CN112540355A - 一种相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统 - Google Patents

一种相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其包括步骤，在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号；计算相邻两根天线之间的相位差；根据相位重构变量定义代价函数；对定义的代价函数进行最大值搜索，得到天线阵元之间的间隔。本发明还提供一种存储介质及相位重构雷达天线阵元校正系统，本发明提供的相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统仅需要通过一次测量就可以估计天线阵元位置，而且采用最小二乘方法来估计位置误差，运算量比特征值分解要低。

Description

一种相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统
技术领域
本发明涉及阵列信号处理领域，尤其涉及一种相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统。
背景技术
雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰角，或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标(方位、仰角和距离)中，有两个坐标(方位和仰角)的测量与天线的性能直接有关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。
在雷达天线的类型中，有一种相控阵雷达天线，这种天线是固定不动的。由阵列中每一有源阵元所连接的移相器按照两维扫描所需的相移指令来移相，则波束可在一定的立体角内灵活扫描。相控阵天线的阵面多排列成圆形，以保持各向扫描特性的一致性并得到较低的副瓣。相控阵阵元数量极大，为降低造价可采用疏稀技术，使有源单元数目减少到几分之一。对相控阵可用馈线进行组合馈电，也可采用空间馈电(或称光学馈电)。空间馈电又分为透射式和反射式两类。
雷达天线阵元的位置误差对目标方位估计的精度影响很大，为了准确估计出信号的到达角，需要精确的掌握天线阵元的位置信息。然而由于天线工艺原因，大批量生产的雷达天线阵元位置往往存在一定的误差，因此需要一种简单易行的天线阵元位置估计方法，以较低成本实现天线阵元位置的批量校准。目前雷达天线阵元位置估计通常使用的都是基于回波自相关矩阵的特征值分解方法，在计算自相关矩阵时往往具体多次测量，而特征值分解的计算比较耗时，总体成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统解决现有现有雷达天线阵元位置估计计算时需要多次测量，且特征值分解的计算比较耗时的问题。
为了达到上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是提供一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其包括步骤：在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号；计算相邻两根天线之间的相位差；根据相位重构变量定义代价函数；对定义的代价函数进行最大值搜索，得到天线阵元之间的间隔。
进一步，所述在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号包括步骤：在指定的位置放置目标物；天线发射信号经过目标物；接收从目标物反射回来的信号。
进一步，所述在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号后，计算天线接收信号的相位。
进一步，所述天线接收信号的相位通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002813545800000021
其中，xn是第n根天线的归一化水平坐标，yn是第n根天线的归一化垂直坐标，θk是目标物放置的水平角，φk是目标物放置的俯仰角，
Figure BDA0002813545800000022
为第n根天线接收信号的相位。
进一步，相邻两根天线之间的相位差通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002813545800000023
其中，Arg[s]表示求s的幅角主值，其值域为(-π,π]，vk是相位噪声，Δxn＝xn-xn-1表示天线阵元n和n-1的水平间隔，Δyn＝yn-yn-1表示天线阵元n和n-1的垂直间隔，Δβn＝βn-βn-1表示天线阵元n和n-1的附加相位差，Mk取整数。
进一步，所述根据相位重构变量定义代价函数通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002813545800000031
其中，
Figure BDA0002813545800000032
的取值范围是(-π,π]。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行相位重构雷达天线阵元校正方法。
本发明还提供一种相位重构雷达天线阵元校正系统，其包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现相位重构雷达天线阵元校正方法。
与现有技术相比，本发明所提供的相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统具有以下有益效果：
通过在多个不同角度放置目标，测量天线阵元接收到的信号相位，来估计天线阵元的精确位置，从而对天线阵元位置进行校准，从而仅需要通过一次测量就可以估计天线阵元位置，而且采用最小二乘方法来估计位置误差，运算量比特征值分解要低。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明的保护范围内。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的一种相位重构雷达天线阵元校正方法的流程示意图；
图2为图1中相位重构雷达天线阵元校正方法的原理示意图；
图3为图1中步骤S1的子步骤流程图。
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，以下结合附图及实施例，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。
请参阅图1-2，本发明提供的一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其包括步骤：
S1，在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号；
具体的，通过在多个不同角度的放置目标物，天线发射的信号经过目标物后回反射回去，从而通过提前预知的目标位的位置及反射回去的信号，并在接收到信号后，计算天线接收信号的相位，来预估天线阵元的精确位置。
在本实施例中，将目标放在到(θk,φk)的方位上，其中θk是水平角，φk是俯仰角，于是接收到的信号可表示为：
