CN111913160A

CN111913160A - 一种校正系数获取方法及阵列接收系统

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Publication number: CN111913160A
Application number: CN202010938528.9A
Authority: CN
Inventors: 王正海; 王玉皞; 周辉林; 王早
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: CN111913160B

Abstract

本发明提供一种校正系数获取方法及阵列接收系统，该方法包括：分别获取各个接收通道在预设的多个目标频段下实时接收的当前接收信号；建立当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步，并计算出同步后载波信号的实际幅相值，得到各个接收通道在各目标频段下的实际幅相值；根据各个接收通道在各目标频段下的实际幅相值和预置幅相相关矩阵，计算出各个接收通道的全频段的幅相校正系数。本发明通过以共同参考信号为参考结合外部辐射信号，实时地计算出各个接收通道的在若干预设频段的实际幅相值，并将实际幅相值与预置幅相相关矩阵比对，以实时地计算得出系统的多通道全频段校正系数，避免系统随时间的漂移和性能恶化，避免设计专用的接收校正电路。

Description

一种校正系数获取方法及阵列接收系统

技术领域

本发明涉及无线信息系统技术领域，特别涉及一种校正系数获取方法及阵列接收系统。

背景技术

在无线通信（比如，5G、4G、战术无线通信、卫星通信）、雷达（相控阵雷达、多基地雷达、机载雷达、舰载雷达、星载雷达等）、无源探测、外源探测等现代电子装备的接收系统中，都配置了超大规模阵列接收系统。比如，5G的代表性技术Massive MIMO的接收子系统的阵列规模可以达到64个通道；相控阵雷达、相控阵无源探测系统的接收子系统的阵列规模可以达到1000-100000个接收通道；外源探测系统的阵列规模一般为5-17个通道。接收子系统采用大规模的接收通道，可以获得更高的信噪比，获得更多的目标或环境信息，成为当今和未来无线电子设备和系统发展的标准配置。

在实际工程应用中，受环境的变化、天线之间的耦合、以及器件本身的物理特性等影响，大规模阵列接收系统存在的误差主要有：阵元间互耦、阵元位置误差和通道误差等。

现有技术当中，如图1所述，在大规模阵列接收系统中，为了克服阵列通道的误差，设计了专门的校正电路，对阵列通道误差进行校正。在系统工作的过程中，系统周期性地或者在监测到阵列通道误差恶化到一定的门限时，系统中断正常的接收流程，通过开关矩阵将校准源输出的校准信号导入至阵列的接收通道，此时，阵列天线接收到的信号不再进入阵列接收通道，经过阵列接收通道所含的射频前端和射频后端的调理，各个接收通道都分别接收到同一个校准源输出的校准信号，经数字处理器的处理，计算得出各个阵列接收通道的校准系数。

在上述处理的过程中，校准的关键的一步是校准源输出校准信号，经功分器和开关矩阵，切断天线接收到的空间辐射信号，将同一份校准信号导入到的阵列所有接收通道，并经过各个通道的非理想因素的分别调制后，在数字处理器中，获得各个通道的校准系数。以上传统的处理方法，有以下几个问题：一、校准的过程中，正常的接收流程需要中断；二、设计专用的校准电路，含功分器、开关矩阵、校准源，增加电路的复杂度和成本；三、校正信号不能由阵元注入，因而不能校正阵元互耦和阵元位置误差；四、开关矩阵和功分器，会恶化正常的接收电路，提高噪声指数；五、对于超宽带和大规模阵列系统，一次校正的时间很长，影响系统的有效工作时间。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种校正系数获取方法及阵列接收系统，以解决现有采用专门的校正电路来校正阵列通道误差带来的各种问题。

根据本发明实施例的一种校正系数获取方法，所述方法包括：

分别获取各个接收通道在预设的多个目标频段下实时接收的当前接收信号；

建立所述当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步，并计算出同步后的载波信号的实际幅相值，以得到各个所述接收通道在各目标频段下的实际幅相值；

根据各个所述接收通道在各目标频段下的实际幅相值和预置幅相相关矩阵，计算出各个所述接收通道的全频段的幅相校正系数。

另外，根据本发明上述实施例的一种校正系数获取方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，建立所述当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步的步骤包括：

