本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在校正源位置未知的情況下，利用天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量的校正源信號(hào)進(jìn)行天線陣列幅相誤差校正的方法。

背景技術(shù)：

在天線陣列測(cè)向系統(tǒng)中，天線陣列幅相誤差對(duì)現(xiàn)有的很多測(cè)向方法的測(cè)向性能的影響特別嚴(yán)重，主要原因在于這些測(cè)向方法都假設(shè)天線陣列的方向向量與信號(hào)來(lái)波方向之間的關(guān)系是已知的，由陣元位置、信號(hào)波長(zhǎng)和來(lái)波方向決定。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，天線陣列各個(gè)陣元的信號(hào)接收通道往往存在幅相響應(yīng)不一致導(dǎo)致的誤差，使得實(shí)際的天線陣列的方向向量不僅與信號(hào)來(lái)波方向有關(guān)，還與天線陣列各個(gè)陣元的信號(hào)接收通道的幅相響應(yīng)有關(guān)。如果不對(duì)天線陣列幅相誤差進(jìn)行校正，已知天線陣列的方向向量與信號(hào)來(lái)波方向之間的關(guān)系的假設(shè)就不成立，將導(dǎo)致基于該假設(shè)的測(cè)向方法的測(cè)向性能?chē)?yán)重下降。

為了校正天線陣列幅相誤差，人們常常使用有源校正方法，該方法在已知校正源位置的前提下進(jìn)行天線陣列幅相誤差校正。借助已知位置的校正源發(fā)射信號(hào)，能夠得到比較精確的天線陣列幅相誤差校正結(jié)果，但是在實(shí)際應(yīng)用中部署位置已知的校正源所需的開(kāi)銷(xiāo)較大，而且固定位置的校正源難以滿足運(yùn)動(dòng)范圍較大的動(dòng)態(tài)陣列實(shí)時(shí)校正幅相誤差的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中有源校正方法的不足，利用外部環(huán)境中存在的信號(hào)源作為校正源，在校正源位置未知的情況下，利用天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量的校正源信號(hào)進(jìn)行天線陣列幅相誤差校正。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

確定天線陣列的初始位置坐標(biāo)，天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量過(guò)程的次數(shù)，天線陣列所有陣元的位置坐標(biāo)，所有位置網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)，校正源輻射的信號(hào)頻率；然后開(kāi)始測(cè)量過(guò)程；其次，天線陣列運(yùn)動(dòng)到新的位置，重復(fù)測(cè)量過(guò)程；接著，利用天線陣列在多個(gè)不同位置確定的噪聲子空間矩陣和指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量確定每個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣；最后，分別確定每個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣的最小特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，在所有最小特征值中確定一個(gè)最小值，這個(gè)最小值對(duì)應(yīng)的特征向量即為天線陣列幅相誤差的校正結(jié)果。

一種校正源位置未知的天線陣列幅相誤差動(dòng)中校方法，具體步驟為：

S1、確定天線陣列的初始位置坐標(biāo)(x₀,y₀,z₀)，確定天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量過(guò)程的次數(shù)P，確定每次測(cè)量過(guò)程中天線陣列接收信號(hào)的快拍次數(shù)L，確定天線陣列所有陣元的位置坐標(biāo)(a_m,b_m,c_m)，確定所有位置網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)(α_n,β_n,γ_n)，校正源輻射的信號(hào)頻率f，其中，m＝1,2,...,M，M是陣元個(gè)數(shù)，n＝1,2,...,N，N是位置網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

S2、開(kāi)始測(cè)量過(guò)程，即：確定天線陣列當(dāng)前位置的坐標(biāo)(x₁,y₁,z₁)以及該位置指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量確定多次快拍的天線陣列接收信號(hào)x₁(t)及其自相關(guān)矩陣并對(duì)自相關(guān)矩陣R₁進(jìn)行特征值分解，得到確定該位置對(duì)應(yīng)的噪聲子空間矩陣V₁＝[u₁₂,u₁₃,…,u_1M]，其中，c是光速，t＝1,2,…,L，*^H表示共軛轉(zhuǎn)置，λ₁₁為自相關(guān)矩陣R₁的最大特征值，U₁為最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量u₁₁構(gòu)成的矩陣，Λ_v1＝diag(λ₁₂,λ₁₃,…,λ_1M)是以其余較小的M-1個(gè)特征值為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣，V₁為由其余較小的M-1個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征項(xiàng)量u₁₂,u₁₃,…,u_1M構(gòu)成的噪聲子空間矩陣；