Figure BDA0002813545800000042
其中，
Figure BDA0002813545800000043
是第n根天线接收信号的相位，An和βn分别为第n根天线的附加幅度和相位，通常是由各个天线上连接信号线的传输衰减和延迟造成的。wn第n根天线接收的噪声，
Figure BDA0002813545800000044
表示如下：
Figure BDA0002813545800000041
其中，xn是第n根天线的归一化水平坐标(相对于雷达信号波长归一化)，而且通常有x0＝0，yn是第n根天线的归一化垂直坐标(相对于雷达信号波长归一化)，而且通常有y0＝0。
如，在本实施例中采用两根天线，其中x0＝0，x1＝6.1。yn是第n根天线的归一化垂直坐标(相对于雷达信号波长归一化)，其中y0＝0，y1＝2.1。实施例中，x1＝6.1且y1＝2.1是未知的，需要通过算法来估计。
S2，计算相邻两根天线之间的相位差；
具体的，通过下列公式进行相位差的计算：
Figure BDA0002813545800000051
其中，Arg[s]表示求s的幅角主值，其值域为(-π,π]，vk是相位噪声。这里Δxn＝xn-xn-1表示天线阵元n和n-1的水平间隔，Δyn＝yn-yn-1表示天线阵元n和n-1的垂直间隔，Δβn＝βn-βn-1表示天线阵元n和n-1的附加相位差。在这一步中，已经消除了天线附加幅度An的影响，但是由于Δβn和Mk的不确定性，在已知
Figure BDA0002813545800000052
的情况下计算Δxn sinθk cosφk+Δynsinφk存在一定的困难。
S3，根据相位重构变量定义代价函数；
具体的，考虑到Mk为整数，而指数函数的幅角对π具有周期性，于是根据相位重构变量：
Figure BDA0002813545800000053
然后定义如下代价函数：
Figure BDA0002813545800000054
将(*)代入上式可得
Figure BDA0002813545800000055
在不考虑噪声vk的情况下，当fx＝Δxn且fy＝Δyn时，Fn(fx,fy)取得极大值K。考虑到|exp(jΔβn)|＝1，这一步实际上消除了附加相位的影响。
S4，对定义的代价函数进行最大值搜索，得到天线阵元之间的间隔；
具体的，对二元函数Fn(fx,fy)中的最大值进行搜索，设最大值为
Figure BDA0002813545800000056
于是可以得到天线阵元间隔为
Figure BDA0002813545800000057
根据上述方法，可以依次计算出任意相邻的两个天线间距。
请参阅图3，步骤S1还包括子步骤:
S11,在指定的位置放置目标物；
具体的，目标物指能够天线发射的信号发射回去的物体，提前在指定的位置放置好目标物，以便于后续根据目标物的位置，对天线之间的位置进行计算。
S12，天线发射信号经过目标物；
具体的，天线发射的信号向四周扩散，并在经过目标物时，被目标物反射回去。
S13，接收从目标物反射回来的信号；
具体的，当信号从目标物放射回来后，对该信号进行收集。
本发明还提供一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述方法步骤。存储介质可以包括如软盘、光盘、DVD、硬盘、闪存、U盘、CF卡、SD卡、MMC卡、SM卡、记忆棒(Memory Stick)、XD卡等。
计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可以是个人计算机设备、服务器或其他网络设备等)用以执行本发明方法的全部或部分步骤。
本发明还提供一种相位重构雷达天线阵元校正系统，该相位重构雷达天线阵元校正系统包括处理器和存储器,存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现相位重构雷达天线阵元校正方法。
与现有技术相比，本发明所提供的相位重构雷达天线阵元校正方法、存储介质及系统具有以下有益效果：
通过在多个不同角度放置目标，测量天线阵元接收到的信号相位，来估计天线阵元的精确位置，从而对天线阵元位置进行校准，从而仅需要通过一次测量就可以估计天线阵元位置，而且采用最小二乘方法来估计位置误差，运算量比特征值分解要低。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其特征在于，包括步骤：
在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号；
计算相邻两根天线之间的相位差；
根据相位重构变量定义代价函数；
对定义的代价函数进行最大值搜索，得到天线阵元之间的间隔。
2.如权利要求1所述的一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其特征在于，所述在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号包括步骤：
在指定的位置放置目标物；
天线发射信号经过目标物；
接收从目标物反射回来的信号。
3.如权利要求1所述的一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其特征在于：
所述在多个不同角度放置目标物，并获取天线接收到目标物反射信号后，计算天线接收信号的相位。
4.如权利要求3所述的一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其特征在于：
所述天线接收信号的相位通过如下公式计算得到：
Figure FDA0002813545790000011
其中，xn是第n根天线的归一化水平坐标，yn是第n根天线的归一化垂直坐标，θk是目标物放置的水平角，φk是目标物放置的俯仰角，
Figure FDA0002813545790000012
为第n根天线接收信号的相位。
5.如权利要求4所述的一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其特征在于：
相邻两根天线之间的相位差通过如下公式计算得到：
Figure FDA0002813545790000013
其中，Arg[s]表示求s的幅角主值，其值域为(-π,π]，vk是相位噪声，Δxn＝xn-xn-1表示天线阵元n和n-1的水平间隔，Δyn＝yn-yn-1表示天线阵元n和n-1的垂直间隔，Δβn＝βn-βn-1表示天线阵元n和n-1的附加相位差，Mk取整数。
6.如权利要求5所述的一种相位重构雷达天线阵元校正方法，其特征在于：
所述根据相位重构变量定义代价函数通过如下公式计算得到：
Figure FDA0002813545790000021
其中，
Figure FDA0002813545790000022
的取值范围是(-π,π]。
7.一种存储介质，其特征在于：
所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1-6中任一项中所述的相位重构雷达天线阵元校正方法。
8.一种相位重构雷达天线阵元校正系统，其特征在于：
所述相位重构雷达天线阵元校正系统包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行，实现如权利要求1-6任一项所述的相位重构雷达天线阵元校正方法。
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