一種陣列通道不一致性誤差快速校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，更確切的說(shuō)，是一種陣列誤差通道不一致性誤差 快速校正方法。該方法可用于雷達(dá)、聲納等陣列通道不一致性的校正領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在實(shí)際的測(cè)向系統(tǒng)中，生產(chǎn)工藝、安裝誤差以及平臺(tái)擾動(dòng)等使傳感器陣列產(chǎn)生幅 相誤差、陣元位置誤差以及互耦現(xiàn)象，這將導(dǎo)致實(shí)際的陣列導(dǎo)向矢量與理想的陣列導(dǎo)向矢 量有所不同。在這種情況下，常規(guī)的高分辨的DOA估計(jì)算法，諸如MVDR，MUSIC，ESPRIT 和ML等算法的測(cè)向性能將嚴(yán)重下降甚至失效。因此，在使用傳感器陣列進(jìn)行DOA估計(jì)之 前，陣列誤差的校正工作是不可或缺的。針對(duì)陣列通道不一致性引起的幅度和相位誤差， Jungtai Kim 等人在 2010 年發(fā)表的《Blind calibration foralineararraywith gain and phase error using independent component analysis〉〉中提到，利用獨(dú)立成分分析法 (Independent Component Analysis，ICA)可校正陣列的幅度和相位誤差，該算法需要較大 的計(jì)算量且要求校正信源為非高斯信號(hào)。柳艾飛等人在2011年發(fā)表的紐116丨861181：1'11〇1：11^ method forestimating DOAand sensorgain-phase errors》中提到，利用陣列輸出矩陣及 其共輒矩陣的Hadamard積構(gòu)成新的協(xié)方差矩陣，并對(duì)其進(jìn)行特征分解從而實(shí)現(xiàn)了幅相誤 差和DOA的聯(lián)合估計(jì)，該算法無(wú)需迭代，避免了參數(shù)估計(jì)的局部收斂，但該方法要求信源數(shù) 目需大于2且不適用于線性陣列。作為陣列信號(hào)處理的預(yù)處理過(guò)程，陣列校正工作應(yīng)該簡(jiǎn) 單易行，且具有較小的計(jì)算量，否則將不利于陣列信號(hào)處理的后續(xù)處理，因此，研究陣列誤 差的快速校正算法具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于解決陣列通道不一致性誤差的校正問(wèn)題，提供一種陣列通道不 一致性誤差的快速校正方法，可以對(duì)陣列通道不一致性誤差進(jìn)行快速有效的校正。
[0004] 本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：
[0005] (1)設(shè)置一方位精確已知的校正源位于待校正陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)處，則陣列接受到的信 號(hào)為：
[0006] X(t) = Tas( Θ )Ss(t)+N(t) (I)
[0007] 其中，待校正陣列為陣元數(shù)目為M的半波長(zhǎng)均勾線陣，X(t) = [X1U), x2(t),… ，xM(t)]%MXl維觀測(cè)的數(shù)據(jù)向量，Ss(t)為功率為4的校正源，N(t) = [ni(t)，n2(t)，··· ，nJOfSMX 1維零詢倌高斯A嚙聲向量" a( θ =「1. e·?ω· ei2'…· ei(M 1)ω?τ為理掘的 陣列流型導(dǎo)向矢量
為包含幅相信息的MXM維對(duì)角矩陣，&和0 (/ = U，.，Μ)分別表示第i個(gè)陣元的增益和相 位；
[0008] (2)獲取校正源的方位和波形信息，使用如下公式求出存在幅相誤差的導(dǎo)向矢 量：
[0010] 式中，H表示共輒轉(zhuǎn)置，I I · I I2表示2-范數(shù)；
[0011] 將式（1)代人式（2)，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得：
[0013] 式（3)表明，h和Α( Θ s)成正比，且比例系數(shù)是一個(gè)與陣元數(shù)目及陣元增益有關(guān)的 量；
[0014] 設(shè)為h歸一化后的值，則由上式可得第i (i = 1，2, . . .，M)個(gè)陣元Γ 估計(jì)值：
[0016] 式中，私和&1(0；3)分別為向量_卩 &(0；3)中的第1個(gè)元素； 「00171 由忒（4)可得增益和相份的估i+倌為，
