CN111638494B - 数字波束合成系统多通道幅相校正方法 - Google Patents

数字波束合成系统多通道幅相校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种数字波束合成系统多通道幅相校正方法，旨在可显著提升宽带通道幅相校正性能，本发明通过下述技术方案实现：标校源发出梳状谱信号，经天线接口单元滤波、放大，经L路变频模块变频到中频，再进行AD采集、预处理、FFT计算，通过FFT结果，提取相位差，根据相位差信息，自适应选择参考通道；提取标校信号的幅度作为加权窗，利用各通道与参考通道的频响差，计算各通道校正滤波器系数，得到校正滤波器；最后天线接收射频信号，经天线接口单元、变频、AD采集、预处理后得到基带数字信号，经过校正滤波器滤波，实现多通道间幅相校正。

Description

数字波束合成系统多通道幅相校正方法
技术领域
本发明涉及一种宽带数字波束合成系统中的多通道幅相校正方法，用于数字波束合成或者干涉仪测向前的通道幅相修正。
背景技术
基于阵列信号接收的数字波束合成系统通过阵列天线和数字波束形成技术同时形成多个数字波束合成及测向技术是模拟相控阵技术的延伸，是在传统模拟波束合成的基础上引入数字信号处理方法之后建立的新技术，是阵列天线与信号处理结合的产物。数字波束合成及测向技术主要是利用阵列天线接收空间中的电磁信号，对信号在时间域和空间域进行采集，在基带对各天线单元接收的信号进行相位和幅度加权，形成具有一定形状的数字波束来接收信号，实现对信号的空域滤波，并提高对信号的接收处理增益，同时，也可利用多个数字波束对信号完成接收，通过数字信号处理算法实现对目标的高分辨、精确测向。
目前，跳频、扩频等宽带低截获信号在信号传输中大量使用，另一方面数字波束合成系统逐渐要求在多目标、多功能情况下完成任务，随着新的系统需求不断升级，数字波束合成系统往往要求工作带宽较宽，这就要求阵列天线及各射频前端具有较大的带宽。然而模拟器件及其构成的电路特性的差异造成瞬时带宽内，各通道间存在随频率变化的幅度和相位特性不一致，这种频率特性不一致包括通道内的幅相不一致误差和通道间的幅相不一致误差，这些误差对数字波束形成后的天线波瓣的增益、波束指向和副瓣电平均有重要影响，直接影响系统的探测性能。这种幅相特性不一致，严重时甚至会使整个阵列性能急剧恶化。因此，为了确保波束形成的性能，对于数字波束合成系统，在信号进行波束合成之前，须对各通道间整个瞬时工作带宽内的信号均做出校正，使得通道总的频率响应与频率无关，或者至少使所有通道的频率响应均一致。
对于窄带系统，一般用瞬时工作带宽内接收机中心频点的幅相标校值去校正，而对于宽带系统，由于整个瞬时工作带宽内，各频点的幅相不一致差异较大，采用传统单频点修正的方法，往往得不到较好的校正效果。
综上所述，宽带数字波束合成系统进行波束合成前，必须进行宽带通道校正，宽带通道校正效果直接影响数字波束形成的性能。宽带通道校正的性能，对数字波束合成系统的影响具体体现在三方面：1)系统增益，若各通道间幅相校正不好，波束合成时，各通道间信号不可能对齐叠加，系统增益下降；2)测向精度，若各通道间幅相校正不好，直接影响各波束形成的指向与形状，影响测向精度；3)旁瓣，若各通道间幅相校正不好，将出现较高的旁瓣，容易形成虚假目标。因此，提升宽带通道校正性能，对于提升数字波束合成系统的系统增益、测向精度、剔除虚假目标等性能有重要作用。尽管在文献中有涉及宽带数字波束合成系统通道校正的方法，但是未曾提及具体实施的详细步骤，另外，本发明在目前文献中涉及通道校正方法的基础上进行了改进，给出一种基于参考通道自适应选择的高精度宽带通道校正方法，且给出其详细的实施步骤，通过自适应选择最佳参考通道后，再进行校正滤波器计算，使得通道校正后，各通道间幅相一致性更好。
发明内容
本发明的目的是针对宽带波束合成系统中，传统通道校正方法的不足，提供一种计算简单，便于工程化实现，能够提升宽带通道校正性能的宽带通道幅相校正方法。
本发明的上述目的可以通过参考通道选择、校正滤波器设计、幅相校正等三个措施来达到。
一种数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于包括如下步骤：
