一种雷达发射通道相位校正方法
【专利摘要】本发明属于雷达收发通道一致性校正【技术领域】，公开了一种雷达发射通道相位校正方法。该雷达发射通道相位校正方法包括以下步骤：获得雷达的多发射通道回波的I/Q信号；将I/Q信号转变为复数向量，如果该复数向量位于第二象限或第三象限，则将其旋转至第一象限或第四限；进行基于单向搜索的向量旋转，直到达到设定精度，确定每个发射通道对应的最终相位；根据每个发射通道对应的最终相位，对每个发射通道进行相位校正。
【专利说明】一种雷达发射通道相位校正方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达收发通道一致性校正【技术领域】，特别涉及一种雷达发射通道相位校正方法。
【背景技术】
[0002]现代雷达多采用数字阵列天线，这使得雷达的覆盖范围更广，抗干扰能力更强。但数字阵列天线收发通道(即发射通道和接收通道)各阵元的激励在相位上存在着不一致性。引起这些相位不一致性的原因很多，例如，天线阵元损坏，发射通道或接收通道内部的各功能模块本身的误差，馈线各阵元之间的幅相误差，天线阵元之间的互耦引起的天线阵元的阻抗变化等。相位不一致性会对天线波瓣的副瓣电平、天线增益以及波束指向等造成很大影响。因此必须对阵列天线的发射和接收通道进行相位校正。
[0003]相位校正分为发射校正和接收校正，发射校正即由待校正的发射通道依次发射相同时间长度的点频信号，并由同一校正通道接收信号通过正交采样得到I/Q信号(其中I信号表示实部分量，Q信号是虚部分量)。接收校正即由一校正过的发射通道发射相应时间长度的点频信号，各待校正的接收通道同时接收信号，通过正交采样得到I/Q信号。不管是接收校正还是发射校正，得到I/Q信号后的处理流程都是一样的，即利用采样得到的I/Q信号计算出各待校正通道的相位，再选定一个待校正通道为参考通道，其它各待校正通道皆以此参考通道为基准求出相位差，此相位差即为各待校正通道的校正系数。在通道校正的过程中有一个相当重要的环节，即利用I/Q信号求相位。
[0004]传统的利用I/Q信号求相位方法包括查表法、多项式近似法、查表与多项式结合法、逐位法。但这些方法在速度和精度上都不能满足要求并且硬件实现困难。因此坐标旋转数字计算方法(即CORDIC算法)应运而生。传统CORDIC算法的旋转方向和步长都随迭代次数而变化。坐标的旋转方向根据向量的位置而变，若向量处在第二象限，则先将向量绕原点顺时针旋转180度，若向量处于第三象限，则先将向量绕原点逆时针旋转180度。这样就将所有的向量都集中在了第一、四象限，在此之后，若向量处在第一象限则按顺时针旋转，若处在第四象限则按逆时针旋转，旋转角度则按2的整数次幂递减，直到满足预定的旋转次数。相对于传统的利用1、Q信号求相位方法，这种CORDIC算法的精度和速度都明显提高，实现复杂度也明显降低，但此种CORDIC算法每次迭代都需判断旋转方向，增加了实现的复杂度；旋转角度每次都逐次递减，降低了搜索速度；从而降低了雷达收发通道相位校正的效率。此外，此种CORDIC算法的迭代次数固定，可能的最大误差也就比较固定，对于一些小角度的选择，则会出现误差率较高的情况。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种雷达发射通道相位校正方法。可以在更快速度的情况下获得更高的相位校正精度，同时减小实现复杂度，使雷达的收发通道一致性校正可以更快更精确。
[0006]为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0007]—种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0008]S1:利用雷达的任一接收通道获得雷达的第I发射通道回波的I/Q信号至第N发射通道的回波的I/Q信号，N为雷达的发射通道的个数；
[0009]S2:确定雷达的每个发射通道对应的最终相位；所述确定雷达的每个发射通道对应的最终相位包括以下步骤:
[0010]S21:在平面直角坐标系中，按照第j发射通道的回波的I/Q信号的相位和幅度，将第j发射通道的回波的I/Q信号用对应的复数向量进行表示，j取I至N;根据Coj所在象限，将绕原点进行旋转，COj经旋转后变为复数向量，得出旋转起始相位Zj以及I j对应的复数的虚部I,;
[0011]S22:设置参数d，如果ξ」位于第一象限，则令d=-l ;否则，令d=l ;设置变量i和k,i取奇数，i的初始值为I ;k取1，2，3...;当k=l时,设复数向量ξ J；i；k= I」，并设Zj^k=Zj ；则ξ ^ k对应的复数的虚部y^k为10 ；
[0012]S23:将ξ 绕原点进灯旋转，其旋转角度为Θ j=arctan (2 )，旋转方向由d值决定，当d=-l时,旋转方向为顺时针方向；当d=l时,旋转方向为逆时针方向；ξ j，i，k经旋转后变为复数向量ξ j,i;k+i ;得出ξ J;i;k+i对应的旋转相位Zuw, zJ；i；k+1=zJ；i；k-d Θ i ;得出
