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      一種基于偶極子陣列互耦仿真方法

      文檔序號(hào):7046188閱讀:562來源:國(guó)知局
      一種基于偶極子陣列互耦仿真方法
      【專利摘要】本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域中對(duì)于陣列前端天線之間的互耦效應(yīng)的仿真技術(shù),其公開了一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,解決傳統(tǒng)技術(shù)中互耦補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,成本高的問題。該方法包括:1、構(gòu)建陣列模型;2、模擬等幅線性極化的平面波從遠(yuǎn)場(chǎng)入射;3、計(jì)算在各個(gè)方位角入射平面波條件下,仿真輸出的各陣元端口的電流值和電壓值;4、在相同的仿真條件下,重新仿真參考陣元在沒有其它陣元影響時(shí)端口電壓值;5、構(gòu)建互耦阻抗線性方程組,估計(jì)參考陣元對(duì)其他陣元的互耦阻抗;6、構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣,用互耦阻抗補(bǔ)償矩陣對(duì)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明適用于偶極子陣列互耦仿真,利用仿真結(jié)果進(jìn)行互耦補(bǔ)償。
      【專利說明】一種基于偶極子陣列互耦仿真方法

      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域中對(duì)于陣列前端天線之間的互耦效應(yīng)的仿真技術(shù),具體涉及一種基于偶極子陣列互耦仿真方法。

      【背景技術(shù)】
      [0002]陣列信號(hào)處理是信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要分支,其廣泛應(yīng)用于通信,雷達(dá),聲吶,地震,勘探等眾多軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。
      [0003]陣列信號(hào)處理是將多個(gè)信號(hào)傳感器設(shè)置在空間的不同位置組成傳感器陣列,并利用這一陣列對(duì)空間信號(hào)場(chǎng)進(jìn)行接收和處理,目的是提取陣列所接收的信號(hào)及其特征信息,同時(shí)抑制干擾和噪聲或不感興趣的信息。陣列信號(hào)處理與一般的信號(hào)處理方式不同,因?yàn)槠潢嚵袨榘匆欢ǚ绞讲贾迷诳臻g不同位置上的傳感器組,主要是利用信號(hào)的空域特性來增強(qiáng)信號(hào)及有效提取信號(hào)空域信息。因此,陣列信號(hào)處理也常稱為空域信號(hào)處理。與傳統(tǒng)的單個(gè)定向接收器相比,陣列信號(hào)處理具有靈活的波束控制、高的信號(hào)增益、極強(qiáng)的抗干擾能力及高的空間超分辨力等優(yōu)點(diǎn),因而受到了人們的極大關(guān)注,與此相關(guān)的研究工作不斷發(fā)展與深入,其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。
      [0004]陣列信號(hào)處理最主要的兩個(gè)研究方向是自適應(yīng)空域?yàn)V波(自適應(yīng)陣列處理)和空間譜估計(jì)。無論是自適應(yīng)空域?yàn)V波還是空間譜估計(jì),通常我們都是假設(shè)各個(gè)陣元相對(duì)于其他陣元是獨(dú)立工作的。然而,在實(shí)際工程中,由于各陣元負(fù)載并不是完全匹配的,各陣元在接收到電磁信號(hào)后又會(huì)將一部分能量以電磁波的形式輻射出去,并在其他陣元上形成感應(yīng)電流,這就是陣元之間的互耦效應(yīng)。陣元之間的互耦效應(yīng)一般是不可避免的,特別是工作在高頻段的陣列天線傳感器。而且為了防止信號(hào)處理中的陣列流形模糊,布陣時(shí)陣元之間的間距一般較小(小于0.5倍的波長(zhǎng)),這樣陣元之間的互耦效應(yīng)將更加明顯。
      [0005]互耦效應(yīng)將引入各通道之間的幅相不一致性,在自適應(yīng)空域?yàn)V波時(shí)會(huì)波束指向產(chǎn)生畸變,旁瓣電平抬高;在空間譜估計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偽峰,并使偽譜的噪底升高,降低估計(jì)的精度。自八十年代中期以來,國(guó)內(nèi)外一大批學(xué)者針對(duì)陣元之間的互耦補(bǔ)償方法進(jìn)行了一系列的研究,取得了一些顯著的研究成果。Svantesson T.建立了互耦的數(shù)學(xué)模型,并針對(duì)均勻線陣,提出了子空間逼近的互耦補(bǔ)償方法。Hon Tat Hui針對(duì)偶極子天線,建立了互耦的改進(jìn)阻抗模型,并提出了利用陣列接收電壓電流估計(jì)互耦阻抗的方法。
