CN114063031A - 阵列相位误差校正方法及系统 - Google Patents

阵列相位误差校正方法及系统 Download PDF

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CN114063031A
CN114063031A CN202111373623.XA CN202111373623A CN114063031A CN 114063031 A CN114063031 A CN 114063031A CN 202111373623 A CN202111373623 A CN 202111373623A CN 114063031 A CN114063031 A CN 114063031A
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周杨
梁庆真
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Sichuan Cric Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，公开了一种阵列相位误差校正方法及系统，旨在解决现有阵列误差的校正方法会导致DOA估计性能下降的问题，包括以下步骤：在阵列天线视场中确定多个待校正位置；依次对各个待校正位置实施校正，每个待校正位置实施校正的方法包括：在对应待校正位置上放置一个辅助点源，并通过该阵列接收由辅助点源反射回来的电磁波信号；分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。本发明提高了校正效果，不会造成DOA估计性能下降，且成本较低。

Description

阵列相位误差校正方法及系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体来说涉及一种阵列相位误差校正方法及系统。
背景技术
雷达、移动通信基站、声纳等设备的重要功能之一就是探测目标所在的方位，这往往需要用到阵列信号处理中DOA估计技术。而很多高分辨DOA估计算法对阵列误差比较敏感，阵列误差往往会导致这些算法性能恶化，甚至失效。因此，阵列误差校正具有重要意义。在工程应用中，由于元器件差异、生产制造工艺等因素，阵列误差始终是存在的。阵列误差通常包括，阵元通道幅相误差、阵元位置误差和阵元互耦误差。
在一些测向精度要求不高的应用中，如用雷达做短距离的目标跟踪定位，对线性接收阵列误差的校正常采用零度角校正方法。该方法的处理流程为：首先在阵列天线的视轴方向上放置一个辅助点源(如角反)，其次阵列接收从辅助点源反射回来的信号，并提取出各个阵元接收信号中与点源对应的信号分量，之后计算各个阵元的理想零度角方向矢量与之前各自提取的信号分量的比值，将这些值视为阵列误差，最后用这些阵列误差来修正所有角度的理想方向矢量。该方法虽然简单，但是在阵列波束宽度较大的测向应用中，如果目标位于大角度时，这种校正方法会导致DOA估计性能下降。
发明内容
本发明旨在解决现有阵列误差的校正方法会导致DOA估计性能下降的问题，提出一种阵列相位误差校正方法及系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种阵列相位误差校正方法，包括以下步骤：
步骤1、在阵列天线视场中确定多个待校正位置；
步骤2、依次对各个待校正位置实施校正，每个待校正位置实施校正的方法包括：
步骤21、在对应待校正位置上放置一个辅助点源，并通过该阵列接收由辅助点源反射回来的电磁波信号；
步骤22、分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；
步骤23、基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
作为进一步优化，所述阵列天线视场由方位角(θmin，θmax)和俯仰角
Figure BDA0003363276470000011
界定，所述在阵列天线视场中确定多个位置，具体包括：
将阵列天线视场沿方位角维度切分为M个区域，再沿俯仰角维度切分为N个区域，进而将阵列天线视场切分为K个区域，将K个区域中各区域作为待校正位置，其中，K＝M*N，M和N为正整数。
作为进一步优化，步骤21中，所述在对应待校正位置上放置一个辅助点源，具体包括：
在以阵列天线为原点的球坐标(Rij，θi，
Figure BDA0003363276470000021
)处放置辅助点源，放置辅助点源的方向为待校正位置对称中心所在的方向，其中，Rij表示球坐标对应位置到原点的距离，θi表示球坐标对应位置所在的方位角，
Figure BDA0003363276470000022
表示球坐标对应位置所在的俯仰角，i＝1,2，…，M，j＝1,2，…，N。
作为进一步优化，步骤22中，所述分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量，具体包括：
设阵列包括P个阵元，则各阵元接收的电磁波信号中提出与辅助点源对应的信号分量Sij为：
Figure BDA0003363276470000023
其中，从阵元p接收的电磁波信号中提出与辅助点源对应的信号分量为：
Figure BDA0003363276470000024
式中，p＝1,2，…，P，A表示电磁波信号的幅值，ω表示电磁波信号的相位，e表示自然指数。
作为进一步优化，步骤23中，基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正，具体包括：
根据各阵元对应的信号分量计算阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000025
)方向上的相位误差，其中，θx∈Φx，
Figure BDA0003363276470000026
Φx表示待校正位置对应的方位角界定范围，Ψx表示待校正位置对应的俯仰角界定范围；
根据所述相位误差对阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000027
)方向上的方向矢量进行修正。
作为进一步优化，
当待校正位置对应的i＝1时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure BDA0003363276470000028
当待校正位置对应的1＜i＜M时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure BDA0003363276470000031