计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相关谱；

根据所述相关谱中的最大值，计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相对时间延迟；

以所述相对时间延迟对所述共同参考信号进行延迟，以得到时间同步后的参考信号。

进一步地，计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相关谱的步骤包括：

对所述共同参考信号循环移位n次，n是满足0≤n≤N-1的所有整数，以将所述共同参考信号变换为N组延迟相差1个采样点的延迟参考信号；

将N组所述延迟参考信号分别与所述当前接收信号共轭相乘，并对N组相乘结果进行累计，以得到所述相关谱。

对所述共同参考信号进行傅里叶变换，再对傅里叶变换后的共同参考信号求共轭；

利用共轭后的共同参考信号乘以所述当前接收信号的傅里叶变换，并对乘积进行逆傅里叶变换，以得到相关谱。

进一步地，所述当前接收信号和所述共同参考信号的相对时间延迟τ的计算公式为：

其中，xcor _n是所述相关谱，n表示延迟索引，n=0，…，N-1，N是所述共同参考信号的总采样点数，n _p是所述相关谱中的最大值对应的采样点延迟索引，const表示预设常数。

进一步地，所述计算出同步后的载波信号的实际幅相值的步骤包括：

将所述时间同步后的参考信号和所述当前接收信号对应位共轭相乘，对乘积求和，得到载波幅相值y _τ；

对所述载波幅相值y _τ求共轭，并除以其2范数，并记录所述载波幅相值y _τ对应的接收通道编号l和频段编号r，以得到第l个接收通道的第r个频段的实际幅相值y _l,r；其中，

其中，z _n表示接收信号的第n位，x _n表示参考信号的第n位，τ表示接收信号和参考信号的相对时间延迟，N表示参考信号的总采样点数，conj (.)表示求共轭。

进一步地，其中，所述预置幅相相关矩阵定义为：

M表示接收通道的总数；K表示接收频段的总数；H _m,k的总维度为M×K，表示第m个接收通道的第k个频段与总共M个接收通道K个接收频段之间的相关系数，m=0,…M-1, k=0,…K-1。

进一步地，在所述分别获取各个接收通道在预设的多个目标频段下实时接收的当前接收信号的步骤之前，所述阵列接收方法还包括：

生成各个所述接收通道时间同步所需的所述共同参考信号；

其中，生成各个所述接收通道时间同步所需的所述共同参考信号的步骤包括：

利用预先存储的生成多项式及参数，生成所述共同参考信号；或

顺序循环读出预先存储的随机信号，以生成所述共同参考信号。

进一步地，所述幅相校正系数的计算公式为：

W _m，k表示第m个接收通道的第k个频段的校正系数，Y=[y _l,r]表示由所有计算的实际幅相值y _l,r组成的观测行向量，conj(Y)表示求所述观测行向量的共轭，

的具体运算定义为：从第m个接收通道的第k个频段的预置幅相相关矩阵H _m，k中取出与所有所述实际幅相值y _l,r对应的预置幅相相关值；将所述预置幅相相关值组成列向量；对所述列向量除以所述列向量的1范数。

根据本发明实施例的一种阵列接收系统，所述系统包括：

参考信号模块，用于生成各个接收通道时间同步所需的共同参考信号；

多个同步捕获模块，每个所述接收通道对应设置一个所述同步捕获模块，所述同步捕获模块用于获取对应的所述接收通道在预设的多个目标频段下实时接收的当前接收信号，并建立所述当前接收信号与所述共同参考信号之间的时间同步；

多个载波幅相估计模块，每个所述接收通道对应设置一个所述载波幅相估计模块，所述载波幅相估计模块用于计算出经所述同步捕获模块同步后的载波信号的实际幅相值，以得到各个所述接收通道在各目标频段下的实际幅相值；

预置矩阵存储模块，用于存储各个所述接收通道的全频段预置幅相相关矩阵；

幅相校正模块，用于根据各个所述接收通道在各目标频段下的实际幅相值和预置幅相相关矩阵，计算出各个所述接收通道的全频段的幅相校正系数。

与现有技术相比：通过以共同参考信号为参考，结合各通道少量预设目标频段实时接收的外部辐射信号，实时地计算出各个接收通道的在所述预设目标频段的实际幅相值，并将实际幅相值与预置幅相相关矩阵比对，以实时地计算得出系统的多通道全频段校正系数，克服系统随时间的漂移和性能恶化，避免设计专用的接收校正电路，从而解决传统采用专门的校正电路带来的各种问题。

附图说明

图1为现有技术当中的专门设计的校正电路的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的校正系数获取方法的流程图；

图3为本发明第二实施例中的阵列接收系统的结构示意图。

以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参阅图2，所示为本发明第一实施例中的校正系数获取方法，可应用于阵列接收系统当中，所述方法具体：