S3、天線陣列運(yùn)動(dòng)到新的位置，重復(fù)測(cè)量過(guò)程，即：確定天線陣列當(dāng)前位置的坐標(biāo)(x_p,y_p,z_p)以及該位置指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量多次快拍的天線陣列接收信號(hào)x_p(t)及其自相關(guān)矩陣并對(duì)自相關(guān)矩陣R_p進(jìn)行特征值分解，得到確定該位置對(duì)應(yīng)的噪聲子空間矩陣，其中，p＝2,3,...,P+1，t＝1,2,…,L，λ_p1為自相關(guān)矩陣R_p的最大特征值，U_p為最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，Λ_vp＝diag(λ_p2,λ_p3,…,λ_pM)是以其余較小的M-1個(gè)特征值為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣，V_p為由其余較小的M-1個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征項(xiàng)量u_p2,u_p3,…,u_pM構(gòu)成的噪聲子空間矩陣V_p＝[u_p2,u_p3,…,u_pM]；

S4、利用天線陣列在多個(gè)不同位置確定的噪聲子空間矩陣和指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量確定每個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣

S5、分別確定每個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣的最小特征值λ_min(Q_n)及其對(duì)應(yīng)的特征向量q_min(Q_n)，在所有最小特征值中確定一個(gè)最小值這個(gè)最小值對(duì)應(yīng)的特征向量即為天線陣列幅相誤差的校正結(jié)果，其中，是當(dāng)n＝1,2,…,N時(shí)滿足的值。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明方法將外部環(huán)境中存在的信號(hào)源作為校正源，在校正源位置未知的情況下，利用天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量校正源信號(hào)對(duì)天線陣列幅相誤差進(jìn)行校正，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有源校正方法要求校正源位置已知、位置固定的不足。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例：

確定10個(gè)無(wú)線電接收陣元組成的均勻天線線陣接收一個(gè)外部環(huán)境中存在的、位置未知的信號(hào)源信號(hào)，以該信號(hào)為校正源，天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量過(guò)程的次數(shù)P為20，在每次測(cè)量過(guò)程中天線陣列接收信號(hào)的快拍次數(shù)L為20。每個(gè)陣元接收信號(hào)的信噪比都是20dB，噪聲為零均值高斯白噪聲，校正源位置坐標(biāo)為(900，1900，0)，本發(fā)明的動(dòng)中校方法不需要利用校正源的位置信息。天線陣列的幅度誤差ρ₁,ρ₂,…,ρ₁₀分別是均值為零標(biāo)準(zhǔn)差為3dB的高斯分布的獨(dú)立隨機(jī)變量；天線陣列的相位誤差分別是(0,2π]內(nèi)均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)變量。

具體流程如下：

S1、確定天線陣列的初始位置坐標(biāo)(x₀,y₀,z₀)為(0,0,0)，確定天線陣列在運(yùn)動(dòng)中重復(fù)測(cè)量過(guò)程的次數(shù)P為20，在每次測(cè)量過(guò)程中天線陣列接收信號(hào)的快拍次數(shù)L為20；確定天線陣列所有陣元的位置坐標(biāo)，分別為(0,0,0)，(0.15,0,0)，(0.3,0,0)，…，(1.35,0,0)；確定位置網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0,0,0)，(0,100,0)，(0,200,0)，…，(0,5000,0)，(100,0,0)，(100,100,0)，(100,200,0)，…，(100,5000,0)，...，(5000,0,0)，(5000,100,0)，(5000,200,0)，…，(5000,5000,0)，位置網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)N為2601；確定信號(hào)源輻射的信號(hào)頻率f為1GHz。