当待校正位置对应的i＝M时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure BDA0003363276470000032
作为进一步优化，
当待校正位置对应的j＝1时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure BDA0003363276470000033
当待校正位置对应的1＜j＜N时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure BDA0003363276470000034
当待校正位置对应的j＝N时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure BDA0003363276470000035
作为进一步优化，所述根据各阵元对应的信号分量计算阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000036
)方向上的相位误差Δx的公式如下：
Δx＝tx./|tx|；
其中，tx＝ax./Sij，ax表示算阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000037
)方向上对应的理想方向矢量，./表示向量间的点除，| |表示取向量中各个元素的模。
作为进一步优化，所述根据相位误差Δx对阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000038
)方向上的方向矢量进行修正的公式如下：
Figure BDA0003363276470000039
式中，
Figure BDA00033632764700000310
表示修正后的方向矢量，.*表示向量间的点乘，conj( )表示取向量中各个元素的共轭。
第二方面，提供一种阵列相位误差校正系统，包括：确定单元和校正单元；
所述确定单元，用于在阵列天线视场中确定多个待校正位置；
所述校正单元，用于依次对各个待校正位置实施校正；
所述校正单元具体包括：辅助点源、提取单元和修正单元；
所述辅助点源，用于放置在对应待校正位置上；
所述阵列，用于接收由辅助点源反射回来的电磁波信号并将其发送至提取单元；
所述提取单元，分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；
所述修正单元，用于基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
本发明的有益效果是：本发明所述的阵列相位误差校正方法及系统，解决了提高了因阵列相位误差导致雷达等目标定位设备的测向精度下降的问题，并且使用多个位置的辅助点源信息来校正阵列相位误差，提高了校正效果，即使在阵列波束宽度较大的测向应用中，目标位于大角度时也不会造成DOA估计性能的下降。此外，本发明实现方法简单，成本较低，充分考虑了校正效果和工程实现成本的平衡。
附图说明
图1为本发明实施例所述的阵列相位误差校正方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的对各个待校正位置实施校正的流程示意图；
图3为本发明实施例所述的阵列与辅助点源的空间关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明提供的阵列相位误差校正方法，包括以下步骤：步骤1、在阵列天线视场中确定多个待校正位置；步骤2、依次对各个待校正位置实施校正，每个待校正位置实施校正的方法包括：步骤21、在对应待校正位置上放置一个辅助点源，并通过该阵列接收由辅助点源反射回来的电磁波信号；步骤22、分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；步骤23、基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
具体而言，本发明通过在阵列天线视场的多个待校正位置分别实施校正，以提高校正效果，针对每个待校正位置，其校正方法主要包括：首先通过在待校正位置上设置辅助点源，辅助点源用于反射电磁波信号，当阵列中的每个阵元收到电磁波信号后，分别从各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量，最后根据各阵元对应的信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
实施例
本实施例以调频连续波雷达的线性阵列天线为例，阵列包含4个阵元，阵元间距均为半波长，信号频段为60GHz至64GHz,该天线的主波束宽度为：方位角为-60°到+60°，俯仰角为-5°到+5°。该雷达用于检测目标的距离和方位角。本实施例所述的阵列相位误差校正方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、在阵列天线视场中确定多个待校正位置；
本实施例中，所述阵列天线视场由方位角(θmin，θmax)和俯仰角
Figure BDA0003363276470000051
界定，所述在阵列天线视场中确定多个位置，具体包括：
将阵列天线视场沿方位角维度切分为M个区域，再沿俯仰角维度切分为N个区域，进而将阵列天线视场切分为K个区域，将K个区域中各区域作为待校正位置，其中，K＝M*N，M和N为正整数。
该阵列天线的主波束决定了阵列视场，因此有θmin＝-60°，θmax＝+60°，
Figure BDA0003363276470000052
Figure BDA0003363276470000053
M和N取值越大，校正效果越好，但实施成本越高，所以M和N的取值可根据应用需要来合理设定。由于此线性阵列用来获取方位角，可取M＝4，N＝1，进而K为4。
步骤2、依次对各个待校正位置实施校正，如图2所示，每个待校正位置实施校正的方法包括：
步骤21、在对应待校正位置上放置一个辅助点源，并通过该阵列接收由辅助点源反射回来的电磁波信号；
所述在对应待校正位置上放置一个辅助点源，具体包括：
在以阵列天线为原点的球坐标(Rij，θi，
Figure BDA0003363276470000054
)处放置辅助点源，放置辅助点源的方向为待校正位置对称中心所在的方向，其中，Rij表示球坐标对应位置到原点的距离，θi表示球坐标对应位置所在的方位角，
