CN114189293B - 一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法及系统，包括以下步骤：信号发生器输出指定的波形；经过多通道采集后，得到原始信号数据；采用匹配滤波器对原始信号数据进行检测，得到各个信号的位置信息，以及复角度；根据匹配滤波器的输出的位置信息，保证多组通道相参；对多组相参信号进行矢量叠加，最大化提高信干比；通过多通道复数除法，得到各个通道的校正系数；构造对角加权矩阵；通过频率因子阵将均衡滤波器变换到频域，采用加权最小二乘法，得到时域均衡滤波器的系数。本发明采用带有对角加权矩阵的最小二乘法。在校正过程中上降低了采集场景的环境要求，提高了算法的适应性，降低了采集的人工成本。

Description

一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法及系统

技术领域

本发明属于阵列天线通道校准技术领域，特别涉及一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法及系统。

背景技术

宽带阵列系统能够产生灵活捷变的电扫波束，基于多通道的幅相加权技术，能够实现多角度空域目标的同时测控。这些功能都需要保证多通道的幅相特性一致。在实际情况中，阵列系统中的每一个阵元都对应一个独立的通道，各个通道中相互独立的模拟器件一定存在差异，会造成各个通道幅相特性不一致，从而影响了系统功能，为了保证多通道的幅相一致性，采用通道校准算法来生成多通道的均衡滤波器，确保通道之间幅相特性一致。

现有的通道校准算法分为两大类，时域方法和频域方法，但是不管上述方法如何，均要求校准时在微波暗室，环境无其他信号干扰，这样采集到的信号可以准确的得到各个通道之间的幅相特性差异。

现有技术的缺陷和不足：

但在现实情况中，现场环境并不是那么理想，在进行采集数据时，总有一些干扰信号进来，如果按照现有的校准算法，对被污染的数据进行通道校准处理，反而会造成通道失配更加严重，如果在没有找到干扰源的情况下，盲目的进行数据采集，则会极大的浪费了人工成本，并不能解决实际问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法及系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，包括以下步骤：

由伪随机发生器来对信号发生器进行控制，伪随机发生器决定信号发生的时间间隔，信号发生器则输出指定的波形；

信号发生器输出的波形经由自由空间传播，经过多通道采集后，得到原始信号数据；

采用匹配滤波器对原始信号数据进行检测，得到各个信号的位置信息，以及复角度；

根据匹配滤波器的输出的位置信息，对各个通道的波形进行切割提取；根据匹配滤波器输出的复角度结果，按照参考通道的复角度对剩余所有通道进行共轭复乘旋转，保证多组通道相参；

对多组相参信号进行矢量叠加，最大化提高信干比；

通过多通道复数除法，得到各个通道的校正系数；

对感兴趣的频带进行加权，对不感兴趣的频率进行抑制，构造对角加权矩阵；

通过频率因子阵将均衡滤波器变换到频域，采用加权最小二乘法，得到时域均衡滤波器的系数。

进一步的，波形表达式为：

式中，信号的复包络为

T为脉冲宽度，μ＝B/T为调频斜率，B为调频带宽。

进一步的，一次采集到K组信号，每组信号之间的时间间隔长度由伪随机序列决定；采用M序列发生器作为生成伪随机的时间间隔，其中1,2,3,...,n是移位寄存器的编号，a_k-i，i＝1,2,...,n，是各移位寄存器的状态，c_i对应各移位寄存器的反馈系数，c_i＝1表示该移位寄存器参加反馈，c_i＝0表示该移位寄存器不参加反馈；c₀和c_n不能等于0；第一级移位寄存器在下一时刻的状态是由相关移位寄存器在当前时刻的状态经反馈后共同决定的，反馈系数为：

a_k＝c₁a_k-1+c₂a_k-2+…+c_na_k-n

则多组信号的时间间隔为T′_k＝T_delay+a_k·T′，其中T_delay是一个固定延迟，经过发射机后采集到多通道的多组回波信号为y_ik(t)，i表示通道编号i＝1,2,3,…N，k表示该组通道采集的第k组信号，k＝1,2,3,…,K；对其做相干积累来提高信干比。