[0020] 由式（5)和（6)得到的增益和相位估計(jì)值&和&對(duì)陣列進(jìn)行校正。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用陣列源的方位和波形信息對(duì)陣列進(jìn)行校正，無(wú)需估計(jì)協(xié)方差 矩陣和進(jìn)行特征值分解，運(yùn)算量較小，且具有與特征分解方法基本相同的幅相參數(shù)估計(jì)性 能。EACDM算法和特征分解法的計(jì)算復(fù)雜度分別為0 (3MN)和0 (M2N+4M3/3)，本發(fā)明的運(yùn)算 量?jī)H為O(MN)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明的陣列校正示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明的陣列校正前后對(duì)比圖；圖4是本發(fā)明的陣列增益估計(jì)的均方根誤 差隨信噪比的變化曲線之一；圖5是本發(fā)明的陣列相位估計(jì)的均方根誤差隨信噪比的變化 曲線之二；
[0024] 圖6是本發(fā)明的陣列相位估計(jì)的均方根誤差隨信噪比的變化曲線之三；
[0025] 圖7是本發(fā)明的陣列相位估計(jì)的均方根誤差隨信噪比的變化曲線之四。
[0026]
【具體實(shí)施方式】
[0027] 參照附圖1，它是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖，圖中給出了本發(fā)明的具體實(shí)施步驟：
[0028] (1)首先設(shè)置一方位精確已知的校正源位于待校正陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)處，則陣列接受到 的信號(hào)為：
[0029] X(t) = Tas( Θ )Ss(t)+N(t) (I)
[0030] 其中，待校正陣列為陣元數(shù)目為M的半波長(zhǎng)均勾線陣，X(t) = [X1U), x2(t),… ，xM(t)]%MXl維觀測(cè)的數(shù)據(jù)向量，Ss(t)為功率為 < 的校正源，N(t) = [ni(t)，n2(t)，… ,riMaU^MXl維零均值高斯白噪聲向量。a(0 s) = [1，^'^1>"，6^1)1^為理想 的陣列流型導(dǎo)向矢量，ω = 2 π d sin( Θ s) / λ，
為包含幅相信息的MXM維對(duì)角矩陣，&和R (/ = U,...，M)分別表示第i個(gè)陣元的增益和相 位；
[0031] (2)獲取校正源的方位和波形信息，使用如下公式求出存在幅相誤差的導(dǎo)向矢 量：
[0033] 式中，H表示共輒轉(zhuǎn)置，I I · I |2表示2-范數(shù)；
[0034] 將式（1)代人式（2)，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得：
[0036] 式（3)表明，h和Α( Θ s)成正比，且比例系數(shù)是一個(gè)與陣元數(shù)目及陣元增益有關(guān)的 量；
[0037] 設(shè)/,為h歸一化后的值，則由上式可得第i (i = 1，2, . . .，M)個(gè)陣元Γ滿估計(jì)值：
[0039] 式中，AjPa1 (0s)分別為向量ft和a(0s)中的第i個(gè)元素；
[0040] 由式（4)可得增益和相位的估計(jì)值為：
[0043] 由式（5)和（6)得到的增益和相位估計(jì)值&和％對(duì)陣列進(jìn)行校正。
[0044] 本發(fā)明的效果可以通過(guò)以下仿真結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明。
[0045] 仿真條件描述：假設(shè)一個(gè)標(biāo)量陣列沿X軸以d = λ /2等間距布放，陣元個(gè)數(shù)為8， 校正源為中心頻率為2000Hz，帶寬為40Hz的窄帶高斯信號(hào)，方位為30°，設(shè)第一個(gè)陣元為 參考陣元，其增益和相位分別為gl = 1和?^ ，陣列增益誤差為20 % (相對(duì)于單位增益）， 即gi (i = 2, 3,…，8)服從（0. 8, 1. 2)內(nèi)的隨機(jī)分布，相位約以=_2,3;，-,8)_服從（-1，l)rad內(nèi) 的隨機(jī)分布。