参考通道选择：在自适应校正过程开始前，校正信号源发出的梳状谱信号通过天线接口单元馈入，数字波束合成系统中L路通道变频模块变频到中频，经AD采样模块模数AD完成采样，采样后的数字信号经预处理模块变频、抽取和滤波后，通过FFT计算模块做N点傅里叶变换FFT计算和相位差提取模块对相位差提取后，参考通道选择模块根据各通道间的相位差信息，自适应选择参考通道；
校正滤波器设计：自适应选择最佳参考通道后，提取标校信号的幅度作为加权窗，将加权窗加入滤波器计算时预置矩阵的计算中，计算各通道与参考通道间的频响差，根据频响差，并结合预置矩阵计算模块生成的预置矩阵，计算各通道校正滤波器系数，得到校正滤波器，完成校正滤波器设计；
幅相校正：天线接收射频信号经天线接口单元、变频模块、AD采集和预处理模块预处理后，得到基带数字信号，基带数字信号经过校正滤波器滤波，实现L路通道的幅相修正。
本发明具有如下有益效果：
能够提升宽带通道校正性能。本发明通过参考通道选择、校正滤波器、幅相校正等三个措施，给出了一种改进的宽带通道校正方法的详细实施步骤，首先通过各路通道的相位差信息，自适应选择参考通道，根据计算得到的各通道与参考通道间的频响差，结合预置矩阵，计算各通道滤波器系数，完成校正滤波器设计。引入参考通道的自适应选择，显著提升了宽带通道幅相校正的性能，并进行了计算机仿真对比，为数字波束形成前的宽带通道校正手段提供了有益参考。
计算简单，易于工程化实现。本发明在校正滤波器设计过程中，加权窗只需要采集一次任意一个通道的幅度信息，另外，对于计算量较大的预置矩阵可事先计算好存储在内存，计算校正滤波器时，直接调取即可，而且，校正滤波器阶数一般在20阶以内，即可达到较好的校正效果，工程实现代价较小。因此，该方法计算简单，易于工程实现，给宽带数字波束合成系统中宽带通道校正的工程实现提供了有益参考。
本发明可用于数字波束合成前的通道幅相修正，也可以用于干涉仪测向系统中测向前的通道幅相校正。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明数字波束合成系统参考通道选择与滤波器设计的电路原理框图；
图2是本发明数字波束合成系统多通道幅相校正的电路原理框图；
图3是本发明校正前各通道间实测数据的幅度差曲线示意图；
图4是本发明校正前各通道间实测数据的相位差曲线示意图；
图5是本发明校正后各通道间实测数据的幅度差实测性能对比曲线示意图；
图6是本发明校正后各通道间实测数据的相位差实测性能对比曲线示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，可以通过参考通道选择、校正滤波器计算、幅相校正可以按如下三个步骤来完成多通道间幅相校正。
参考通道选择：在自适应校正过程开始前，校正信号源发出的梳状谱信号通过天线接口单元馈入，数字波束合成系统中L路通道变频模块变频到中频，经AD采样模块模数AD完成采样，采样后的数字信号经预处理模块变频、抽取和滤波后，通过FFT计算模块做N点傅里叶变换FFT计算和相位差提取模块对相位差提取后，参考通道选择模块根据各通道间的相位差信息，自适应选择参考通道；
校正滤波器设计：自适应选择最佳参考通道后，提取标校信号的幅度作为加权窗，将加权窗加入滤波器计算时预置矩阵的计算中，计算各通道与参考通道间的频响差，根据频响差，并结合预置矩阵计算模块生成的预置矩阵，计算各通道校正滤波器系数，得到校正滤波器，完成校正滤波器设计；
幅相校正：天线接收射频信号经天线接口单元、变频模块、AD采集和预处理模块预处理后，得到基带数字信号，基带数字信号经过校正滤波器滤波，实现L路通道的幅相修正。
AD采样模块采样后的数字信号通过预处理模块预处理，完成变频、抽取、滤波处理后，由FFT计算模块做点傅里叶变换FFT，得到各路频率响应Fi(n)。FFT计算模块根据第i通道的频率响应Fi(n)，计算第i通道与第1通道间的频率响应差值Di(n)＝F1(n)/Fi(n),其中，i＝1,2…,L，n＝1,2…N，L为通道数，N为FFT点数。相位差提取模块对频率响应差值Di(n)取相位，得到N点FFT的相位值Pi(n)，按照梳状谱中的单频点个数J，提取对应梳状谱信号处的相位差值
Figure BDA0002517417070000041
其中，i＝1,2…,L，j＝1,2…J，L为通道数，J为梳状谱中的单频点个数，得到各通道与第1通道间的相位差值，根据相位差计算相位差斜率的公式
Figure BDA0002517417070000042
