CN112305526A - 一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法。本发明的提出一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法，该方法采用在分布式阵列外放置一具有无线收发功能的标校源，首先利用激光或超宽带等高精度定位方法得到标校源位置，然后通过标校源发射同步信号到待同步的分布式阵列，根据标校源与子孔径的距离计算理论时延和相位偏差值，并在孔径端求解各通道信号到达时间和相位偏差，它与理论值的偏差就是系统同步误差，最后通过对目标接收信号进行时延补偿和相位共轭补偿就完成了系统同步。该方法计算简单快速，且具有较高的估计精度，一来可以用于各阵元的时间同步，二来可以有效校正系统的相位误差。

Description

一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体是涉及一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法。

技术背景

分布式阵列雷达采用多个空间分布的收发子孔径，可等效形成大的阵列孔径。通过对各阵元接收的信号进行相位调整，使之同相相加实现接收相参，可以有效提高接收信号增益。对于有N个阵元的分布式阵列，理论上来说，可实现N倍的信号处理增益。但实际情况中，各子孔径之间间距较远，各孔径的频率源和时钟源往往不同，且位置估计误差较大，各孔径时钟触发时刻不同，各通道的不一致性等都会引入相应的相位误差，导致分布式阵列的相位不同步，从而影响系统的相参合成效率。要想实现分布式阵列的相参，需要较高的时间和相位系统同步精度。

现有的系统同步方法主要分为有线同步方法和无线同步方法。有线同步方法主要使用电缆、光缆等介质作为载体，将时间同步和相位同步信号调至在电信号和光信号上进行传输，同步精度受介质和方法的影响很大，且成本较高，应用场合受限，无法应用在广域、动平台等分布式系统中；无线系统同步方法主要包括卫星同步方法(卫星双向传递法、GPS共视法等)、收发站双向内定标方法和基于强散射体的外定标方法。卫星同步方法，依赖卫星的传递，受电离层因素影响较大，稳定度不足，且卫星信号在战时容易受到干扰。收发站双向内定标方法同步精度较高，但是一次同步仅仅能够完成两站之间的同步，当分布式系统规模较大、节点较多的时候，该方法同步所有节点耗时较多，很满难足系统实时同步校准的需求。基于强散射体的外定标方法一次可以完成分布式阵列中所有节点的同步，时效性较好，然而该方法的同步精度受制于强散射体位置的定位精度，强散射体属于非合作目标，其位置估计精度较差，目标回波较弱，易受周围地杂波影响，系统同步稳定度和同步精度有限，无法完成高合成效率要求下的系统同步要求。

发明内容

为了解决分布式阵列阵元间时间和相位的不同步问题，并针对现有的系统误差校正技术存在的缺点和不足，本发明提出了一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法。本技术无需依靠卫星信号，应用范围较广，属于自同步系统。如图2所示，本方法通过标校源发射参考信号，可以一次性完成所有分布式阵列节点的系统同步，时效性远优于收发站双向内定标方法，可应用于大规模分布式阵列。有别于基于强散射体的外定标方法，本系统采用的外置标校源属于合作目标，其自身位置可以通过多种手段(如激光、超宽带定位系统等)进行精确估计，可以满足系统高精度同步要求。此外本系统发射的参考信号，不受周围环境地杂波的影响，可以有效提高系统同步精度。除了系统架构不一样外，基于强散射体的外定标方法属于双程传播同步，而本技术属于单程传播，因此在同步技术细节上有本质区别。

本发明提供一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法，在阵列外放置一标校源，利用标校源发射信号到天线阵列，然后通过分析阵列接收到的信号估计阵列系统误差，最后通过估计的系统误差进行时间和相位的校正来实现同步。

所述分布式阵列系统实现接收相参的过程实际上是进行相位调整使信号同相相加，在没有同步误差的理想情况下，各阵元的时间差Δτ和相位差φ只由目标到达各阵元的距离差决定：Δτ＝τ_i-τ₁，φ＝2πf(τ_i-τ₁)，其中τ_i＝r_i/c，其中r_i为目标达到第i个阵元的距离，阵元接收目标回波信号的相位为：-2πfτ_i。