进一步的，采用匹配滤波器对N个通道进行匹配滤波，匹配滤波器的波形表达式为：

式中s′(t)是s(t)的共轭复信号，经过滤波后的波形输出为：

式中表示卷积，P_i(t)表示匹配滤波后的信号输出，采集有K组信号，对应处理后的P_i(t)会有K个局部极大值，记为r_ik其中i表示通道i＝1,2,3,…,N，k表示第K个极大值k＝1,2,3,…,K。

进一步的，对多组信号按照参考通道进行共轭复乘，假设以通道1作为参考通道，则相干积累后的信号为：

式中conj(r_1k/||r_1k||)表示第k个极大值复共轭归一化，即为第i个通道相参积累后的采集信号；/>的离散M点傅里叶变换表达式为/>其中m表示各个频率点，取值范围为m＝0,1,…,M-1。

进一步的，通过各个通道的均衡器来进行通道校准，均衡器采用长度为L抽头的FIR滤波器来实现，滤波器的频率响应为

式中E_i(w)表示第i个通道均衡器的幅相特性，相位响应矢量表示为a^T＝[1,e^-jwT,e^-jw2T,…,e^-jw(L-1)T]^T，幅度响应矢量表示为h_i＝[h_i(0),h_i(1),…,h_i(L-1)]^T；采用数字滤波器实现均衡器，第i个通道均衡滤波器的频率响应写为：

式中m＝0,1,…,M-1；i＝1,2,…,N为均衡器离散傅里叶变换表达式；/>m＝0,1,…,M-1，为离散傅里叶变换的旋转因子矢量，m表示各个频率点，i为通道数。

进一步的，对不同的频率点进行加权，设计频域滤波器对带内频点构造加权系数，并将其保存在对角加权矩阵W的对角线上，已知频带内带宽B，因此通带频率为B_pass＝B/2，选取阻带频率B_stop，离散化后的通带频率点为

阻带的频率点为：

采用汉宁窗对频带边缘做平滑处理，设计窗函数点数为N＝2abs(N_stop-N_pass)，则窗函数为

将生成的系数重新排列为加权矢量，并且其长度为M：

w＝[1,1,…,1,w(n)(N/2≤n≤N),0,0,0,w(n)(0≤n≤N/2),1,…,1]^T

构造对角加权矩阵：

W＝diag(w)。

进一步的，通过对角加权矩阵重新构造最小二乘法，使其尽可能对感兴趣的频点进行均衡计算，在M个频点上有M个误差量，即

其矢量形式为：

e_i＝WH_i-Ah_i

式中A为频率因子阵：

误差向量e_i为：

e_i＝[e_i(0),e_i(1),…,e_i(M-1)]^T

通道幅相比值矢量H_i

H_i＝[H_i(0),H_i(1),…,H_i(M-1)]^T

最佳均衡器的系数矢量应满足

则最终均衡器输出形式为：

h_i＝(A^HA)^-1A^HWH_i。

进一步的，一种宽带接收阵列天线通道幅相校准系统，包括：

波形输出模块，用于由伪随机发生器来对信号发生器进行控制，伪随机发生器决定信号发生的时间间隔，信号发生器则输出指定的波形；

原始信号数据获得模块，用于信号发生器输出的波形经由自由空间传播，经过多通道采集后，得到原始信号数据；

信号信息采集模块，用于采用匹配滤波器对原始信号数据进行检测，得到各个信号的位置信息，以及复角度；

通道相参获得模块，用于根据匹配滤波器的输出的位置信息，对各个通道的波形进行切割提取；根据匹配滤波器输出的复角度结果，按照参考通道的复角度对剩余所有通道进行共轭复乘旋转，保证多组通道相参；