      [0006]現(xiàn)有技術(shù)中的互耦補(bǔ)償方法,一般都需要在暗室環(huán)境中針對(duì)實(shí)際接收陣列接收下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算互耦矩陣,成本較高,實(shí)現(xiàn)起來也比較復(fù)雜。


      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提出一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,針對(duì)偶極子天線構(gòu)成的天線陣列,利用電磁仿真的方式計(jì)算出陣元之間的互耦矩陣,直接用仿真計(jì)算得到的互耦矩陣對(duì)實(shí)際接收到的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行互耦補(bǔ)償,解決傳統(tǒng)技術(shù)中互耦補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,成本高的問題。
      [0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
      [0009]一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,包括以下步驟:
      [0010]a.根據(jù)實(shí)際的偶極子陣元參數(shù)、布陣形式在仿真工具的仿真環(huán)境下構(gòu)建陣列模型,端口負(fù)載為Zlj ;
      [0011]b.模擬一組等幅線性極化的平面波從遠(yuǎn)場(chǎng)入射,入射俯仰角為0°,方位角從0°~360°均勻取L個(gè)角度,所述L>M-1,其中M為陣元數(shù);
      [0012]c.在每個(gè)方位角入射平面波條件下,用Matlab從仿真輸出的*.0ut文件中提取各陣元端口電流值It,并計(jì)算得到端口電壓值Vt = ItZl ;
      [0013]d.以陣元m為參考,移去其他陣元,在同樣一組方位角入射平面波下,重新仿真計(jì)算單個(gè)陣元m在沒有其他陣元影響時(shí),不同方位角下的端口電壓值Ut
      [0014]e.根據(jù)得到的電壓和電流值構(gòu)建互耦阻抗線性方程組,用最小二乘的方法估計(jì)參考陣元m對(duì)其他陣元的互耦阻抗Zm’°,Z"1’1,...Z-’m,Zm’m+1,Zm’M ;
      [0015]f.構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣C,用互耦阻抗補(bǔ)償矩陣對(duì)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償U(kuò) = CV。
      [0016]具體的,步驟a中,所述偶極子陣元參數(shù)包括偶極子陣長(zhǎng)、陣子截面半徑、陣子材料等,所述布陣形式為圓陣或者線陣等。
      [0017]具體的,步驟a中,所述仿真工具為FEKO電磁仿真軟件。
      [0018]具體的,步驟d中,所述同樣一組方位角入射平面波的入射俯仰角為0°。
      [0019]具體的,步驟e中,基于天線互易原理ZU = Va,以及間距相同的陣元對(duì)應(yīng)的互耦阻抗相同原則τ?Λ = zm'm+1-J來構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣C。
      [0020]本發(fā)明的有益效果是:針對(duì)偶極子天線構(gòu)成的天線陣列,利用電磁仿真的方式計(jì)算出陣元之間的互耦矩陣,直接用仿真計(jì)算得到的互耦矩陣對(duì)實(shí)際接收到的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行互耦補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低。

      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0021]圖1為7元均勻圓陣的示意圖;
      [0022]圖2為陣元互耦原理示意圖;
      [0023]圖3為本發(fā)明仿真方法實(shí)現(xiàn)流程圖。

      【具體實(shí)施方式】