计算各通道与第1通道间的各路相位差值
Figure BDA0002517417070000043
的斜率，其中，i＝1,2…,L，k＝2，…J，j＝1,2…J，L为通道数，J为梳状谱中的单频点个数，最后，统计各路相位差斜率中为负的个数，选择负数个数最少的那一路作为参考通道。
校正滤波器设计：包含预置矩阵生成和滤波器系数计算。
预置矩阵生成，预置矩阵计算模块构造频率因子阵A
Figure BDA0002517417070000044
其中，e表示自然常数，N为FFT计算的点数，M为校正滤波器阶数。
FFT计算模块提取任意一个通道的傅里叶变换FFT结果F(i)的幅度值Ampi，Ampi＝|F(i)|，生成N×N的对角矩阵W
Figure BDA0002517417070000045
预置矩阵计算模块利用公式B＝[(WA)H(WA)]-1(WA)HW＝(AHWHWA)-1AHWHW，计算预置矩阵B，其中，F(i)表示FFT结果，Ampi表示某一通道傅里叶变换FFT结果F(i)的幅度值，i＝1,2…,N，N为FFT计算的点数，A为频率因子阵，W表示幅度对角矩阵，H为共轭转置，
滤波器系数计算，滤波器计算模块根据参考通道的频率响应F0(n)与各通道的频率响应Fi(n)，按照如下公式计算各通道与参考通道的频率响应差值ci(n)，ci(n)＝F0(n)Fi(n)，生成各通道的频率响应差矩阵Ci＝[ci(1),ci(2),…,ci(N)]，根据频率响应差矩阵Ci与预置矩阵B，计算各通道的校正滤波器系数hi，
Figure BDA0002517417070000051
其中，T表示转置，i＝1,2,…,L，n＝1,2,…,N，L为通道数，N为FFT点数。
参阅图2，幅相校正：空间电磁信号经1…L路阵列天线，通过天线接口单元接收、滤波、放大后，分别在各路通道的变频模块中变频为中频信号，经AD采样模块变为数字信号，再经预处理模块预处理抽取、滤波后，输出L路基带信号Xi，各通道数字信号通过各接入的一个校正滤波器滤波，进行幅相修正，得到修正后的各通道信号Yi，其中，i＝1,2…,L，L表示数字波束合成系统中通道数。
参阅图3～图6。图3～图6为16通道校正前后的实测数据，实测性能对比。图3～图4为校正前各通道间及通道内存在的幅相差；图5～图6为校正后通道间及通道内残存的幅相差，其中对比了是否采用自适应选择参考通道策略的幅相校正性能，黑色曲线为以1通道为参考通道，校正后的各通道间及通道内残存的幅相差；蓝色曲线为采用自适应选择参考通道措施，校正后的各通道间及通道内残存的幅相差。从蓝色曲线与黑色曲线的对比可以看出，采用自适应选择参考通道策略后，第9～16通道的校正后残存的幅相差明显减小了，通道幅相校正效果得到显著提高，校正后，全频段残存幅度差小于1dB(绝大多数小于0.5dB)，残存相位差小于5°。
综上所述，以上仅为本发明的其中一个实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于包括如下步骤：
参考通道选择：在自适应校正过程开始前，校正信号源发出的梳状谱信号通过天线接口单元馈入，数字波束合成系统中L路通道变频模块变频到中频，经AD采样模块模数AD完成采样，采样后的数字信号经预处理模块变频、抽取和滤波后，通过FFT计算模块做N点傅里叶变换FFT计算和相位差提取模块对相位差提取后，计算每个通道的相位差斜率，并统计各路相位差斜率为负的个数，选择负数个数最少的那一路作为参考通道；
校正滤波器设计：选择参考通道后，提取标校信号的幅度作为加权窗，将加权窗加入滤波器计算时预置矩阵的计算中，计算各通道与参考通道间的频响差，根据频响差，并结合预置矩阵计算模块生成的预置矩阵，计算各通道校正滤波器系数，得到校正滤波器，完成校正滤波器设计；
幅相校正：天线接收射频信号经天线接口单元、变频模块、AD采集和预处理模块预处理后，得到基带数字信号，基带数字信号经过校正滤波器滤波，实现L路通道的幅相修正。
2.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：相位差提取模块以第一通道为参考通道，计算各路通道与第一通道间的相位差，参考通道选择模块根据各通道间的相位差信息，自适应选择参考通道。