步骤S01，分别获取各个接收通道在预设的多个目标频段下实时接收的当前接收信号；

步骤S02，建立所述当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步，并计算出同步后的载波信号的实际幅相值，以得到各个所述接收通道在各目标频段下的实际幅相值；

步骤S03，根据各个所述接收通道在各目标频段下的实际幅相值和预置幅相相关矩阵，计算出各个所述接收通道的全频段的幅相校正系数。

其中，共同参考信号为各个接收通道共用的参考信号，也即在某一时刻生成的参考信号将分别提供给各个接收通道。在具体实施时，共同参考信号可通过多项式及参数生成而来，或者从预先存储的随机信号集合中顺序读出，即在随机信号集合中按顺序挑选出一个随机信号作为共同参考信号。另外，需要说明的是，所述目标频段为整个接收通道的所有接收频段中的任一或多个接收频段，可根据需求进行指定。

此外，在接收通道接收到外部辐射信号之后，会建立当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步，即使当前接收信号与共同参考信号在时间上同步，例如将共同参考信号的时间延迟以和当前接收信号同步。

在具体实施时，建立所述当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步的步骤包括：

计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相关谱；

也就是说，在对信号进行时间同步时，首先，计算当前接收信号和共同参考信号的相关谱；接着，找到相关谱中的最大值；然后，计算当前接收信号和共同参考信号的相对时间延迟τ；最后使共同参考信号延迟该相对时间延迟τ，即可完成当前接收信号和共同参考信号的时间同步。

其中，所述当前接收信号和所述共同参考信号的相对时间延迟τ的计算公式为：

其中，在一些可选实施例当中，计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相关谱的步骤包括：

或者，在另一些可选实施例当中，计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相关谱的步骤包括：

也即，计算相关谱两种方式，具体如下：

对所述共同参考信号循环移位n次，n是满足0≤n≤N-1的所有整数，以将所述共同参考信号变换为N组延迟相差1个采样点的延迟参考信号，上述N组延迟共同参考信号与当前接收信号共轭相乘，并得到N组累加值，N组累加值就是相关谱。

或：

对共同参考信号进行傅里叶变换，再对傅里叶变换后的共同参考信号求共轭，接着，用上述共轭后的信号乘以当前接收信号的傅里叶变换，最后，对乘积进行逆傅里叶变换，得到相关谱。

其中，幅相值包括幅度和相位，在完成时间同步之后，再计算出同步后的载波信号的幅相值，具体是从同步后的信号中求取中心频率的幅度和相位。具体地，在一些可选实施例当中，所述计算出同步后的载波信号的实际幅相值的步骤包括：

此外，在本实施例当中，所述预置幅相相关矩阵定义为：

M表示接收通道的总数；K表示接收频段的总数；H _m,k的总维度为M×K，表示第m个接收通道的第k个频段与总共M个接收通道K个接收频段之间的相关系数，m=0,…M-1, k=0,…K-1。在此需要说明的是，由于接收通道在实时的接收各目标频段下的外部辐射信号，则步骤S02也在实时建立接收通道当前接收信号与共同参考信号之间的时间同步，并计算出同步后的载波信号的实际幅相值，因此步骤S02能够计算得到各个接收通道在各目标频段下的实时实际幅相值。

需要说明的是，预置幅相相关矩阵可以为在系统典型工作条件下预先标定的各个接收通道的所有接收频段（全频段）的幅相值构成的相关矩阵，或者预置幅相相关矩阵也可以是在系统典型工作条件下经过同样方法（即步骤S01- S02）获取得到的各个接收通道在各频段下的幅相值，然后将各个接收通道的各频段的幅相值组建相关矩阵，以得到预置幅相相关矩阵并存储起来。

在获得各个接收通道在各目标频段下的实际幅相值之后，可将当前获得的各个接收通道在各目标频段下的实际幅相值与预置幅相相关矩阵中的对应幅相相关值进行比对，从而得到各个接收通道的全频段幅相校正系数，由于各个接收通道的实际幅相相关矩阵在实时获得，因此可以实时地监测和校正多通道全频段接收系统（即阵列接收系统）随时间的漂移和性能恶化。

或者，各个所述接收通道的各目标频段的幅相校正系数也可以通过以下公式计算得到：

在具体实施时，可以采用实时获得的幅相校正系数实时对各个阵列接收通道的参数进行校正，以实时校正接收系统的状态，实时高效地控制和优化多通道全频段接收系统的性能；或者也可以在当幅相误差达到一定门限（可预设）之后，再采用当前幅相校正系数对各个阵列接收通道的参数进行校正。其中，对阵列接收通道的参数进行校正的方式与传统方式相同，在此不做详细描述。

