Mimo雷達收發陣列誤差的聯合校正方法
【專利摘要】本發明公開了一種能夠提高陣列誤差校正精度的MIMO雷達收發陣列誤差的聯合校正方法。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方差矩陣和發射陣列協方差矩陣，再利用接收陣列和發射陣列的協方差矩陣分別對接收和發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，既能夠實現同時校正接收陣列和發射陣列的陣列誤差，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據，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雷達收發陣列誤差的聯合校正方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及陣列信號處理領域，尤其是涉及ΜΜ0雷達收發陣列誤差的聯合校正 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，包括多陣元天線結構，采用多個天線發射信號，并且采用多個天線接收回波，該雷達 信號形式和系統構成靈活，易擴展。在ΜΙΜΟ雷達的發射端，每個陣元（或子陣）全向發射 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。


【發明內容】

[0004] 本發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 收發陣列誤差的聯合校正方法。
[0005] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：該ΜΜ0雷達收發陣列誤差的聯 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，J為大于等于1的整數；
[0007] 基于所述回波信號，分別獲得接收陣列協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣；
[0008] 利用接收陣列協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣，分別對接收陣列的陣列誤差和 發射陣列的陣列誤差進行校正。
[0009] 進一步的，利用接收陣列協方差矩陣，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，利用第U-1次循環中估計的接收天線互耦矩陣 對接收陣列協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；
[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次循環的第一總代價函數；
[0015] S16 :判斷第u次循環的第一總代價函數與第u-Ι次循環的第一總代價函數之間差 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，返回執行S12,否則，循 環結束。
[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，獲得發射陣列協方差矩陣，具體為：通過將所述回波信號進行匹配濾 波，獲得發射陣列協方差矩陣。
[0021] 進一步的，利用發射陣列協方差矩陣，對發射陣列的陣列誤差進行校正，具體包 括：
[0022] S21 :對發射陣列協方差矩陣進行特征分解，構造發射陣列的噪聲子空間；
[0023] S22 :在發射陣列的噪聲子空間內，利用第u-Ι次循環中估計的發射天線互耦矩陣 對發射陣列協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；
[0024] S23 :基于第二歸一化特征矢量，獲得發射天線陣列的位置和幅相誤差；
[0025] S24 :基于發射陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得發射陣列第i次循環的 互耦矩陣；
[0026] S25 :基于發射天線陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環的第二總代價函數；
[0027] S26 :判斷第u次循環的第二總代價函數與第u-Ι次循環的第二總代價函數之間差 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，返回執行S22,否則，循 環結束。
[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，獲得發射陣列的位置和幅相誤差。
[0031] 進一步的，在獲得發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 矩陣協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣，再利用接收陣列和發射陣列的協方差矩陣分別對 接收和發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 能夠實現同時校正接收陣列和發射陣列的陣列誤差，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據，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，既實現了對陣元位置誤差的校正，又實現了對幅相誤差的 校正，還實現了對陣元互耦陣列誤差的校正。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1是本發明ΜΙΜΟ雷達收發陣列誤差的聯合校正方法的流程圖；
[0034] 圖2是本發明步驟102和步驟103的流程圖；
[0035] 圖3是本發明接收陣列校正代價函數曲線；
[0036] 圖4是本發明發射陣列校正代價函數曲線。