Figure BDA0003363276470000055
表示球坐标对应位置所在的俯仰角，i＝1,2，…，M，j＝1,2，…，N。同时应保证辅助点源附近没有强干扰目标存在，优选的为暗室环境，辅助点源与阵列的空间关系如图3所示。
本实施例设置4个辅助点源位置为：(3，-45°，0°)、(3，-15°，0°)、(3，15°，0°)、(3，45°，0°)。即θ1＝-45°，θ2＝-15°，θ3＝15°，θ4＝45°；
Figure BDA0003363276470000056
R11＝R21＝R31＝R41＝3。
雷达置于空旷空间，雷达天线平面与地面垂直，天线中心距地面高度为1.5米。在其中一个位置，如(3，-45°，0°)处安放一个辅助点源；这里辅助点源采用等腰边长为0.05米左右的三角反射器来充当，反射器开口朝向雷达天线。雷达发射调频连续波脉冲，通过设置合适的脉冲调频斜率、脉冲持续时间和ADC采样时间，可以让雷达的距离分辨率尽量小同时检测的最远距离超过反射器与雷达的距离。用该接收阵列接收从辅助点源反射回来的电磁波；这里取接收到的中频信号作为下一步的输入。
步骤22、分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；
所述分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量，具体包括：
设阵列包括P个阵元，则各阵元接收的电磁波信号中提出与辅助点源对应的信号分量Sij为：
Figure BDA0003363276470000061
其中，从阵元p接收的电磁波信号中提出与辅助点源对应的信号分量为：
Figure BDA0003363276470000062
式中，p＝1,2，…，P，A表示电磁波信号的幅值，ω表示电磁波信号的相位，e表示自然指数。
具体而言，本实施例对各个阵元接收到的中频信号做傅里叶变换得到目标距离频谱，在距离谱中找到与3米最接近的频点，并搜索该频点附件的第一个峰值，此峰值所在的频谱分量即为与辅助点源对应的信号分量
Figure BDA0003363276470000063
4个阵元接收信号中提取的上述分量构成
Figure BDA0003363276470000064
步骤23、基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正，具体包括：
步骤231、根据各阵元对应的信号分量计算阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000065
)方向上的相位误差，其中，θx∈Φx，
Figure BDA0003363276470000066
Φx表示待校正位置对应的方位角界定范围，Ψx表示待校正位置对应的俯仰角界定范围；
所述根据各阵元对应的信号分量计算阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000067
)方向上的相位误差Δx的公式如下：
Δx＝tx./|tx|；
其中，tx＝ax./Sij，ax表示算阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000068
)方向上对应的理想方向矢量，./表示向量间的点除，| |表示取向量中各个元素的模。
其中，当待校正位置对应的i＝1时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure BDA0003363276470000071
当待校正位置对应的1＜i＜M时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure BDA0003363276470000072
当待校正位置对应的i＝M时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure BDA0003363276470000073
当待校正位置对应的j＝1时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure BDA0003363276470000074
当待校正位置对应的1＜j＜N时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure BDA0003363276470000075
当待校正位置对应的j＝N时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure BDA0003363276470000076
以i＝2，j＝1为例，则有Φ2＝[-30°,0°]，Ψ1＝[-5°,5°]。
步骤232、根据所述相位误差对阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000077
)方向上的方向矢量进行修正。
所述根据相位误差Δx对阵列在(θx，
Figure BDA0003363276470000078
)方向上的方向矢量进行修正的公式如下：
Figure BDA0003363276470000079
式中，
Figure BDA00033632764700000710
表示修正后的方向矢量，.*表示向量间的点乘，conj( )表示取向量中各个元素的共轭。
本实施例中，修正后的方向矢量
Figure BDA00033632764700000711
重复步骤S21-S23，即可完成对所有待校正位置的校正。
基于上述技术方案，本实施例还提出一种阵列相位误差校正系统，包括：确定单元和校正单元；
所述确定单元，用于在阵列天线视场中确定多个待校正位置；
所述校正单元，用于依次对各个待校正位置实施校正；
所述校正单元具体包括：辅助点源、提取单元和修正单元；
所述辅助点源，用于放置在对应待校正位置上；
所述阵列，用于接收由辅助点源反射回来的电磁波信号并将其发送至提取单元；
所述提取单元，分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；
所述修正单元，用于基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
可以理解，由于本发明实施例所述的阵列相位误差校正系统是用于实现实施例所述阵列相位误差校正方法的系统，对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的较为简单，相关之处参见方法的部分说明即可。

Claims (10)

