Mimo雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能夠提高陣列誤差校正精度的MIMO雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法。通過獲得天線陣列的回波信號，并利用回波信號構建接收矩陣協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，再利用接收陣列和發(fā)射陣列的協(xié)方差矩陣分別對接收和發(fā)射的陣列誤差進行校正，避免了因陣列誤差的存在而導致角度測量的不準確，既能夠實現(xiàn)同時校正接收陣列和發(fā)射陣列的陣列誤差，并且采集由于陣列誤差使陣列導向矢量出現(xiàn)方位依賴，通過將包含M個陣元的天線陣列設置于轉臺上，使得天線陣列旋轉J個角度，分別接收天線陣列在每個角度的回波信號，這樣就能夠采集多個方位的大量方位角度的樣本數(shù)據(jù)，提高了陣列誤差校正的精度。適合在陣列信號處理領域推廣應用。
【專利說明】ΜΙΜΟ雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號處理領域，尤其是涉及ΜΜ0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正 方法。
【背景技術】
[0002] ΜΙΜΟ (Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出）雷達是一種多通道雷達 系統(tǒng)，包括多陣元天線結構，采用多個天線發(fā)射信號，并且采用多個天線接收回波，該雷達 信號形式和系統(tǒng)構成靈活，易擴展。在ΜΙΜΟ雷達的發(fā)射端，每個陣元（或子陣）全向發(fā)射 相互正交的信號波形，由于正交波形在空間不能相干疊加，會形成寬的發(fā)射波束，從而使得 信號的抗截獲能力增強。在ΜΜ0雷達的接收端，回波信號由所有信號的延遲合成，通過匹 配濾波器組來分離回波信號中各正交分量，再用數(shù)字波束形成技術（DBF)來獲得窄的接收 波束，從而獲得較高的測角精度。
[0003] 在ΜΜ0雷達系統(tǒng)中，信號波達方向（D0A)的估計通常采用以多重信號分類方法 (MUSIC)為代表的高分辨譜估計方法，該類方法雖然具有很高的分辨力和估計精確度，但使 用前提是精確已知陣列流型，由于受各種非理想因素的影響，例如，機械加工誤差、接收通 道不一致及陣元互耦等等，陣列流型會出現(xiàn)一定程度上的偏差和擾動，從而，會使高分辨譜 估計方法的性能嚴重惡化，甚至失效。因此，陣列誤差的估計成為角度測量急需解決的難 題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能夠提高陣列誤差校正精度的ΜΜ0雷達 收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是：該ΜΜ0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián) 合校正方法包括：
[0006] 通過使設置于轉臺上的包括Μ個陣元的天線陣列旋轉J個角度，分別接收天線陣 列在每個角度的回波信號，其中，Μ為大于1的整數(shù)，J為大于等于1的整數(shù)；
[0007] 基于所述回波信號，分別獲得接收陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣；
[0008] 利用接收陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，分別對接收陣列的陣列誤差和 發(fā)射陣列的陣列誤差進行校正。
[0009] 進一步的，利用接收陣列協(xié)方差矩陣，對接收陣列的陣列誤差進行校正，具體包 括：
[0010] S11 :對接收陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，構造接收陣列的噪聲子空間；
[0011] S12 :在接收陣列的噪聲子空間內(nèi)，利用第U-1次循環(huán)中估計的接收天線互耦矩陣 對接收陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，獲得第一歸一化特征矢量，其中，u為大于等于1的 整數(shù)；
[0012] S13 :基于第一歸一化特征矢量，獲得接收陣列的位置和幅相誤差；
[0013] S14:基于接收陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得接收陣列第u次循環(huán)的 互耦矩陣；
[0014] S15 :基于接收陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環(huán)的第一總代價函數(shù)；