S2、開(kāi)始測(cè)量過(guò)程，即：確定天線陣列當(dāng)前位置的坐標(biāo)為(100,0,0)，確定該位置指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量，最前2列和最后2列分別為

確定20次快拍的天線陣列接收信號(hào)，最前2列和最后2列分別為

確定其自相關(guān)矩陣，為

對(duì)自相關(guān)矩陣R₁進(jìn)行特征值分解，確定該位置對(duì)應(yīng)的噪聲子空間矩陣，為

S3、天線陣列運(yùn)動(dòng)到新的位置，重復(fù)測(cè)量過(guò)程，即：確定天線陣列當(dāng)前位置的坐標(biāo)，分別為(200,0,0)，(300,0,0)，...，(1900,0,0)；分別確定該位置指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量，確定20次快拍的天線陣列接收信號(hào)，確定其自相關(guān)矩陣，并對(duì)自相關(guān)矩陣進(jìn)行特征值分解，確定該位置對(duì)應(yīng)的噪聲子空間矩陣，重復(fù)第2次和第20次確定的噪聲子空間矩陣分別為和

S4、利用天線陣列在20個(gè)不同位置確定的噪聲子空間矩陣和指向位置網(wǎng)格點(diǎn)的向量確定每個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣，第1個(gè)和最后1個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣分別為和

S5、分別確定每個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正矩陣的最小特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，第1個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小特征值為7.6343，其對(duì)應(yīng)的特征向量為

[0.1616+0.0000i,0.0733-0.1744i,-0.3662-0.0511i,-0.5242+0.4774i,0.0634-0.2958i,0.0704+0.1638i,-0.2990+0.0738i,0.1758-0.0180i,-0.0592-0.0277i,0.2097-0.0313i]

最后1個(gè)位置網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小特征值為6.2348，其對(duì)應(yīng)的特征向量為

[-0.0349-0.0000i，0.0242+0.0004i，0.0085+0.0282i，0.0337+0.1013i，0.0108+0.0202i，-0.1401-0.1253i，-0.0882-0.7150i，-0.1167-0.0983i，0.4428-0.3456i，-0.2798-0.1187i]

在所有最小特征值中確定一個(gè)最小值，為3.2538e-16；這個(gè)最小值對(duì)應(yīng)的特征向量為

[1.0000+0.0000i，0.5043-0.8554i，-0.7117-0.7479i，-1.0043+0.1169i，0.1029+0.9966i，0.8523+0.5080i，-0.9664-0.2571i，0.8796-0.5740i，0.8679+0.5435i，0.4890+0.9038i]

即為天線陣列幅相誤差的校正結(jié)果。

對(duì)比真實(shí)的幅相誤差向量

[1.0000-0.0000i，0.5169-0.8561i，-0.6874-0.7262i，-0.9925+0.1226i，0.0873+0.9962i，0.8482+0.5297i，-0.9600-0.2799i，0.8463-0.5327i，0.8338+0.5521i，0.4232+0.9060i]

定義幅度誤差的估計(jì)誤差為

其中，g(m)為天線陣列第m個(gè)陣元的幅相誤差，為天線陣列第m個(gè)陣元的幅相誤差的校正結(jié)果。幅度誤差的平均估計(jì)誤差為

相位誤差的估計(jì)誤差為

相位誤差的平均估計(jì)誤差為

可以得到：

本發(fā)明方法測(cè)定的天線陣列各通道幅度誤差的估計(jì)誤差為

[0,0.5383,0.2698,0.2734,0.3042,0.1920,0.3556,0.3086,0.2767,0.2688]，

單位為dB，幅度誤差的平均估計(jì)誤差小于0.3dB；本發(fā)明方法測(cè)定的天線陣列各通道相位誤差的估計(jì)誤差為

[0.0000,2.7886,1.1507,0.4701,2.9177,1.1190,2.4925,0.5506,1.6926,1.2185]，

單位為度，相位誤差的平均估計(jì)誤差小于2.0度。