1.阵列相位误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在阵列天线视场中确定多个待校正位置；
步骤2、依次对各个待校正位置实施校正，每个待校正位置实施校正的方法包括：
步骤21、在对应待校正位置上放置一个辅助点源，并通过该阵列接收由辅助点源反射回来的电磁波信号；
步骤22、分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；
步骤23、基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
2.如权利要求1所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，所述阵列天线视场由方位角(θmin，θmax)和俯仰角
Figure FDA0003363276460000011
界定，所述在阵列天线视场中确定多个位置，具体包括：
将阵列天线视场沿方位角维度切分为M个区域，再沿俯仰角维度切分为N个区域，进而将阵列天线视场切分为K个区域，将K个区域中各区域作为待校正位置，其中，K＝M*N，M和N为正整数。
3.如权利要求2所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，步骤21中，所述在对应待校正位置上放置一个辅助点源，具体包括：
在以阵列天线为原点的球坐标
Figure FDA0003363276460000012
处放置辅助点源，放置辅助点源的方向为待校正位置对称中心所在的方向，其中，Rij表示球坐标对应位置到原点的距离，θi表示球坐标对应位置所在的方位角，
Figure FDA0003363276460000013
表示球坐标对应位置所在的俯仰角，i＝1,2，…，M，j＝1,2，…，N。
4.如权利要求3所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，步骤22中，所述分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量，具体包括：
设阵列包括P个阵元，则各阵元接收的电磁波信号中提出与辅助点源对应的信号分量Sij为：
Figure FDA0003363276460000014
其中，从阵元p接收的电磁波信号中提出与辅助点源对应的信号分量为：
Figure FDA0003363276460000015
式中，p＝1,2，…，P，A表示电磁波信号的幅值，ω表示电磁波信号的相位，e表示自然指数。
5.如权利要求4所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，步骤23中，基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正，具体包括：
根据各阵元对应的信号分量计算阵列在
Figure FDA0003363276460000021
方向上的相位误差，其中，θx∈Φx，
Figure FDA0003363276460000022
Φx表示待校正位置对应的方位角界定范围，Ψx表示待校正位置对应的俯仰角界定范围；
根据所述相位误差对阵列在
Figure FDA0003363276460000023
方向上的方向矢量进行修正。
6.如权利要求5所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，
当待校正位置对应的i＝1时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure FDA0003363276460000024
当待校正位置对应的1＜i＜M时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure FDA0003363276460000025
当待校正位置对应的i＝M时，则信号分量对应的方位角界定范围Φx为：
Figure FDA0003363276460000026
7.如权利要求5所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，
当待校正位置对应的j＝1时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure FDA0003363276460000027
当待校正位置对应的1＜j＜N时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure FDA0003363276460000028
当待校正位置对应的j＝N时，则信号分量对应的俯仰角界定范围Ψx为：
Figure FDA0003363276460000029
8.如权利要求5所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，所述根据各阵元对应的信号分量计算阵列在
Figure FDA00033632764600000210
方向上的相位误差Δx的公式如下：
Δx＝tx./|tx|；
其中，tx＝ax./Sij，ax表示算阵列在
Figure FDA0003363276460000031
方向上对应的理想方向矢量，./表示向量间的点除，||表示取向量中各个元素的模。
9.如权利要求5所述的阵列相位误差校正方法，其特征在于，所述根据相位误差Δx对阵列在
Figure FDA0003363276460000032
方向上的方向矢量进行修正的公式如下：
Figure FDA0003363276460000033
式中，
Figure FDA0003363276460000034
表示修正后的方向矢量，.*表示向量间的点乘，conj()表示取向量中各个元素的共轭。
10.阵列相位误差校正系统，其特征在于，包括：确定单元和校正单元；
所述确定单元，用于在阵列天线视场中确定多个待校正位置；
所述校正单元，用于依次对各个待校正位置实施校正；
所述校正单元具体包括：辅助点源、提取单元和修正单元；
所述辅助点源，用于放置在对应待校正位置上；
所述阵列，用于接收由辅助点源反射回来的电磁波信号并将其发送至提取单元；
所述提取单元，分别从该阵列中的各阵元接收的电磁波信号中提取与辅助点源对应的信号分量；
所述修正单元，用于基于所述信号分量对相应界定范围内的方向矢量进行修正。
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