[0015] S16 :判斷第u次循環(huán)的第一總代價函數(shù)與第u-Ι次循環(huán)的第一總代價函數(shù)之間差 值的絕對值是否大于第一預設值，當判斷結果為否時，令u自加1后，返回執(zhí)行S12,否則，循 環(huán)結束。
[0016] 進一步的，S13具體包括：
[0017] 基于第一歸一化特征矢量，獲得相鄰的兩個角度的第一相位差；
[0018] 基于第一相位差，獲得接收陣列的位置和幅相誤差。
[0019] 進一步的，在獲得接收陣列的位置和幅相誤差之前，還包括：消除第一相位差的相 位模糊。
[0020] 進一步的，獲得發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，具體為：通過將所述回波信號進行匹配濾 波，獲得發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣。
[0021] 進一步的，利用發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，對發(fā)射陣列的陣列誤差進行校正，具體包 括：
[0022] S21 :對發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，構造發(fā)射陣列的噪聲子空間；
[0023] S22 :在發(fā)射陣列的噪聲子空間內(nèi)，利用第u-Ι次循環(huán)中估計的發(fā)射天線互耦矩陣 對發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，獲得第二歸一化特征矢量，其中，u為大于等于1的 整數(shù)；
[0024] S23 :基于第二歸一化特征矢量，獲得發(fā)射天線陣列的位置和幅相誤差；
[0025] S24 :基于發(fā)射陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得發(fā)射陣列第i次循環(huán)的 互耦矩陣；
[0026] S25 :基于發(fā)射天線陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環(huán)的第二總代價函數(shù)；
[0027] S26 :判斷第u次循環(huán)的第二總代價函數(shù)與第u-Ι次循環(huán)的第二總代價函數(shù)之間差 值的絕對值是否大于第二預設值，當判斷結果為否時，令u自加1后，返回執(zhí)行S22,否則，循 環(huán)結束。
[0028] 進一步的，S23具體包括：
[0029] 基于第二歸一化特征矢量，獲得相鄰的兩個角度的第二相位差；
[0030] 基于第二相位差，獲得發(fā)射陣列的位置和幅相誤差。
[0031] 進一步的，在獲得發(fā)射陣列的位置和幅相誤差之前，還包括：消除第二相位差的相 位模糊。
[0032] 本發(fā)明的有益效果是：通過獲得天線陣列的回波信號，并利用回波信號構建接收 矩陣協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，再利用接收陣列和發(fā)射陣列的協(xié)方差矩陣分別對 接收和發(fā)射的陣列誤差進行校正，避免了因陣列誤差的存在而導致角度測量的不準確，既 能夠實現(xiàn)同時校正接收陣列和發(fā)射陣列的陣列誤差，又提高了校正精度；并且，采集由于陣 列誤差使陣列導向矢量出現(xiàn)方位依賴，因此，通過將包含Μ個陣元的天線陣列設置于轉臺 上，在旋轉轉臺的同時，使得天線陣列旋轉J個角度，分別接收天線陣列在每個角度的回波 信號，這樣就能夠采集多個方位的大量方位角度的樣本數(shù)據(jù)，提高了陣列誤差校正的精度； 另外，在校正陣列誤差的過程中，既實現(xiàn)了對陣元位置誤差的校正，又實現(xiàn)了對幅相誤差的 校正，還實現(xiàn)了對陣元互耦陣列誤差的校正。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明ΜΙΜΟ雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法的流程圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明步驟102和步驟103的流程圖；
[0035] 圖3是本發(fā)明接收陣列校正代價函數(shù)曲線；
[0036] 圖4是本發(fā)明發(fā)射陣列校正代價函數(shù)曲線。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細描述。
[0038] 本申請的ΜΜ0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，包括：通過使設置于轉臺上的 包括Μ個陣元的天線陣列旋轉J個角度，分別接收天線陣列在每個角度的回波信號，其中，Μ 為大于1的整數(shù)，J為大于等于1的整數(shù)；基于所述回波信號，分別獲得接收陣列協(xié)方差矩 陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣；利用接收陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，分別對接收 陣列的陣列誤差和發(fā)射陣列的陣列誤差進行校正。
