CN113365338B - 一种基于已知位置校正源的双站相参的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于已知位置校正源的双站相参的方法。所述方法具体为：根据校正源的位置坐标计算由距离差引起的相位差；计算因本振信号频率不一致所引起的两站间的相位同步误差；将两部分相位差相加得到两站间总的相位差；利用相位差将两站相参，将2个基站的目标信号作信号级融合，以作下一步定位处理。该方法适用于目标对于基站满足远场假设、但对于整个分布式阵列不满足远场假设的条件下，将两个基站的接收信号作相位同步之后，联合其余基站进行目标定位处理，可获得更高的定位精度。

Description

一种基于已知位置校正源的双站相参的方法

技术领域

本发明涉及分布式阵列系统的基站相位同步技术领域，是一种基于已知位置校正源的双站相参的方法。

背景技术

目标定位技术是阵列信号处理领域内近年来备受关注的热门问题。在大型的分布式阵列系统中，对于同一目标，由于各个基站是分散布置的，使得基站到目标的距离不同，因此，目标到达各个基站存在一定的距离差，由此产生相应的相位差，同时，大型分布式阵列系统中，各基站间的相位同步误差也会对目标处信号的相位差产生影响。因此，在分布式阵列的信号处理中，为了得到理想的目标定位性能，各基站之间必须实现良好的相位同步。实现分布式阵列之间相位同步主要分为2种：第一种方法是直接法，即利用数据传输通道对各基站进行相位同步，比如光纤通信，但分布式阵列的基站之间的距离较远，可达几十公里，传统的有线光纤链路传输能量损耗大，信道误差导致信号难以实现传输与同步，且布线耗材量大，成本较高；第二种方法是间接法，即利用时钟作时间基准对各基站进行相位同步，比如全球定位系统(GPS)、北斗导航系统，但此方法对时钟的精度与稳定度要求极高，且当各基站间的距离较大时，对时精度与稳定度仍会造成相位误差。对基站之间的相位差进行计算，可提高目标定位的性能。因此在分布式阵列系统的信号处理领域中，相位同步问题仍存在很大的研究价值。

发明内容

本发明为实现分布式阵列系统的基站之间的相位同步、提高分布式阵列系统的目标定位精度，本发明提供了一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过2个基站组成大孔径分布式平面阵列，所述基站内部阵元间距不超过半波长，2个基站间距远大于基站的孔径，确定校正源到2个基站的参考阵元的距离，使得第1个基站为参考站，确定由距离差所引起的第2个基站与参考站的相位差；

步骤2：对基于大孔径分布式阵列的校正源接收数据做傅里叶变换处理，得到接收信号的单快拍数据，令每个基站的第1个阵元为参考阵元，获取第2基站的参考阵元的相位，确定因本振信号频率不一致所引起的2个基站的相位同步误差；

步骤3：校正源到2个基站的接收数据间的相位差由两部分组成，一部分是距离差引起的相位差，另一部分是基站的接收机本振的相位同步误差，两部分相位差相加即为2个基站间总的相位差，将2个基站间总的相位差补偿在第2个子站的目标信号上，实现双站相参；

步骤4：利用大孔径分布式平面阵列做目标定位时，将2个基站的目标信号作信号级融合，2个相参的基站看作一个基站，进行基站联合实现定位。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：设置同一平面内的2个基站，其中第l个基站由M_l个接收天线阵元组成，l＝1,2，所述基站共包含

个阵元；所述基站内部阵元间距不超过半波长；令第1个基站为参考站，参考站与第2个基站之间的距离差将引起两站间存在相位差；

步骤1.2：记校正源在空间中的位置坐标为(x_t,y_t,z_t)，2个基站的参考阵元在空间中的位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)，确定校正源到2个基站的距离，通过下式表示校正源到2个基站的距离：