相参信号矢量叠加模块，用于对多组相参信号进行矢量叠加，最大化提高信干比；

系数计算模块，用于通过多通道复数除法，得到各个通道的校正系数；

对角加权矩阵构造模块，用于对感兴趣的频带进行加权，对不感兴趣的频率进行抑制，构造对角加权矩阵；

时域均衡滤波器的系数获得模块，用于通过频率因子阵将均衡滤波器变换到频域，采用加权最小二乘法，得到时域均衡滤波器的系数。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明通过伪随机序列发生器来对抗干扰信号，在确保干扰信号不相干的前提下，通过匹配滤波器来提高校准信号的信干比。数据预处理后，采用带有对角加权矩阵的最小二乘法，在校准过程中对带内信号进行滤波处理，降低了采集场景的环境要求，提高了算法的适应性，并通过自动化的处理流程降低了校准的人工成本。

现场环境主要是手机4G信号存在跳频干扰，跳频系统不断地进来。因此为了抵抗干扰，自身系统也需要跳频，所以伪随机发生器的目的是将自身的时间间隔进行随机化，最大化降低跳频的相参性，这样用自身匹配滤波器检测的时候积累起来不仅不相参，时间上也是打乱的。将校准问题转化为由时间累积提高信干比的过程，只要时间足够长，既可以抵抗跳频干扰。

附图说明

图1为本发明矫正流程图；

图2为本发明多通道宽带校准系统框图；

图3为本发明发射波形示意图；

图4为本发明M序列发生器结构图；

图5为本发明采集的多通道原始信号波形图；

图6为本发明匹配滤波器后的处理结果图；

图7为本发明多路信号相干积累显示图；

图8为多路通道校准系数；

图9为本发明匹配滤波器后的处理结果；

图10为本发明校准后的多路信号。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法及系统，多通道宽带校准系统框图如图2所示，对各个通道输入相同的校准信号，待均衡通道的校准信号在下变频为零中频信号后与参考通道的输出信号做比较，计算出各个通道的均衡滤波器权系数，对各个通道进行校准。

整个校正过程流程图如图1所示：

由伪随机发生器来对信号发生器进行控制，伪随机发生器决定信号发生的时间间隔。信号发生器则输出指定的波形。

产生波形经由自由空间传播，经过多通道采集后，得到原始数据。

采用匹配滤波器对其进行检测，得到各个信号的位置信息，以及复角度。

根据匹配滤波器的输出的位置结果，对各个通道的波形进行切割提取；根据匹配滤波器输出的复角度结果，按照参考通道的复角度对剩余所有通道进行共轭复乘旋转，保证多组通道相参。

对多组相参信号进行矢量叠加，最大化提高信干比，降低干扰信号的影响。

通过多通道复数除法，得到各个通道的校正系数。

对感兴趣的频带进行加权，对不感兴趣的频率进行抑制，构造对角加权矩阵。

通过频率因子阵将均衡滤波器变换到频域，采用加权最小二乘法，得到时域均衡滤波器的系数。

现在对整个系统校正流程进行阐述说明。在微波暗室内，发射多组线性调频信号作为校正信号，该信号的频谱范围覆盖被校正接收阵列天线的工作频带。每组线性调频信号的波形表达式为：

式中，信号的复包络为

T为脉冲宽度，μ＝B/T为调频斜率，B为调频带宽。

以上为一组线性调频信号的表达式，在校正过程中，要求发射多组校正信号，假设一次采集到K组信号，如图3所示：

为了降低采集时候信号与干扰信号的碰撞概率，每组信号之间的时间间隔长度由伪随机序列决定。我们可以采用M序列发生器作为生成伪随机的时间间隔。M序列又叫做最大长度线性反馈移位寄存器序列，M序列产生器的一般结构如图所示。其中1,2,3,...,n是移位寄存器的编号，a_k-i，i＝1,2,...,n，是各移位寄存器的状态，c_i对应各移位寄存器的反馈系数，c_i＝1表示该移位寄存器参加反馈，c_i＝0表示该移位寄存器不参加反馈。图4中c₀和c_n不能等于0，因为c₀＝0意味着移位寄存器无反馈，而c_n＝0意味着反馈移位寄存器要蜕化为n-1或者更少级的反馈移位寄存器。