综上，本发明上述实施例当中的校正系数获取方法，通过以共同参考信号为参考，结合各通道实时接收的外部辐射信号，实时地计算出各个接收通道的实际幅相值，并将实际幅相值与预置幅相相关矩阵比对，以实时地计算得出系统的多通道全频段校正系数，避免系统随时间的漂移和性能恶化，避免设计专用的接收校正电路，避免中断系统的正常接收工作流程，实时校正接收系统的状态，实时高效地控制和优化全频段多通道接收系统的性能，避免增加电路的复杂度和成本，避免校正信号不能由阵元注入，因而不能校正阵元互耦和阵元位置误差，避免恶化正常的接收电路，提高噪声指数，从而解决传统采用专门的校正电路带来的各种问题。

进一步地，在本发明另一实施例当中，在步骤S01之前和/或在执行步骤S01的过程当中，所述校正系数获取方法还可以包括：

生成各个所述接收通道时间同步所需的所述共同参考信号；

其中，生成各个所述接收通道时间同步所需的所述共同参考信号的步骤包括：利用预先存储的生成多项式及参数，生成所述共同参考信号；或

也就是说，在执行步骤S01之前和/或在执行步骤S01的过程当中，采用多项式及参数生成或从随机信号集合中顺序循环读出一参考信号，以生成各个接收通道时间同步所需的共同参考信号。

实施例二

本发明另一方面还提供一种阵列接收系统，请查阅图3，所示为本发明第二实施例中的阵列接收系统，所述阵列接收系统为多通道全频段接收系统，所述阵列接收系统具体包括：

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述同步捕获模块可以包括：

相关谱计算单元，用于计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相关谱；

延迟计算单元，用于根据所述相关谱中的最大值，计算所述当前接收信号和所述共同参考信号的相对时间延迟；

时间同步单元，用于以所述相对时间延迟对所述共同参考信号进行延迟，以得到时间同步后的参考信号。

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述参考信号模块还用于利用预先存储的生成多项式及参数，生成所述共同参考信号；或顺序循环读出预先存储的随机信号，以生成所述共同参考信号。

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述相关谱计算单元还用于对所述共同参考信号循环移位n次，n是满足0≤n≤N-1的所有整数，以将所述共同参考信号变换为N组延迟相差1个采样点的延迟参考信号；并将N组所述延迟参考信号分别与所述当前接收信号共轭相乘，并对N组相乘结果进行累计，以得到所述相关谱。

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述相关谱计算单元还用于对所述共同参考信号进行傅里叶变换，再对傅里叶变换后的共同参考信号求共轭；并利用共轭后的共同参考信号乘以所述当前接收信号的傅里叶变换，并对乘积进行逆傅里叶变换，以得到相关谱。

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述当前接收信号和所述共同参考信号的相对时间延迟τ的计算公式为：

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述载波幅相估计模块可以包括：

幅相值计算单元，用于将所述时间同步后的参考信号和所述当前接收信号对应位共轭相乘，对乘积求和，得到载波幅相值y _τ；并对所述载波幅相值y _τ求共轭，并除以其2范数，并记录所述载波幅相值y _τ对应的接收通道编号l和频段编号r，以得到第l个接收通道的第r个频段的实际幅相值y _l,r；其中，

进一步地，在本发明一些可选实施例当中，其中，所述预置幅相相关矩阵定义为：

其中，各个所述接收通道的各目标频段的幅相校正系数的计算公式为：

上述各模块、单元被执行时所实现的功能或操作步骤与上述方法实施例大体相同，在此不再赘述。

综上，本发明上述实施例当中的阵列接收系统，通过以共同参考信号为参考，结合各通道在预设频段实时接收的外部辐射信号，实时地计算出各个接收通道的在预设频段的实际幅相值，并将实际幅相值与预置幅相相关矩阵比对，以实时地计算得出系统的多通道全频段校正系数，避免系统随时间的漂移和性能恶化，避免设计专用的接收校正电路，避免中断系统的正常接收工作流程，实时校正接收系统的状态，实时高效地控制和优化全频段多通道接收系统的性能，避免增加电路的复杂度和成本，避免校正信号不能由阵元注入，因而不能校正阵元互耦和阵元位置误差，避免恶化正常的接收电路，提高噪声指数，从而解决传统采用专门的校正电路带来的各种问题。

本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。