其中，R₁为校正源到第1个基站的距离，R₂为校正源到第2个基站的距离；

步骤1.3：确定由距离差引起的相位差，通过下式表示由距离差引起的相位差：

其中，Δφ_R为由距离差引起的相位差，λ为信号的波长。

优选地，所述步骤2中确定因本振信号频率不一致所引起的2个基站的相位同步误差具体为：

步骤2.1：2个基站都配有独立的本振系统，受晶振频率准确度的影响，2个基站的中心频率存在不一致误差，确定2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差，通过下式表示2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差：

Δφ₀＝2πΔf_a

其中，Δf_a为2个基站中晶振的中心频率差值，Δφ₀为2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差；

步骤2.2：确定2个基站的本振信号，通过下式表示2个基站的本振信号：

u₁(t)＝exp(j2πf₀t)

u₂(t)＝exp(j2πf₀t+jΔφ₀)

其中，u₁(t)为第1个基站的本振信号，u₂(t)为第2个基站的本振信号；

步骤2.3：设校正源信号到达2个基站中参考阵元的信号分别为s₁(t)与s₂(t)，那么s₁(t)与s₂(t)之间的相位差和u₁(t)与u₂(t)之间的相位差相同，将2个基站中参考阵元的信号数据做傅里叶变换处理得，通过下式表示傅里叶变换处理后的2个基站中参考阵元的信号数据：

S₁(f)＝FFT[s₁(t)]

S₂(f)＝FFT[s₂(t)]

其中，S₁(f)傅里叶变换处理后的第1个基站中参考阵元的信号数据，S₂(f)为傅里叶变换处理后的第2个基站中参考阵元的信号数据；

步骤2.4:令校正源信号的频率为f_c，取S₁(f)与S₂(f)在f＝f_c处的数据，确定本振信号的初始相位差，通过下式表示本振信号的初始相位差为：

其中，Δφ₀为本振信号的初始相位差。

优选地，所述步骤3中将2个基站间总的相位差补偿在第2个子站的目标信号上，相位差补偿具体为：

步骤3.1：确定2个基站间总的相位差，通过下式表示2个基站间总的相位差：

Δφ＝Δφ_R+Δφ₀

其中，Δφ为2个基站间总的相位差，相位差以第1个基站为参考相位；

步骤3.2：记目标到达2个基站的信号分别为s_n1(t)与s_n2(t)，因第1个基站为参考基站，则相位补偿需将总的相位差补偿在第2个基站的信号上，利用Δφ对s_n2(t)作相位补偿，通过下式表示Δφ对s_n2(t)作相位补偿：

s_n2′(t)＝s_n2(t)exp(-jΔφ)

s_n1′(t)＝s_n1(t)

其中，s_n2′(t)为Δφ对s_n2(t)作相位补偿，s_n1′(t)为参考基站，相位补偿为0；

确定双站相参后的联合信号，通过下式表示双站相参后的联合信号：

其中，s(t)为双站相参后的联合信号。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出的基于已知位置校正源的双站相参的方法适用于大型分布式阵列模型，该方法无需布设有线光纤链路，只需利用已知位置的校正源，根据校正源的位置坐标，计算校正源到达两个基站的距离，从而获得由距离差引起的相位差；此外，两个基站接收机的本振间存在相位误差，根据来自校正源的接收信号，计算相位同步误差，结合两部分相位差，使得两个基站之间实现良好的相位同步。在实际的多站定位处理中，对于两个距离较远的基站，令第1个基站为参考站，将由校正源计算出的相位差补偿在第2个基站的接收数据上，由此实现双站相参，与其余基站联合即可进行后续的目标定位处理。该方法适用于目标对于基站满足远场假设、但对于整个分布式阵列不满足远场假设的条件下，将两个基站的接收信号作相位同步之后，与其余各站联合进行目标定位处理，可获得更高的定位精度。需要特殊说明的是，本发明以双站相参为例给出了简单的分布式阵列系统相位同步的方法，但本发明所涉及的相位同步方法不仅限于双站，对于2个以上的基站相参，令第1个基站为参考站，其余基站均以参考站为相位基准，按照本发明中双站相参的方法完成相位补偿即可。