如图4所示，第一级移位寄存器在下一时刻的状态是由相关移位寄存器在当前时刻的状态经反馈后共同决定的，即反馈系数为：

a_k＝c₁a_k-1+c₂a_k-2+…+c_na_k-n

则多组信号的时间间隔为T′_k＝T_delay+a_k·T′，其中T_delay是一个固定延迟，经过发射机后我们采集到多通道的多组回波信号为y_ik(t)，i表示通道编号i＝1,2,3,…N，k表示该组通道采集的第k组信号，k＝1,2,3,…,K。由于发射与接收系统无时钟同步，因此多组校正信号之间没有相参性，为了最大化的压制干扰信号，需要对其做相干积累来提高信干比。采用匹配滤波器对N个通道进行匹配滤波。匹配滤波器的波形表达式为：

式中s′(t)是s(t)的共轭复信号，经过滤波后的波形输出为：

式中表示卷积，P_i(t)表示匹配滤波后的信号输出，由于一次采集有K组信号，因此经过处理后P_i(t)的会有K个局部极大值，记为r_ij其中i表示通道i＝1,2,3,…,N，k表示第K个极大值k＝1,2,3,…,K。为了提高抑制干扰信号进行相参积累，对多组信号按照参考通道进行共轭复乘，假设以通道1作为参考通道，则相干积累后的信号为：

式中conj(r_1k/||r_1k||)表示第k个极大值复共轭归一化，即为第i个通道相参积累后的采集信号。经过上述处理之后的多通道的采集信号，已经极大的抑制了跳频干扰。的离散M点傅里叶变换表达式为/>其中m表示各个频率点，取值范围为m＝0,1,...,M-1。

下来通过各个通道的均衡器来进行通道校准，均衡器采用长度为L抽头的FIR滤波器来实现，滤波器的频率响应为

式中E_i(w)表示第i个通道均衡器的幅相特性，相位响应矢量表示为a^T＝[1,e^-jwT,e^-jw2T,…,e^-jw(L-1)T]^T，幅度响应矢量表示为h_i＝[h_i(0),h_i(1),…,h_i(L-1)]^T。采用数字滤波器实现均衡器，第i个通道均衡滤波器的频率响应可以写为：

式中m＝0,1,…,M-1；i＝1,2,…,N为均衡器离散傅里叶变换表达式。/>m＝0,1,…,M-1，为离散傅里叶变换的旋转因子矢量，m表示各个频率点，i为通道数。由于采集的数据有测量偏差，并且我们对带外的频率不那么关注，因此需要对不同的频率点进行加权，设计频域滤波器对带内频点构造加权系数，并将其保存在对角加权矩阵W的对角线上，已知频带内带宽B，因此通带频率为B_pass＝B/2，选取合适的阻带频率B_stop，离散化后的通带频率点为

阻带的频率点为：

采用汉宁窗对频带边缘做平滑处理，设计窗函数点数为N＝2abs(N_stop-N_pass)，则窗函数为

将生成的系数重新排列为加权矢量，并且其长度为M：

w＝[1,1,…,1,w(n)(N/2≤n≤N),0,0,0,w(n)(0≤n≤N/2),1,…,1]^T

构造对角加权矩阵：

W＝diag(w)