在实际情况下，由于分布式阵列规模较大，各阵元频率源和时钟源往往不同，各孔径时钟触发时刻不同，各阵元位置误差和通道不一致性都会带来相位误差，阵列无法实现接收相参。

所述分布式阵列系统的系统误差分为时间同步误差和相位同步误差，相位同步误差的来源主要有由时间同步误差引起的相位误差Δκ_ti；通道不一致引入的相位误差κ_ri；阵元估计误差造成的相位误差κ_pi以及频率源引起的相位误差κ_fi，此时，阵元接收到的回波相位变成了-2πfτ_i-κ_fi+κ_pi+κ_ri+Δκ_ti。

所述分布式阵列系统同步方法是一种基于N个阵元的均匀线阵的系统同步方法，通过标校源发射参考信号，同时进行时间和相位的校正。

所述分布式阵列的阵列孔径为L，第i个阵元位置为(x_i,y_i,z_i)＝((i-1)d,0,0)，其中d为阵元间距。

步骤1确定标校源位置

本发明的标校源属于合作目标，采用激光或超宽带等定位手段进行精确定位，位置精度可以达到厘米级。

步骤2：标校源发射参考信号，阵列接收回波信号

设标校源位置为(x₀,y₀,z₀)，到第i个阵元的距离为r_0i，对应时延为τ_0i＝r_0i/c。在t₀时刻，标校源发射参考信号，t_i为第i个阵元接收到标校源信号的时刻，此时接收到的信号的包含的时间偏差和相位偏差除了由于传播时延引起的误差，还有系统误差。

步骤3将回波信号脉冲压缩，搜寻峰值最高点

将接收回波与参考信号进行相关处理，此时峰值对应的时刻就是回波到达的真实时刻t_i，峰值对应的相位就是真实的相位偏差ρ_ri。

步骤4计算系统时间和相位偏差进行同步校正

对于时间同步校正，设各个阵元相对标校源的时间偏差为α_i，t_i有：

t_i＝t₀+τ_0i+α_i

减去由于传播路径引起的理论时延τ_0i＝r_0i/c和发射时间，就得到时间偏差，最后对于阵元接收到的信号进行相应的时延补偿就完成了系统时间误差校正。

对于相位同步，由于系统相位误差的存在，实际接收到的相位值为：

其中

为相位测量值的ρ_ri的估计误差。

将接收回波的实际相位减去由于传播路径引起的相位偏差就得到了系统相位误差

通过对各阵元的接收信号乘以

进行共轭补偿，就完成了相位误差校正。

本发明的有益效果：

本发明设计了一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法，该方法通过在阵列外一空间位置放置标校源，利用高精度定位方法确定标校源的位置，然后标校源收发参考信号进行时间和相位的同步，由于发射的参考信号，不受周围环境地杂波的影响，有效提高了系统同步的精度，且不同于基于强散射体的外定标法，本发明采用单程传播，计算简单，通过合理的放置标校源的位置，理论上可以校正所有阵列误差。

附图说明

图1本发明系统同步流程示意图；

图2为本发明基于标校源的系统同步示意图；

图3为利用标校源校正后时间残余误差随信噪比的变化；

图4为利用标校源校正后相位残余误差随信噪比的变化；

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的流程为：在分布式阵列外放置标校源，通过高精度测距手段(激光定位、超宽带定位)获得标校源位置，标校源向阵列发射参考信号，各阵元接收标校源信号，对接收信号进行脉冲压缩，搜寻脉冲压缩后信号的峰值，在时间同步阶段，峰值所对应的时间就是标校源信号实际到达各阵元的时间，减去由于传播路径引起的时延，就得到系统时间偏差，对各阵元用延时器进行时间偏差补偿完成时间同步；在系统同步阶段，峰值所对应点处的相位就是标校源信号达到各阵元的实际相位偏差，减去由于传播路径引起的相位偏差就得到了系统相位误差，通过对各阵元的系统相位误差用共轭补偿的方式完成相位校正。