[0039] 通過獲得天線陣列的回波信號，并利用回波信號構建接收矩陣協(xié)方差矩陣和發(fā)射 陣列協(xié)方差矩陣，再利用接收陣列和發(fā)射陣列的協(xié)方差矩陣分別對接收和發(fā)射的陣列誤差 進行校正，避免了因陣列誤差的存在而導致角度測量的不準確，既能夠實現(xiàn)同時校正接收 陣列和發(fā)射陣列的陣列誤差，又提高了校正精度，并且，采集由于陣列誤差使陣列導向矢量 出現(xiàn)方位依賴，因此，通過將包含Μ個陣元的天線陣列設置于轉臺上，在旋轉轉臺的同時， 使得天線陣列旋轉J個角度，分別接收天線陣列在每個角度的回波信號，這樣就能夠采集 多個方位的大量方位角度的樣本數(shù)據(jù)，提高了陣列誤差校正的精度。
[0040] 在本申請中，ΜΜ0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，應用于ΜΜ0雷達系統(tǒng)中， 如圖1所示，所述方法包括：
[0041] 步驟101 :通過使設置于轉臺上的包括Μ個陣元的天線陣列旋轉J個角度，分別接 收天線陣列在每個角度的回波信號，其中，Μ為大于1的整數(shù)，J為大于等于1的整數(shù)。
[0042] 在具體實施過程中，包括Μ個陣元的天線陣列設置于可旋轉的轉臺上，通過旋轉 轉臺，改變陣面法線和角反射器的相對角度，使得天線陣列旋轉J個角度，具體的，J個角度 為叫(j = l，…刀，從而，分別接收天線陣列在每個角度的回波信號t(t)，獲得J個方位 的樣本數(shù)據(jù)，即角度為叫(j = l，…J)的樣本數(shù)據(jù)。其中，所述天線陣列為均勻線陣。
[0043] 在本申請中，由發(fā)射陣列發(fā)射的正交ΜΜ0信號為S(t) = [Sl(t)，S2(t)，?，sM(t)] τ，其中，接收發(fā)射陣元數(shù)為M，第m個接收陣元接收到的回波信號又可以表示為：
[0044] ym(t) = arnm(e)atuT (e)S(t) + wm(f)
[0045] 其中，wm(t)為第m個接收陣元接收的噪聲，且噪聲滿足相互獨立零均值的高斯分 布，％_為接收導向矢量，氣(的為發(fā)射導向矢量，a M( Θ )為接收導向矢量氣(0)的第m個 2ndr srnβ 2π(Μ-?)?Γ sinf^ ^ 2π?( siiitf 2K{M-l)dt sini? 丁 分量。氣（句=U ' λ 7 Λ ，氣⑷=1乂？ Λ A ，dr，dt分別為 接收和發(fā)射陣列陣兀間隔，λ為波長。
[0046] 當存在陣列誤差時，接收回波信號為：
[0047] Y = CrGrar ( Θ ) (CtGtat ( θ )) Ts (t) +w (t)
[0048] 其中，(；為接收天線互耦矩陣，4為接收幅相誤差，又，各參數(shù)具有如下表達式：
[0049] G, = diag[l,gr2 exp(/^r2exp(?>rJf)]
[0050] ar( θ ) = [1，…，exp (-i φΜ)，…，exp (-i φΓΜ) ]τ
[0051] Φ" = 1=Ξ^^Θ A
[0052] [drl, dr2, ···, drM]為陣元實際的接收位置,且滿足dri = (i_l)dr+Adri, Adri為第 i個接收陣元的位置擾動。
[0053] 在本申請中，完成步驟101之后，執(zhí)行步驟102 :基于所述回波信號，分別獲得接收 陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣。
[0054] 在具體實施過程中，一方面，根據(jù)步驟101中天線陣列接收到的回波數(shù)據(jù)， 即每個角度的回波信號\(t)，能夠獲得接收陣列的接收協(xié)方差矩陣〃,_，具體的， 祀=￡[7聲)17(/)]，其中，E代表期望，Η代表共軛變型。
[0055] 具體的，在本申請中，由于陣元接收天線信號Y(t) = [yi(t)，…，yM(t)] τ = 其中，S。= (CtGtat(0))Ts(t)，貝1J，可得到 具體為： Λ/ , σ ^為接收陣列的噪聲功率。
[0056] 進一步的，在本申請中，獲得發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，具體為：
[0057] 通過將所述回波信號進行匹配濾波，獲得發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣。