3.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：自适应选择最佳参考通道后，FFT计算模块提取标校信号的幅度作为加权窗，将加权窗加入滤波器计算时预置矩阵的计算中，根据各通道与参考通道间频响差与预置矩阵，计算各通道校正滤波器系数，完成校正滤波器设计。
4.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：空间电磁信号经L路阵列天线、天线接口单元接收，在变频模块中变频到中频，再经AD采样、预处理抽取滤波后，L路基带信号各经过校正滤波器滤波，实现L路通道的幅相校正。
5.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：在参考通道选择中，由标校源发出的梳状谱标校信号经过天线接口单元功分成L路，再经变频模块变频到中频，AD采样模块对变频模块中输出的中频信号进行采样，得到AD转换后的数字信号，再通过预处理模块变频、抽取和滤波后，FFT计算模块完成N点傅里叶变换FFT，得到各路频率响应Fi(n)，根据第i通道的频率响应Fi(n)，计算各通道与第1通道间的频率响应差值Di(n)，Di(n)＝F1(n)/Fi(n),其中，i＝1,2…,L,n＝1,2…N，L为通道数，N为FFT点数。
6.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：相位差提取模块对频率响应差值Di(n)取相位，得到N点FFT的相位值Pi(n)，Pi(n)＝angleDi(n)，相位差提取模块按照梳状谱中的单频点个数J，提取对应梳状谱信号处的相位值
Figure FDA0003712219550000021
得到各通道与第1通道间的相位差值，按照相位差计算相位差斜率的公式
Figure FDA0003712219550000022
计算各路相位差值
Figure FDA0003712219550000023
的斜率，统计各路相位差斜率中为负的个数，选择负数个数最少的那一路作为参考通道，其中，i＝1,2…,L，n＝1,2…N，k＝2，…J，L为通道数，N为FFT点数，J为梳状谱中的单频点个数。
7.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：校正滤波器设计包含预置矩阵生成和滤波器系数计算，预置矩阵计算模块构造频率因子阵A
Figure FDA0003712219550000024
其中，e表示自然常数，N为FFT计算的点数，M为校正滤波器阶数。
8.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：相位差值提取模块提取任意一个通道的N点FFT结果F(n)的幅度值Ampn，Ampn＝|F(n)|，生成N×N的对角矩阵W
Figure FDA0003712219550000025
预置矩阵计算模块利用公式B＝[(WA)H(WA)]-1(WA)HW＝(AHWHWA)-1AHWHW，计算预置矩阵B，其中，F(n)表示N点FFT结果，Ampn表示N点FFT结果F(n)的幅度值，n＝1,2…,N，N为FFT计算的点数，A为频率因子阵，W表示幅度对角矩阵，H为共轭转置。
9.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：滤波器计算模块根据参考通道的频率响应F0(n)与各通道的频率响应Fi(n)，按照如下公式计算各通道与参考通道的频率响应差值ci(n)，ci(n)＝F0(n)/Fi(n)，生成各通道的频率响应差矩阵Ci＝[ci(1),ci(2),…,ci(N)]，根据频率响应差矩阵Ci与预置矩阵B，计算各通道的校正滤波器系数hi，hi＝BCi T，其中，T表示转置，i＝1,2,…,L，n＝1,2,…,N，L为通道数，N为FFT点数。
10.如权利要求1所述的数字波束合成系统多通道幅相校正方法，其特征在于：空间电磁信号经1…L路阵列天线，通过天线接口单元接收，滤波、放大后，分别在各路通道的变频模块中变频为中频信号，经AD采集变为数字信号，再经预处理模块预处理抽取滤波后，输出L路基带信号Xi，各通道数字信号通过各接入的一个校正滤波器滤波，进行幅相修正，得到修正后的各通道信号Yi，其中，i＝1,2…,L，L表示数字波束合成系统中通道数。
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