本发明能够很好的解决上述问题。
本发明的有益效果为：(1)该方法通过使用无线设备进行测向，仅需步进转台将无线接收设备进行旋转，硬件成本较低。(2)校准过程中，仅需使用转台进行旋转，并将每个方向上的数据，进行存储，再进行离线处理，操作简单。(3)经过校准之后的空间谱分辨力高，对于来波方向估计精确，且算法复杂度较低。
附图说明
以下结合附图及实例对本发明作进一步的详细说明
图1是本发明的校准示意图。
图2是本发明所述一种4元直线阵实物模型。
图3是本发明所述一种4元共形阵实物模型。
图4是本发明所述4元直线阵实验环境及条件。
图5是本发明所述4元共形阵实验环境及条件。
图6是本发明所述4元直线阵-45°测向结果。
图7是本发明所述4元直线阵30°测向结果。
图8是本发明所述4元共形阵-30°测向结果。
图9是本发明所述4元共形阵45°测向结果。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的内容和效果：
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1：将M元天线阵列与射频模块、数字模块以及PC连上，并将其放置于转台上，同时，让发射源放射信号。
步骤2：根据天线的摆放位置，确定设置的坐标系，之后将转台转至-90°的方向，并按1°为步进使转台转至90°，同时在每个方向上提取对应角度的接收数据：
Figure BDA0002366628930000031
，其中M为阵元数，N为采样点数，
Figure BDA0002366628930000032
表示信号源入射角度，i表示第i个天线单元，
Figure BDA0002366628930000033
表示信号源入射方向为
Figure BDA0002366628930000034
时接收系统接收到的时域数据。
步骤3：根据步骤2中得到的每个方向上的时域接收数据，分别对其做N点傅里叶变换，得到对应端口接收数据的频谱。以入射方向
Figure BDA0002366628930000035
为例，对第i个端口的数据做N点傅里叶变换，得到其频谱
Figure BDA0002366628930000036
并提取对应中心频率的值
Figure BDA0002366628930000037
同理，可以得到其余几个端口对应的数值，进而可以得到一M×1维的列向量，令其为
Figure BDA0002366628930000038
再有，
Figure BDA0002366628930000039
的变化范围为-90°至90°，且相邻角度间隔为1°，所以，我们可以将每个角度对应的列向量
Figure BDA00023666289300000310
组成为一M×181的校准矩阵Ac，将其存储至PC端。
步骤4：再任意设置一入射角度
Figure BDA00023666289300000311
利用接收系统接收该信号，得到Xe(t)，并利用N个快拍数据估计出协方差矩阵
Figure BDA00023666289300000312
对其做特征分解，得到噪声子空间G。
步骤5：由特征子空间方法的空间谱函数：
Figure BDA00023666289300000313
可知，一般在未校准时，使用的导向矢量为理想导向矢量，其表达式为：
Figure BDA00023666289300000314
其中φ表示阵元的空间相位差，G表示噪声子空间。由于在存在误差的情况下使用理想导向矢量，会使信号子空间与噪声子空间的正交性变差，这也是测向结果变差甚至是失效的原因。因此，在本发明中，利用校准之后的子空间来替代理想的谱函数，则谱函数变为如下形式：
Figure BDA0002366628930000041
步骤6：利用步骤5中的谱函数，估计出信号的来波方向。
本发明的效果通过以下实测结果进一步说明：
图2和图3为实际加工出的天线阵列，其中天线单元的中心频率为1.26852GHz，直线阵的阵元间距为半波长，共形阵的直径为45厘米，参照图4与图5，为防止外场存在的多径影响，测试环境皆于微波暗室中进行。
在直线阵的测试中，设置发射天线发射信号的入射方向为-45°，30°，由图6及图7可以看出，未对空间谱进行校准时，谱函数的峰值较低，角度分辨力较差，估计精度模糊。通过利用本发明可以得到峰值更高，分辨力以及估计精度更好、更精确的谱函数。同样，对于共形阵，设置发射天线发射信号的入射方向为-30°，45°，由图8图9可以看到。经过校准之后的空间谱，能够准确测出来波方向，且在保证精确度的同时，还能确保其分辨力。由以上测试结果可以得知，利用发明提供的方法对谱函数进行校准时，能够显著提高测向精度以及分辨力，且该校准方法成本低，操作简单，且易于实现，所以在实际工程中，该校准方法具有很强的实用性。

Claims (4)

1.一种适用于任意阵列的校准方法，其特征在于：将天线阵列与对应射频模块、数字处理模块以及PC端相连，并按照设定的坐标系将整个系统放置于能够按步进进行转动的转台上，以便于接收每个角度的来波信号；让天线阵列以固定的角度间隔进行旋转，每转至对应角度，便利用接收系统采集该方向上的来波信号；当将所需方向的数据全部采集后，离线对每个方向上的数据做附录也变换，并取期望频率点上的数值，作为谱峰搜索时的导向矢量；利用该导向矢量，便可得到精确的测向结果。
2.根据权利要求1所述的适用于任意阵列的校准方法，其特征在于：该方法通过使用无线设备进行测向，仅需步进转台将无线接收设备进行旋转，硬件成本较低。
3.根据权利要求1所述的适用于任意阵列的校准方法，其特征在于：校准过程中，仅需使用转台进行旋转，并将每个方向上的数据，进行存储，再进行离线处理，操作简单。
4.根据权利要求1所述的适用于任意阵列的校准方法，其特征在于：经过校准之后的空间谱分辨力高，对于来波方向估计精确，且算法复杂度较低。
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