附图说明

图1为一种基于已知位置校正源的双站相参的方法流程图；

图2为基于已知位置校正源的双站相参系统示意图；

图3为分布式阵列模型的CRB图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，本发明提供一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，所述基站包括超宽带辐射计线阵、焦平面椭球天线、转台、伺服系统、处理系统、显示系统；

一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过2个基站组成大孔径分布式平面阵列，所述基站内部阵元间距不超过半波长，2个基站间距远大于基站的孔径，确定校正源到2个基站的参考阵元的距离，使得第1个基站为参考站，确定由距离差所引起的第2个基站与参考站的相位差；

所述步骤1具体为：

步骤1.1：设置同一平面内的2个基站，其中第l个基站由M_l个接收天线阵元组成，l＝1,2，所述基站共包含

个阵元；所述基站内部阵元间距不超过半波长；令第1个基站为参考站，参考站与第2个基站之间的距离差将引起两站间存在相位差；

步骤1.2：记校正源在空间中的位置坐标为(x_t,y_t,z_t)，2个基站的参考阵元在空间中的位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)，确定校正源到2个基站的距离，通过下式表示校正源到2个基站的距离：

其中，R₁为校正源到第1个基站的距离，R₂为校正源到第2个基站的距离；

步骤1.3：确定由距离差引起的相位差，通过下式表示由距离差引起的相位差：

其中，Δφ_R为由距离差引起的相位差，λ为信号的波长。

步骤2：对基于大孔径分布式阵列的校正源接收数据做傅里叶变换处理，得到接收信号的单快拍数据，令每个基站的第1个阵元为参考阵元，获取第2基站的参考阵元的相位，确定因本振信号频率不一致所引起的2个基站的相位同步误差；

所述步骤2中确定因本振信号频率不一致所引起的2个基站的相位同步误差具体为：

步骤2.1：2个基站都配有独立的本振系统，受晶振频率准确度的影响，2个基站的中心频率存在不一致误差，确定2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差，通过下式表示2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差：

Δφ₀＝2πΔf_a

其中，Δf_a为2个基站中晶振的中心频率差值，Δφ₀为2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差；

步骤2.2：确定2个基站的本振信号，通过下式表示2个基站的本振信号：

u₁(t)＝exp(j2πf₀t)

u₂(t)＝exp(j2πf₀t+jΔφ₀)

其中，u₁(t)为第1个基站的本振信号，u₂(t)为第2个基站的本振信号；

步骤2.3：设校正源信号到达2个基站中参考阵元的信号分别为s₁(t)与s₂(t)，那么s₁(t)与s₂(t)之间的相位差和u₁(t)与u₂(t)之间的相位差相同，将2个基站中参考阵元的信号数据做傅里叶变换处理得，通过下式表示傅里叶变换处理后的2个基站中参考阵元的信号数据：

S₁(f)＝FFT[s₁(t)]

S₂(f)＝FFT[s₂(t)]

其中，S₁(f)傅里叶变换处理后的第1个基站中参考阵元的信号数据，S₂(f)为傅里叶变换处理后的第2个基站中参考阵元的信号数据；

步骤2.4:令校正源信号的频率为f_c，取S₁(f)与S₂(f)在f＝f_c处的数据，确定本振信号的初始相位差，通过下式表示本振信号的初始相位差为：

其中，Δφ₀为本振信号的初始相位差。

步骤3：校正源到2个基站的接收数据间的相位差由两部分组成，一部分是距离差引起的相位差，另一部分是基站的接收机本振的相位同步误差，两部分相位差相加即为2个基站间总的相位差，将2个基站间总的相位差补偿在第2个子站的目标信号上，实现双站相参；