【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細描述。
[0038] 本申請的ΜΜ0雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，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，J為大于等于1的整數；基于所述回波信號，分別獲得接收陣列協方差矩 陣和發射陣列協方差矩陣；利用接收陣列協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣，分別對接收 陣列的陣列誤差和發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方差矩陣和發射 陣列協方差矩陣，再利用接收陣列和發射陣列的協方差矩陣分別對接收和發射的陣列誤差 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，既能夠實現同時校正接收 陣列和發射陣列的陣列誤差，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據，提高了陣列誤差校正的精度。
[0040] 在本申請中，ΜΜ0雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，應用于ΜΜ0雷達系統中， 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，J為大于等于1的整數。
[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 的樣本數據，即角度為叫(j = l，…J)的樣本數據。其中，所述天線陣列為均勻線陣。
[0043] 在本申請中，由發射陣列發射的正交ΜΜ0信號為S(t) = [Sl(t)，S2(t)，?，sM(t)] τ，其中，接收發射陣元數為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，執行步驟102 :基于所述回波信號，分別獲得接收 陣列協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣。
[0054] 在具體實施過程中，一方面，根據步驟101中天線陣列接收到的回波數據， 即每個角度的回波信號\(t)，能夠獲得接收陣列的接收協方差矩陣〃,_，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，獲得發射陣列協方差矩陣，具體為：
[0057] 通過將所述回波信號進行匹配濾波，獲得發射陣列協方差矩陣。
[0058] 在具體實施過程中，另一方面，根據步驟101中天線陣列接收到的回波數據，即每 個角度的回波信號\(t)，能夠獲得發射陣列協方差矩陣R t，具體的，將回波信號t(t)進行 匹配濾波后，得到所述發射陣列協方差矩陣Rt，其中，A
[0059] 在本申請中，當發射陣列發射Κ個脈沖時，經過匹配濾波器之后的第k(k = 1，…， K)個脈沖快拍數據為
[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為發射天線互耦矩陣，Gt為發射幅相誤差，又，各參數具有如下表達式：
[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]為陣元實際的發射位置,且滿足dti = (i_l)dt+Adti, Adti為第 i個發射陣元的位置擾動，am為( θ )的第m個元素。
[0070] 而，在本申請中，將K個脈沖的數據排列為= [Xm」，…，X^J，則發射陣列的協 方差矩陣Rt為琴=￡[J0C] = fXC；GAe產礦Cf +σ// , σ t為發射陣列的噪聲功率。
[0071] 在本申請中，完成步驟102之后，執行步驟103 :利用接收陣列協方差矩陣和發射 陣列協方差矩陣，分別對接收陣列的陣列誤差和發射陣列的陣列誤差進行校正。
[0072] 在具體實施過程中，利用接收陣列協方差矩陣對接收陣列的陣列誤差進行校正， 利用發射陣列協方差矩陣對發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，利用第u-1次循環中估計的接收天線互耦矩陣 對接收陣列協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；
[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次循環的第一總代價函數；
[0079] S16 :判斷第u次循環的第一總代價函數與第u-Ι次循環的第一總代價函數之間差 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，返回執行S12,否則，循 環結束。
[0080] 在具體實施過程中，首先執行S11，對祀進行特征分解，構造接收陣列的噪聲子空 間1_，接著進入校正循環過程。而對叫方向的樣本數據的接收陣列協方差矩陣粑進行特征 分解得到公式一如下：

【權利要求】
1. ΜΙΜΟ雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，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，J為大于等于1的整數； 基于所述回波信號，分別獲得接收陣列協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣； 利用接收陣列協方差矩陣和發射陣列協方差矩陣，分別對接收陣列的陣列誤差和發射 陣列的陣列誤差進行校正。
2. 如權利要求1所述的ΜΙΜΟ雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，其特征在于：利用接 收陣列協方差矩陣，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，利用第u-1次循環中估計的接收天線互耦矩陣對接 收陣列協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； 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次循環的第一總代價函數； 516 :判斷第u次循環的第一總代價函數與第u-Ι次循環的第一總代價函數之間差值的 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，返回執行S12,否則，循環結 束。
3. 如權利要求2所述的ΜΜ0雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，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雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，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雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，其特征在于：獲得 發射陣列協方差矩陣，具體為：通過將所述回波信號進行匹配濾波，獲得發射陣列協方差矩 陣。
6. 如權利要求1所述的ΜΜ0雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，其特征在于：利用發 射陣列協方差矩陣，對發射陣列的陣列誤差進行校正，具體包括： 521 :對發射陣列協方差矩陣進行特征分解，構造發射陣列的噪聲子空間； 522 :在發射陣列的噪聲子空間內，利用第u-Ι次循環中估計的發射天線互耦矩陣對發 射陣列協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； 523 :基于第二歸一化特征矢量，獲得發射天線陣列的位置和幅相誤差； S24:基于發射陣列的位置、幅相誤差和噪聲子空間，獲得發射陣列第u次循環的互耦 矩陣； 525 :基于發射天線陣列的位置和幅相誤差，獲得第u次循環的第二總代價函數； 526 :判斷第u次循環的第二總代價函數與第u-Ι次循環的第二總代價函數之間差值的 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，返回執行S22,否則，循環結 束。
7. 如權利要求6所述的MMO雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，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雷達收發陣列誤差的聯合校正方法，其特征在于：在獲得 發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 優先權日:2014年7月29日
【發明者】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