[0058] 在具體實施過程中，另一方面，根據(jù)步驟101中天線陣列接收到的回波數(shù)據(jù)，即每 個角度的回波信號\(t)，能夠獲得發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣R t，具體的，將回波信號t(t)進行 匹配濾波后，得到所述發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣Rt，其中，A
[0059] 在本申請中，當發(fā)射陣列發(fā)射Κ個脈沖時，經(jīng)過匹配濾波器之后的第k(k = 1，…， K)個脈沖快拍數(shù)據(jù)為
[0060] χ" k (t) = c0ar0j m ( θ ) at0j n ( Θ ) +v" k (t)
[0061] 其中，C(1為信號能量，Vmn_k(t)為匹配濾波后的噪聲。用M個發(fā)射信號對第m個接 收陣元信號進行匹配，共可得Μ個信號，為
[0062] Xm-k = c0ar0, m ( Θ ) aTt0 ( Θ ) +Vk
[0063] 在本申請中，當存在陣列誤差時，匹配后的Xm k為：
[0064] Xm k = c〇am (CtGtat ( θ )) T+Vk
[0065] 其中，Ct為發(fā)射天線互耦矩陣，Gt為發(fā)射幅相誤差，又，各參數(shù)具有如下表達式：
[0066] G, =diag[l,gr2exp(i^r2),-,grM exp(%w)]
[0067] at( θ ) = [1，…，exp(-i <J)tm)，…，exp(-i φ?Μ)]τ
[0068] ψ,"=^?ηθ
[0069] [dtl, dt2，…，dtM]為陣元實際的發(fā)射位置,且滿足dti = (i_l)dt+Adti, Adti為第 i個發(fā)射陣元的位置擾動，am為( θ )的第m個元素。
[0070] 而，在本申請中，將K個脈沖的數(shù)據(jù)排列為= [Xm」，…，X^J，則發(fā)射陣列的協(xié) 方差矩陣Rt為琴=￡[J0C] = fXC；GAe產(chǎn)礦Cf +σ// , σ t為發(fā)射陣列的噪聲功率。
[0071] 在本申請中，完成步驟102之后，執(zhí)行步驟103 :利用接收陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射 陣列協(xié)方差矩陣，分別對接收陣列的陣列誤差和發(fā)射陣列的陣列誤差進行校正。
[0072] 在具體實施過程中，利用接收陣列協(xié)方差矩陣對接收陣列的陣列誤差進行校正， 利用發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣對發(fā)射陣列的陣列誤差進行校正。
[0073] 如圖2所示，具體的，在本申請中，利用接收陣列協(xié)方差矩陣，對接收陣列的陣列 誤差進行校正，具體包括如下步驟：
[0074] S11 :對接收陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，構造接收陣列的噪聲子空間；
[0075] S12 :在接收陣列的噪聲子空間內(nèi)，利用第u-1次循環(huán)中估計的接收天線互耦矩陣 對接收陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，獲得第一歸一化特征矢量，其中，u為大于等于1的 整數(shù)；
[0076] S13 :基于第一歸一化特征矢量，獲得接收天線陣列的位置和幅相誤差；
[0077] S14:基于接收陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得接收陣列第u次循環(huán)的 互耦矩陣；
[0078] S15 :基于接收天線陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環(huán)的第一總代價函數(shù)；
[0079] S16 :判斷第u次循環(huán)的第一總代價函數(shù)與第u-Ι次循環(huán)的第一總代價函數(shù)之間差 值的絕對值是否大于第一預設值，當判斷結果為否時，令u自加1后，返回執(zhí)行S12,否則，循 環(huán)結束。
[0080] 在具體實施過程中，首先執(zhí)行S11，對祀進行特征分解，構造接收陣列的噪聲子空 間1_，接著進入校正循環(huán)過程。而對叫方向的樣本數(shù)據(jù)的接收陣列協(xié)方差矩陣粑進行特征 分解得到公式一如下：
【權利要求】
1. ΜΙΜΟ雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：所述方法包括： 通過使設置于轉臺上的包括Μ個陣元的天線陣列旋轉J個角度，分別接收天線陣列在 每個角度的回波信號，其中，Μ為大于1的整數(shù)，J為大于等于1的整數(shù)； 基于所述回波信號，分別獲得接收陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣； 利用接收陣列協(xié)方差矩陣和發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，分別對接收陣列的陣列誤差和發(fā)射 陣列的陣列誤差進行校正。