[0046] 圖3表示校正前后陣列MUSIC算法的空間譜估計(jì)及其放大圖。其中，3個(gè)相互獨(dú) 立的等功率遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)的入射角度分別為15°，20°和60°，信噪比為20dB，快拍數(shù)為 200。從圖中可以看出，未校正的情況下，MUSIC算法性能很差，不能分辨兩個(gè)角度相近的信 號(hào)，角度估計(jì)存在較大的偏差。使用本發(fā)明方位校正后的MUSIC算法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)出3 個(gè)目標(biāo)的準(zhǔn)確方位。
[0047] 圖4和圖5分別表示不同信噪比條件下增益和相位參數(shù)估計(jì)的均方根誤差隨快拍 數(shù)的變化曲線。其中，信噪比為20dB，橫軸為快拍數(shù)，從20,間隔30,變化到320。從圖中可 以看出，本發(fā)明方法估計(jì)出的陣列增益和相位的均方根誤差隨快拍數(shù)的增加而減小。
[0048] 圖5和圖6分別表示不同信噪比條件下增益和相位參數(shù)估計(jì)的均方根誤差隨信噪 比的變化曲線。其中，快拍數(shù)為100,橫軸為信噪比，從OdB，間隔2dB，變化到20dB。從圖中 可以看出，本發(fā)明方法估計(jì)出的陣列增益和相位的均方根誤差隨快拍數(shù)的增加而減小。
[0049] 由仿真和水池試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本方法可以有效的校正陣列通道不一致性引起 的幅相誤差。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陣列通道不一致性誤差快速校正方法，其特征是： (1) 使用單個(gè)校正源對(duì)陣列通道不一致性誤差進(jìn)行校正； (2) 同時(shí)利用校正源的方位和波形信息對(duì)陣列通道不一致性誤差參數(shù)進(jìn)行估計(jì)； (3) 無(wú)需估計(jì)協(xié)方差矩陣和進(jìn)行特征值分解，具有較小的運(yùn)算量； 在陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)處放置一個(gè)窄帶校正源Ss(t)，其相對(duì)于陣列的方位是0S，則陣列輸出 可表示為： X(t) =ras(9)Ss(t)+N(t) 其中，待校正陣列為陣元數(shù)目為M的半波長(zhǎng)均勻線陣，X(t) = [X1 (t)，x2 (t)，…，xM (t)]T為MXl維觀測(cè)的數(shù)據(jù)向量，N(t) = [ni(t)，n2(t)，…，nM(t)]T為MXl維零均值高斯白 噪聲向量。&(0；3) = [1，6，，6>21>"，6^1)1^為理想的陣列流型導(dǎo)向矢量，《=2 31(1 sin( 0s)/人，廠=A叫(「-「^…-「..,'廠此如廣以:^-…只" 陣，^和料（i= 1，2,. . .，M)分別表示第i個(gè)陣元的增益和相位； 使用如下公式求出存在幅相誤差的導(dǎo)向矢量： 式中，H表示共輒轉(zhuǎn)置，II?I12表示2-范數(shù)； (4) 通過(guò)對(duì)上式的推導(dǎo)，可得h與ras(0)的關(guān)系如下(7)由上式得到的增益和相位估計(jì)值&和_對(duì)陣列進(jìn)行校正。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種陣列通道不一致性誤差快速校正方法，使用單個(gè)校正源對(duì)陣列通道不一致性誤差進(jìn)行校正；同時(shí)利用校正源的方位和波形信息對(duì)陣列通道不一致性誤差參數(shù)進(jìn)行估計(jì)；無(wú)需估計(jì)協(xié)方差矩陣和進(jìn)行特征值分解，具有較小的運(yùn)算量；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用陣列源的方位和波形信息對(duì)陣列進(jìn)行校正，無(wú)需估計(jì)協(xié)方差矩陣和進(jìn)行特征值分解，運(yùn)算量較小，且具有與特征分解方法基本相同的幅相參數(shù)估計(jì)性能。EACDM算法和特征分解法的計(jì)算復(fù)雜度分別為O(3MN)和O(M2N+4M3/3)，本發(fā)明的運(yùn)算量?jī)H為O(MN)。
【IPC分類】G01S3/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105044660
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510340223
【發(fā)明人】張柯, 程菊明, 孟雷, 王闖, 王奎甫, 張向群
【申請(qǐng)人】許昌學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年6月18日