所述步骤3中将2个基站间总的相位差补偿在第2个子站的目标信号上，相位差补偿具体为：

步骤3.1：确定2个基站间总的相位差，通过下式表示2个基站间总的相位差：

Δφ＝Δφ_R+Δφ₀

其中，Δφ为2个基站间总的相位差，相位差以第1个基站为参考相位；

步骤3.2：记目标到达2个基站的信号分别为s_n1(t)与s_n2(t)，因第1个基站为参考基站，则相位补偿需将总的相位差补偿在第2个基站的信号上，利用Δφ对s_n2(t)作相位补偿，通过下式表示Δφ对s_n2(t)作相位补偿：

s_n2′(t)＝s_n2(t)exp(-jΔφ)

s_n1′(t)＝s_n1(t)其中，s_n2′(t)为Δφ对s_n2(t)作相位补偿，s_n1′(t)为参考基站，相位补偿为0；

确定双站相参后的联合信号，通过下式表示双站相参后的联合信号：

其中，s(t)为双站相参后的联合信号。

步骤4：利用大孔径分布式平面阵列做目标定位时，将2个基站的目标信号作信号级融合，2个相参的基站看作一个基站，进行基站联合实现定位。

具体实施例二：

本发明的目的在于实现分布式阵列系统的基站之间的相位同步、提高分布式阵列系统的目标定位精度，以双站为例，提供了一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，该方法利用已知位置的校正源，计算由距离差引起的相位差与基站接收机本振的相位同步误差，从而实现双站相参，有效利用了分布式阵列的超大孔径以提高定位精度。该方法只需在进行目标探测的同时，设置一个已知位置的校正源，利用校正源的位置坐标计算由距离差引起的相位差，2个基站分别接收来自校正源的信号，计算2个基站接收机本振的相位同步误差，该方法适用于目标对于基站满足远场假设、但对于整个分布式阵列不满足远场假设的条件下，实际的多站目标定位中，对于2个距离较远的基站，令第1个基站为参考站，将由校正源计算出的相位差补偿在第2个基站的接收数据上，由此实现双站相参，将完成相参的2个基站看作1个基站，与其余各站联合，可进行后续的目标定位处理。

一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，所述相参方法包括如下步骤：

步骤一：针对由2个基站组成的大孔径分布式平面阵列(基站内部阵元间距不超过半波长，基站间距远大于基站孔径)，计算校正源到2个基站的参考阵元的距离，令第1个基站为参考站，得到由距离差所引起的另一基站与参考站的相位差；

进一步地，步骤一所述计算由距离差所引起参考站与另一基站间的相位差包括：

设置同一平面内的2个基站，其中第l(l＝1,2)个基站由M_l个接收天线阵元组成，整个阵列共包含

个阵元；基站的阵列排布方式可采用任意阵，基站内部阵元间距不超过半波长，接收信号中的目标相对于小孔径基站来说满足远场入射条件；对于多站定位系统，各基站之间间距远超基站阵列孔径以构建大孔径分布式阵列，目标相对于整个大孔径分布式阵列来说不满足远场入射条件，即目标到各基站参考阵元之间的距离不同，因此，令第1个基站为参考站，待相参的第2个基站与参考站之间的距离差将引起两站间存在相位差。

记校正源p_t在空间中的位置坐标为(x_t,y_t,z_t)，2个基站的参考阵元在空间中的位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)，则校正源到基站的距离分别为：

那么，由距离差引起的相位差为：

其中，λ为信号的波长。

步骤二：对基于分布式阵列的校正源接收数据做傅里叶变换处理，得到接收信号的单快拍数据，令各基站的第1个阵元为参考阵元，获取另一基站的参考阵元的相位，计算因本振信号频率不一致所引起的两站间的相位同步误差；

进一步地，步骤二所述计算因本振信号频率不一致所引起的两站间的相位同步误差包括：

大孔径分布式平面阵列的基站布置不同于常规基站系统，2个基站都配有独立的本振系统，受晶振频率准确度的影响，2个基站的中心频率存在不一致误差，而两个本振信号频率的不一致引起的相位同步误差为：