通过对角加权矩阵重新构造最小二乘法，使其尽可能对感兴趣的频点进行均衡计算，降低带外频点噪声的影响。在M个频点上有M个误差量，即

其矢量形式为：

e_i＝WH_i-Ah_i

式中A为频率因子阵：

误差向量e_i为：

e_i＝[e_i(0),e_i(1),…,e_i(M-1)]^T

通道幅相比值矢量H_i

H_i＝[H_i(0),H_i(1),…,H_i(M-1)]^T

因此经过改进后，最佳均衡器的系数矢量应满足

则最终均衡器输出形式为：

h_i＝(A^HA)^-1A^HWH_i。

实施例：

以下参数是举例子，来表示整个处理流程，以64通道的阵列校准举例，按照采样率为400Mhz，由信号发生器生成一个线性调频信号，扫频带宽为280Mhz,信号持续时间为2e-6s，信号的间隔采用伪随机发生器产生，通过64路采集后的信号如图5所示。

用匹配滤波器检测，检测结果如图6所示；

根据检测结果，得到最大信号的复数信息，并对原始波形进行切割，复角度旋转，得到64路采集信号。对64路通道的3组数据进行相干积累，提高信噪比，如图7所示。

对其1024点做FFT，以通道1为参考通道，将其他通道在频域上除以通道1得到通道校准系数，如图8所示.

采用对角加权的最小二乘法拟合，其中对角加权的系数满足带内数据权值保持为1，边带附近采用汉明窗过度，带外不明感地区进行填零处理，得到64路时域滤波器系数如图9所示。

将64路信号通过复数时域滤波器后，验证校准后的信号，发现64路通道信号完全对齐，校准后信号如图10所示。

Claims (9)

1.一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

由伪随机发生器来对信号发生器进行控制，伪随机发生器决定信号发生的时间间隔，信号发生器则输出指定的波形；

信号发生器输出的波形经由自由空间传播，经过多通道采集后，得到原始信号数据；

采用匹配滤波器对原始信号数据进行检测，得到各个信号的位置信息，以及复角度；

根据匹配滤波器的输出的位置信息，对各个通道的波形进行切割提取；根据匹配滤波器输出的复角度结果，按照参考通道的复角度对剩余所有通道进行共轭复乘旋转，保证多组通道相参；

对多组相参信号进行矢量叠加，最大化提高信干比；

通过多通道复数除法，得到各个通道的校正系数；

对感兴趣的频带进行加权，对不感兴趣的频率进行抑制，构造对角加权矩阵；

通过频率因子阵将均衡滤波器变换到频域，采用加权最小二乘法，得到时域均衡滤波器的系数。

2.根据权利要求1所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，波形表达式为：

式中，信号的复包络为

T为脉冲宽度，μ＝B/T为调频斜率，B为调频带宽。

3.根据权利要求1所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，一次采集到K组信号，每组信号之间的时间间隔长度由伪随机序列决定；采用M序列发生器作为生成伪随机的时间间隔，其中1,2,3,...,n是移位寄存器的编号，a_k-i，i＝1,2,...,n，是各移位寄存器的状态，c_i对应各移位寄存器的反馈系数，c_i＝1表示该移位寄存器参加反馈，c_i＝0表示该移位寄存器不参加反馈；c₀和c_n不能等于0；第一级移位寄存器在下一时刻的状态是由相关移位寄存器在当前时刻的状态经反馈后共同决定的，反馈系数为：

a_k＝c₁a_k-1+c₂a_k-2+…+c_na_k-n

则多组信号的时间间隔为T′_k＝T_delay+a_k·T′，其中T_delay是一个固定延迟，经过发射机后采集到多通道的多组回波信号为y_ik(t)，i表示通道编号i＝1,2,3,…N，k表示该组通道采集的第k组信号，k＝1,2,3,…,K；对其做相干积累来提高信干比。

4.根据权利要求3所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，采用匹配滤波器对N个通道进行匹配滤波，匹配滤波器的波形表达式为：

式中s′(t)是s(t)的共轭复信号，经过滤波后的波形输出为：

式中表示卷积，P_i(t)表示匹配滤波后的信号输出，采集有K组信号，对应处理后的P_i(t)会有K个局部极大值，记为r_ik其中i表示通道i＝1,2,3,…,N，k表示第K个极大值k＝1,2,3,…,K。