2. 如權利要求1所述的ΜΙΜΟ雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：利用接 收陣列協(xié)方差矩陣，對接收陣列的陣列誤差進行校正，具體包括： 511 :對接收陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，構造接收陣列的噪聲子空間； 512 :在接收陣列的噪聲子空間內(nèi)，利用第u-1次循環(huán)中估計的接收天線互耦矩陣對接 收陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，獲得第一歸一化特征矢量，其中，u為大于等于1的整數(shù)； 513 :基于第一歸一化特征矢量，獲得接收陣列的位置和幅相誤差； 514 :基于接收陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得接收陣列第u次循環(huán)的互耦 矩陣； 515 :基于接收陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環(huán)的第一總代價函數(shù)； 516 :判斷第u次循環(huán)的第一總代價函數(shù)與第u-Ι次循環(huán)的第一總代價函數(shù)之間差值的 絕對值是否大于第一預設值，當判斷結果為否時，令u自加1后，返回執(zhí)行S12,否則，循環(huán)結 束。
3. 如權利要求2所述的ΜΜ0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：S13具 體包括： 基于第一歸一化特征矢量，獲得相鄰的兩個角度的第一相位差； 基于第一相位差，獲得接收陣列的位置和幅相誤差。
4. 如權利要求3所述的MM0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：在獲得 接收陣列的位置和幅相誤差之前，還包括：消除第一相位差的相位模糊。
5. 如權利要求1所述的ΜΙΜΟ雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：獲得 發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣，具體為：通過將所述回波信號進行匹配濾波，獲得發(fā)射陣列協(xié)方差矩 陣。
6. 如權利要求1所述的ΜΜ0雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：利用發(fā) 射陣列協(xié)方差矩陣，對發(fā)射陣列的陣列誤差進行校正，具體包括： 521 :對發(fā)射陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，構造發(fā)射陣列的噪聲子空間； 522 :在發(fā)射陣列的噪聲子空間內(nèi)，利用第u-Ι次循環(huán)中估計的發(fā)射天線互耦矩陣對發(fā) 射陣列協(xié)方差矩陣進行特征分解，獲得第二歸一化特征矢量，其中，u為大于等于1的整數(shù)； 523 :基于第二歸一化特征矢量，獲得發(fā)射天線陣列的位置和幅相誤差； S24:基于發(fā)射陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得發(fā)射陣列第u次循環(huán)的互耦 矩陣； 525 :基于發(fā)射天線陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環(huán)的第二總代價函數(shù)； 526 :判斷第u次循環(huán)的第二總代價函數(shù)與第u-Ι次循環(huán)的第二總代價函數(shù)之間差值的 絕對值是否大于第二預設值，當判斷結果為否時，令u自加1后，返回執(zhí)行S22,否則，循環(huán)結 束。
7. 如權利要求6所述的MMO雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：S23具 體包括： 基于第二歸一化特征矢量，獲得相鄰的兩個角度的第二相位差； 基于第二相位差，獲得發(fā)射陣列的位置和幅相誤差。
8. 如權利要求7所述的ΜΙΜΟ雷達收發(fā)陣列誤差的聯(lián)合校正方法，其特征在于：在獲得 發(fā)射陣列的位置和幅相誤差之前，還包括：消除第二相位差的相位模糊。
【文檔編號】G01S7/40GK104111448SQ201410366566
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權日:2014年7月29日
【發(fā)明者】錢江, 吳琪, 李道通, 劉劍剛, 賈勇, 沈煬, 黃聰 申請人:電子科技大學