Δφ₀＝2πΔf_a

其中，Δf_a为2个基站系统中晶振的中心频率差值，即2个基站的相位同步误差由两本振信号的初始相位差决定。

故2个基站的本振信号u₁(t)与u₂(t)可分别设为：

u₁(t)＝exp(j2πf₀t)

u₂(t)＝exp(j2πf₀t+jΔφ₀)

设校正源信号到达2个基站中参考阵元的信号分别为s₁(t)与s₂(t)，那么s₁(t)与s₂(t)之间的相位差和u₁(t)与u₂(t)之间的相位差相同，将两个接收数据做傅里叶变换处理得：

S₁(f)＝FFT[s₁(t)]

S₂(f)＝FFT[s₂(t)]

令校正源信号的频率为f_c，取S₁(f)与S₂(f)在f＝f_c处的数据，则本振信号的初始相位差为：

步骤三：校正源到2个基站的接收数据间的相位差由两部分组成，一部分是距离差引起的相位差，一部分是基站接收机本振的相位同步误差，两部分相位差相加即为两基站间总的相位差，将此相位差补偿在第2个基站的目标信号上，即实现双站相参；

进一步地，步骤三所述的相位差补偿过程包括：

两基站间总的相位差为：

Δφ＝Δφ_R+Δφ₀

记目标到达2个基站的信号分别为s_n1(t)与s_n2(t)，利用Δφ对s_n2(t)作相位补偿得：

s_n2′(t)＝s_n2(t)exp(-jΔφ)

则双站相参后的联合信号为：

图2以任意阵列为例给出了大型分布式阵列多站系统的排布示意图，本发明所涉及的阵列排布和定位方法可为任意几何形式的阵列，基站内部也可以采用任意几何形式的阵元排布方式。

步骤四：利用大孔径分布式平面阵列做目标定位时，将2个基站的目标信号作信号级融合，2个相参基站看作一个基站，与其余基站联合实现定位。

本发明所提的一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，该方法适用于目标对于基站满足远场假设、但对于整个分布式阵列不满足远场假设的条件下，将两个基站的接收信号作相位同步之后，与其余各站联合进行目标定位处理，可获得更高的定位精度。

本发明利用所提的一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，为比较双站相参相比双站非相参时的阵列优势，求两种分布式阵列模型的CRB，得到的CRB曲线如图3所示，其仿真条件如下：信号频率为9.5MHz，快拍数为1，仿真噪声背景为高斯白噪声，信噪比为从10dB到30dB变化；接收阵列由三个基站构成，基站间间距约为30倍波长，每个基站均布置5个阵元，基站内阵元间距约为半波长，阵列排布如图2所示，令第一个基站的第一个阵元为参考站元，第一种阵列模型将第一基站与第二基站做相参处理；第二种阵列模型阵列间不做相参处理；仿真试验中对比第一基站与第二基站做相参处理后的CRB和第一基站与第二基站未做相参处理的CRB。从图3给出的CRB随信噪比变化曲线可以看出：本发明所提方法的目标定位精度较高。

以上所述仅是一种基于已知位置校正源的双站相参的方法的优选实施方式，一种基于已知位置校正源的双站相参的方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：通过2个基站组成大孔径分布式平面阵列，所述基站内部阵元间距不超过半波长，2个基站间距大于基站的孔径，确定校正源到2个基站的参考阵元的距离，使得第1个基站为参考站，确定由距离差所引起的第2个基站与参考站的相位差；

步骤2：对基于大孔径分布式阵列的校正源接收数据做傅里叶变换处理，得到接收信号的单快拍数据，令每个基站的第1个阵元为参考阵元，获取第2基站的参考阵元的相位，确定因本振信号频率不一致所引起的2个基站的相位同步误差；

步骤3：校正源到2个基站的接收数据间的相位差由两部分组成，一部分是距离差引起的相位差，另一部分是基站的接收机本振的相位同步误差，两部分相位差相加即为2个基站间总的相位差，将2个基站间总的相位差补偿在第2个子站的目标信号上，实现双站相参；