实施例：

假设8个阵元均匀分布在10km范围内，阵元间距d＝1.25km，第i个阵元的坐标为(x_i,y_i,z_i)＝(1.25i-6.25,0,0)，载频f_c＝600Mhz，标校源的发射的参考信号的基带带宽为1MHz，脉冲宽度为50us，采样频率为60MHz，系统时间偏差α_i＝1us，系统相位误差

服从零均值的正态分布。

下面利用本发明所提出的基于标校源的系统同步方法进行误差校正，所诉系统同步示意图如图2所示，步骤如下；

步骤1:在阵列外放置标校源，并利用超宽带定位得到标校源的精确位置。

步骤2：标校源在t₀时刻发射同步参考信号，各阵元接收标校源回波信号。

标校源发射线性调频信号

由于系统误差的存在，第i个阵元接收信号可表示为：

其中t_0i表示信号由于传播路径和系统误差产生的时延，t_0i＝τ_0i+α_i；

表示系统相位误差，假设步骤1得到的标校源位置为(0,10km,0)，r_0i为第i个阵元到标校源的距离，对应时延为τ_0i＝r_0i/c，计算得到：

τ₀＝[τ₀₁τ₀₂...τ₀₈]＝10^-5*[3.73 3.54 3.41 3.34 3.34 3.41 3.54 3.73]。

步骤3：将回波信号进行脉冲压缩，搜寻峰值点，峰值点对应的时刻就是回波到达的真实时刻t_i，峰值点对应的相位就是真实的相位偏差ρ_ri。

步骤4：计算系统时间和时间偏差并进行同步校正，容易得到系统时间偏差α_ir＝t_i-t₀-τ_0i，对于接收到的信号进行时延补偿就完成了时间同步，图3显示了不同信噪比下，利用本发明校正以后的系统残余时间误差。

对于相位同步，真实的相位偏差

减去由于传播路径引起的相位偏差就得到系统相位误差

通过对各阵元的接收信号乘以

进行共轭补偿，就完成了相位误差校正，图4表明了在不同信噪比下，利用本发明校正以后的系统残余相位误差。

图3和图4表明随着信噪比的提高，利用本发明计算的系统偏差的误差逐渐变小，近似为0，时间同步精度达到了ns级，同步精度很高。

Claims (1)

1.一种基于外置标校源的分布式阵列系统同步方法，所述分布式阵列系统为一个N元均匀线阵，阵列孔径为L，阵元间距为d，第i个阵元的位置为(x_i,y_i)＝((i-1)d,0_,0),i＝1_,2,...,N，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在阵列外放置具有无线收发功能的标校源，通过定位方法测出标校源位置(x₀,y₀,z₀)，定义标校源到第i个阵元的距离为r_0i，则对应时延为τ_0i＝r_0i/c，空间目标达到各阵元的时间延迟为τ_i；

S2、标校源在t₀时刻发射参考信号，第i个阵元接收到标校源信号时刻为t_i，接收到的信号由于传播距离和系统误差会产生时间偏差和相位偏差；

S3、将接收到的回波信号与参考信号进行相关处理，搜寻峰值最高点，此时峰值对应的时刻就是回波到达的真实时刻t_i，峰值对应的相位就是真实的相位偏差ρ_ri；

S4、对系统时间和相位偏差进行同步校正：

对于系统时间同步校正，设各个阵元相对标校源的时间偏差为α_i，有：

t_i＝t₀+τ_0i+α_i

减去由于传播路径引起的理论时延τ_0i＝r_0i/c和发射时间t₀，就得到时间偏差α_i，然后对于阵元接收到的信号进行相应的时延补偿即完成系统时间误差校正；

对于相位偏差同步校正，由于系统相位误差的存在，实际接收到的相位值为：

其中，f为载频，κ_fi、κ_p0i、κ_ri、

分别对应频率偏差、位置偏差、通道不一致性误差和时间同步误差带来的相位偏差，

为相位测量值ρ_ri的估计误差；

将接收回波实际相位值减去由于传播路径引起的相位偏差可得到系统相位误差

通过对各阵元接收信号乘以

进行相位共轭补偿，即完成相位误差校正。

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