      [0024]本發(fā)明旨在提出一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,針對(duì)偶極子天線構(gòu)成的天線陣列,利用電磁仿真的方式計(jì)算出陣元之間的互耦矩陣,直接用仿真計(jì)算得到的互耦矩陣對(duì)實(shí)際接收到的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行互耦補(bǔ)償,解決傳統(tǒng)技術(shù)中互耦補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,成本高的問題。
      [0025]該仿真方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示,其包括以下實(shí)現(xiàn)步驟:
      [0026]1、構(gòu)建陣列模型:
      [0027]在本步驟中,根據(jù)實(shí)際的偶極子陣元參數(shù)(偶極子陣長(zhǎng)、陣子截面半徑、陣子材料等)布陣形式(圓陣、線陣等)在仿真工具的仿真環(huán)境下構(gòu)建陣列模型,端口負(fù)載為A ;這里以7元圓陣為例,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示;
      [0028]對(duì)于仿真工具的選擇,本發(fā)明采用FEKO電磁仿真軟件,F(xiàn)EKO是一款用于3D結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)分析的仿真工具。FEKO仿真基于著名的矩量法(MoM)對(duì)Maxwell方程組的求解。FEKO實(shí)現(xiàn)了非常全面的MoM代碼,可以解決任何結(jié)構(gòu)類型的問題;FEKO還針對(duì)許多特定問題,例如平面多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)、金屬表面的涂覆等等,開發(fā)了量身定制的代碼,在保證精度的同時(shí)獲得最佳的效率。
      [0029]2、模擬等幅線性極化的平面波從遠(yuǎn)場(chǎng)入射:
      [0030]在本步驟中,模擬一組等幅線性極化的平面波從遠(yuǎn)場(chǎng)入射,入射俯仰角為0°,方位角從0°~360°均勻取L個(gè)角度,(L>M-1,其中M為陣元數(shù))。
      [0031]3、計(jì)算在各個(gè)方位角入射平面波條件下,仿真輸出的各陣元端口的電流值和電壓值:
      [0032]在本步驟中,在每個(gè)方位角入射平面波條件下,用Matlab (—種商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)計(jì)算語言和交互式環(huán)境)從仿真輸出的*.0ut文件中提取各陣元端口電流值It,并計(jì)算得到端口電壓值Vt = ItZlo
      [0033]4、在相同的仿真條件下,重新仿真參考陣元在沒有其它陣元影響時(shí)端口電壓值:
      [0034]在本步驟中,以陣元m為參考,移去其他陣元,在同樣一組方位角入射平面波下(入射俯仰角仍然為0° ),重新仿真計(jì)算單個(gè)陣元m在沒有其他陣元影響時(shí),不同方位角下的端口電壓值Ut。
      [0035]5、構(gòu)建互耦阻抗線性方程組,估計(jì)參考陣元對(duì)其他陣元的互耦阻抗:
      [0036]在本步驟中,根據(jù)得到的電壓和電流值構(gòu)建互耦阻抗線性方程組,用最小二乘的方法估計(jì)參考陣元m對(duì)其他陣元的互耦阻抗Zm,°,Zm'1,...zm,m+1,Zm,M。
      [0037]6、構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣,用互耦阻抗補(bǔ)償矩陣對(duì)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償:
      [0038]在本步驟中,基于天線互易原理ZU = Va,以及間距相同的陣元對(duì)應(yīng)的互耦阻抗相同原則ZU = Zm’m+i1_來構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣C,用互耦阻抗補(bǔ)償矩陣對(duì)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償U(kuò) = CV。
      [0039]下面重點(diǎn)闡述步驟5中的互耦阻抗估計(jì)原理:
      [0040]如圖2所示,互稱是兩個(gè)陣元之間的能量相互稱合效應(yīng)或電磁感應(yīng),當(dāng)有一個(gè)信號(hào)入射到天線陣中陣元m時(shí),會(huì)在陣元m上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流,感應(yīng)電流會(huì)福射一部分能量到自由空間(圖中標(biāo)記2),其他能量會(huì)傳遞到負(fù)載(圖中標(biāo)記1),一部分輻射出去的能量會(huì)被天線陣元η接收到(圖中標(biāo)記3)。如果天線陣元m終端負(fù)載不匹配,一部分能量(圖中標(biāo)記4)也會(huì)反射并輻射到自由空間。天線陣元η由于接收到天線陣元m輻射能量的一部分,也會(huì)產(chǎn)生一感應(yīng)電流,此感應(yīng)電流又會(huì)重復(fù)陣元m上的一系列能量傳遞過程,這便是互耦的原理。
      [0041]由于入射電場(chǎng)的作用陣元m上將會(huì)被激勵(lì)出一個(gè)電流分布Im(天線終端電流設(shè)為
      I )該電流分布又會(huì)在其他天線上激勵(lì)出相應(yīng)的電流電壓。因此天線m的終端電壓實(shí)際上是由入射信號(hào)與其他天線上的電流共同激勵(lì)的結(jié)果,設(shè)天線m的終端電壓為Vm,所有天線的終端負(fù)載均為則
      [0042]
      Vm = Z1T;' = ZmjX + ..+ Zmjn-1/;-1 + zm'm+lr;,+l + ..+ ZmM 7U I + UT = Wm + U';' (I)
      [0043]其中ZnuQ = O, I,…m_l,m+l,- ,Μ-l)表示陣元m與陣元i之間的互耦阻抗,Z01’1
      的值等于天線i終端上存在單位電流時(shí)天線m的終端電壓;表示入射信號(hào)在其他陣元被移去時(shí)激勵(lì)陣元m得到的終端電壓,Wm表示其他陣元上的電流激勵(lì)陣元m得到的終端電壓。又因?yàn)?br>
      【權(quán)利要求】
      1.一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,其特征在于,包括以下步驟: a.根據(jù)實(shí)際的偶極子陣元參數(shù)、布陣形式在仿真工具的仿真環(huán)境下構(gòu)建陣列模型,端口負(fù)載為 b.模擬一組等幅線性極化的平面波從遠(yuǎn)場(chǎng)入射,入射俯仰角為0°,方位角從0°~360°均勻取L個(gè)角度,所述L>M-1,其中M為陣元數(shù); c.在每個(gè)方位角入射平面波條件下,用Matlab從仿真輸出的*.0ut文件中提取各陣元端口電流值It,并計(jì)算得到端口電壓值Vt=ItZ^ ; d.以陣元m為參考,移去其他陣元,在同樣一組方位角入射平面波下,重新仿真計(jì)算單個(gè)陣元m在沒有其他陣元影響時(shí),不同方位角下的端口電壓值Ut e.根據(jù)得到的電壓和電流值構(gòu)建互耦阻抗線性方程組,用最小二乘的方法估計(jì)參考陣元m對(duì)其他陣元的互耦阻抗Zm’°,Z"1’1,...Z-’m,Zm’m+1,Zm’M ; f.構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣C,用互耦阻抗補(bǔ)償矩陣對(duì)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償U(kuò)=CV。
      2.如權(quán)利要求1所述的一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,其特征在于,步驟a中,所述偶極子陣元參數(shù)包括偶極子陣長(zhǎng)、陣子截面半徑、陣子材料,所述布陣形式為圓陣或者線陣。
      3.如權(quán)利要求1所述的一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,其特征在于,步驟a中,所述仿真工具為FEKO電磁仿真軟件。
      4.如權(quán)利要求1所述的一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,其特征在于,步驟d中,所述同樣一組方位角入射平面波的入射俯仰角為0°。
      5.如權(quán)利要求1所述的一種基于偶極子陣列互耦仿真方法,其特征在于,步驟e中,基于天線互易原理ZU=ZU,以及間距相同的陣元對(duì)應(yīng)的互耦阻抗相同原則zu=zm’m+i1_來構(gòu)建互耦阻抗補(bǔ)償矩陣C。
      【文檔編號(hào)】H01Q13/08GK104077431SQ201410142728
      【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
      【發(fā)明者】袁上策, 羅超, 黃東輝, 王杰峰, 王友全, 何子述, 劉芳, 李彥波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)
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