5.根据权利要求4所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，对多组信号按照参考通道进行共轭复乘，假设以通道1作为参考通道，则相干积累后的信号为：

式中conj(r_1k/||r_1k||)表示第k个极大值复共轭归一化，即为第i个通道相参积累后的采集信号；/>的离散M点傅里叶变换表达式为/>其中m表示各个频率点，取值范围为m＝0,1,...,M-1。

6.根据权利要求4所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，通过各个通道的均衡器来进行通道校准，均衡器采用长度为L抽头的FIR滤波器来实现，滤波器的频率响应为

式中E_i(w)表示第i个通道均衡器的幅相特性，相位响应矢量表示为a^T＝[1,e^-jwT,e^-jw2T,…,e^-jw(L-1)T]^T，幅度响应矢量表示为h_i＝[h_i(0),h_i(1),…,h_i(L-1)]^T；采用数字滤波器实现均衡器，第i个通道均衡滤波器的频率响应写为：

式中为均衡器离散傅里叶变换表达式；/>为离散傅里叶变换的旋转因子矢量，m表示各个频率点，i为通道数。

7.根据权利要求1所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，对不同的频率点进行加权，设计频域滤波器对带内频点构造加权系数，并将其保存在对角加权矩阵W的对角线上，已知频带内带宽B，因此通带频率为B_pass＝B/2，选取阻带频率B_stop，离散化后的通带频率点为

阻带的频率点为：

采用汉宁窗对频带边缘做平滑处理，设计窗函数点数为N＝2abs(N_stop-N_pass)，则窗函数为

将生成的系数重新排列为加权矢量，并且其长度为M：

w＝[1,1,…,1,w(n)(N/2≤n≤N),0,0,0,w(n)(0≤n≤N/2),1,…,1]^T

构造对角加权矩阵：

W＝diag(w)。

8.根据权利要求6所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相校准方法，其特征在于，通过对角加权矩阵重新构造最小二乘法，使其尽可能对感兴趣的频点进行均衡计算，在M个频点上有M个误差量，即

其矢量形式为：

e_i＝WH_i-Ah_i

式中A为频率因子阵：

误差向量e_i为：

e_i＝[e_i(0),e_i(1),…,e_i(M-1)]^T

通道幅相比值矢量H_i

H_i＝[H_i(0),H_i(1),…,H_i(M-1)]^T

最佳均衡器的系数矢量应满足

则最终均衡器输出形式为：

h_i＝(A^HA)^-1A^HWH_i。

9.一种宽带接收阵列天线通道幅相校准系统，其特征在于，包括：

波形输出模块，用于由伪随机发生器来对信号发生器进行控制，伪随机发生器决定信号发生的时间间隔，信号发生器则输出指定的波形；

原始信号数据获得模块，用于信号发生器输出的波形经由自由空间传播，经过多通道采集后，得到原始信号数据；

信号信息采集模块，用于采用匹配滤波器对原始信号数据进行检测，得到各个信号的位置信息，以及复角度；

通道相参获得模块，用于根据匹配滤波器的输出的位置信息，对各个通道的波形进行切割提取；根据匹配滤波器输出的复角度结果，按照参考通道的复角度对剩余所有通道进行共轭复乘旋转，保证多组通道相参；

相参信号矢量叠加模块，用于对多组相参信号进行矢量叠加，最大化提高信干比；

系数计算模块，用于通过多通道复数除法，得到各个通道的校正系数；

对角加权矩阵构造模块，用于对感兴趣的频带进行加权，对不感兴趣的频率进行抑制，构造对角加权矩阵；

时域均衡滤波器的系数获得模块，用于通过频率因子阵将均衡滤波器变换到频域，采用加权最小二乘法，得到时域均衡滤波器的系数。