步骤4：利用大孔径分布式平面阵列做目标定位时，将2个基站的目标信号作信号级融合，2个相参的基站看作一个基站，进行基站联合实现定位；

所述步骤3中将2个基站间总的相位差补偿在第2个子站的目标信号上，相位差补偿具体为：

步骤3.1：确定2个基站间总的相位差，通过下式表示2个基站间总的相位差：

Δφ＝Δφ_R+Δφ₀

其中，Δφ为2个基站间总的相位差，相位差以第1个基站为参考相位；

步骤3.2：记目标到达2个基站的信号分别为s_n1(t)与s_n2(t)，第1个基站为参考基站，则相位补偿需将总的相位差补偿在第2个基站的信号上，利用Δφ对s_n2(t)作相位补偿，通过下式表示Δφ对s_n2(t)作相位补偿：

s_n2′(t)＝s_n2(t)exp(-jΔφ)

s_n1′(t)＝s_n1(t)

其中，s_n2′(t)为Δφ对s_n2(t)作相位补偿，s_n1′(t)为参考基站，相位补偿为0；

确定双站相参后的联合信号，通过下式表示双站相参后的联合信号：

其中，s(t)为双站相参后的联合信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，其特征是：所述步骤1具体为：

步骤1.1：设置同一平面内的2个基站，其中第l个基站由M_l个接收天线阵元组成，l＝1,2，所述基站共包含

个阵元；所述基站内部阵元间距不超过半波长；令第1个基站为参考站，参考站与第2个基站之间的距离差将引起两站间存在相位差；

步骤1.2：记校正源在空间中的位置坐标为(x_t,y_t,z_t)，2个基站的参考阵元在空间中的位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)，确定校正源到2个基站的距离，通过下式表示校正源到2个基站的距离：

其中，R₁为校正源到第1个基站的距离，R₂为校正源到第2个基站的距离；

步骤1.3：确定由距离差引起的相位差，通过下式表示由距离差引起的相位差：

其中，Δφ_R为由距离差引起的相位差，λ为信号的波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于已知位置校正源的双站相参的方法，其特征是：所述步骤2中确定因本振信号频率不一致所引起的2个基站的相位同步误差具体为：

步骤2.1：2个基站都配有独立的本振系统，受晶振频率准确度的影响，2个基站的中心频率存在不一致误差，确定2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差，通过下式表示2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差：

Δφ₀＝2πΔf_a

其中，Δf_a为2个基站中晶振的中心频率差值，Δφ₀为2个基站本振信号频率的不一致引起的相位同步误差；

步骤2.2：确定2个基站的本振信号，通过下式表示2个基站的本振信号：

u₁(t)＝exp(j2πf₀t)

u₂(t)＝exp(j2πf₀t+jΔφ₀)

其中，u₁(t)为第1个基站的本振信号，u₂(t)为第2个基站的本振信号；

步骤2.3：设校正源信号到达2个基站中参考阵元的信号分别为s₁(t)与s₂(t)，那么s₁(t)与s₂(t)之间的相位差和u₁(t)与u₂(t)之间的相位差相同，将2个基站中参考阵元的信号数据做傅里叶变换处理得，通过下式表示傅里叶变换处理后的2个基站中参考阵元的信号数据：

S₁(f)＝FFT[s₁(t)]

S₂(f)＝FFT[s₂(t)]

其中，S₁(f)傅里叶变换处理后的第1个基站中参考阵元的信号数据，S₂(f)为傅里叶变换处理后的第2个基站中参考阵元的信号数据；

步骤2.4:令校正源信号的频率为f_c，取S₁(f)与S₂(f)在f＝f_c处的数据，确定本振信号的初始相位差，通过下式表示本振信号的初始相位差为：

其中，Δφ₀为本振信号的初始相位差。

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