对应的复数的虚部；
[0013]S24:如果Iyu1J小于设定精度ε，则得到第j发射通道对应的最终相位a
α j=zj，i，k+i;如果lyj，i，k+il大于或等于设定精度ε，则判断yuk+i与yj，i，k是否同号；如果yj，k+1与不同号，则将i值加2，返回至步骤S23 ;如果yj，i；k+1与yk同号，则将k值加1，返回至步骤S23 ；
[0014]S3:将雷达的第I发射通道作为参考通道，求出雷达的第j发射通道与参考通道的相位差Λ CIj:Λ CIj= CI1-CIj;然后，根据雷达的第j发射通道与参考通道的相位差Λ CIj，对雷达的第j发射通道进行相位校正。
[0015]本发明的特点和进一步改进在于:
[0016]在步骤SI中，首先设定雷达发射的波束的O度方向，雷达的第I发射通道至第N发射通道依次发射波束指向为O度的信号，N为雷达的发射通道的个数；由任一接收通道依次接收各发射通道的回波信号，对每个发射通道的回波信号进行采样和正交变换，获得雷达的每个发射通道回波的I/Q信号。
[0017]在步骤S21中，如果ω」位于第二象限，则将其绕原点顺时针旋转180度，Qj经旋转后变为复数向量ξ P得出旋转起始相位η ;如果ω “立于第三象限，则将其绕原点逆时针旋转180度，ω」经旋转后变为复数向量ξ得出旋转起始相位Zj, Zj=-;如果ω」位于第一象限或第四象限，则将其绕原点顺时针旋转O度，经旋转后变为复数向量Ij,得出旋转起始相位Zj, Zj=O ;在得出复数向量ξ j之后,计算出ξ j对应的复数的虚部10。
[0018]在步骤S23中，ξ J； i；k+1对应复数的虚部yuw为:
[0019]Yj-1；k+d.2".xJ；i；ko
[0020]在步骤S24中，设定精度ε取0.005至0.15。
[0021]在步骤SI中，雷达的第j发射通道的发射波形的初始相位为Φ」；
[0022]在步骤S3中，对雷达的第j发射通道进行相位校正包括以下步骤:在求出Λ叫之后，将雷达的第j发射通道的发射波形的相位补偿△ α」，使雷达的第j发射通道的发射波形的相位变为Φ」+Δ a JO
[0023]本发明的有益效果为:
[0024]I)实现复杂度减小
[0025]传统CORDIC算法在进行搜索时，搜索方向和旋转角度都在变化。搜索方向随当前向量的位置而变化，当向量位于第一象限时按顺时针旋转，当向量在第四象限时按逆时针旋转，搜索步长(旋转角度)则依次递减。故传统CORDIC算法既要控制旋转方向，又要控制旋转角度，实现时较复杂，因此增加了通道一致性校正的难度。但本发明中，采用的一维单项搜索，根据向量所处的位置确定旋转的方向，一旦搜索方向确定后就不会再改变，因此实现起来较为简单，只需控制旋转角度，不用每次迭代都要判断旋转方向，故在做雷达领域通道一致性校正时，实现起来较为简单。
[0026]2)计算精度提高:
[0027]传统CORDIC算法的迭代次数是确定的，因此计算精度受迭代次数的影响，本发明中迭代次数并非固定的，而是事先确定所需精度，然后持续迭代直到满足预设精度为止，因此在计算量相当的情况下，用本发明求得的相位精度明显高于用传统CORDIC算法所求得的相位精度，故而提高了雷达发射通道校正的精度。
[0028]3)计算速度提闻:
[0029]传统CORDIC算法采用的是双向迭代法，迭代步长依次递减，当由于迭代步长太长而使得向量被旋转到另一个象限时，为了使向量最终无限逼近X轴，旋转方向必须适时改变，因此就容易形成一种类似于往返跑的搜索路径，使得搜索速度下降。本发明采用的是单向旋转，旋转方向一旦确定后就不再改变，避免了往返跑的情况，并且减小了初始旋转角度，同时，当旋转角度需要减小时，减少了无效搜索，提高了计算速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的一种雷达发射通道相位校正方法的流程示意图；
[0031]图2为在仿真实验一中本发明得出的反正切值、传统CORDIC算法得出的反正切值、以及理论值的对比示意图；
[0032]图3为图2的局部放大图；
[0033]图4为在仿真实验一中传统CORDIC算法和本发明在计算反正切值时的计算误差对比示意图；
[0034]图5为在仿真实验二中本发明得出的反正切值、传统CORDIC算法得出的反正切值、以及理论值的对比示意图；
[0035]图6为图5的局部放大图；
[0036]图7为在仿真实验二中传统CORDIC算法和本发明在计算反正切值时的计算误差对比示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0038]参照图1，为本发明的一种雷达发射通道相位校正方法的流程示意图。该雷达发射通道相位校正方法包括以下步骤:
[0039]S1:利用雷达的任一接收通道获得雷达的第I发射通道回波的I/Q信号至第N发射通道的回波的I/Q信号，N为雷达的发射通道的个数。具体说明如下:
[0040]首先设定雷达发射的波束的O度方向，雷达的第I发射通道至第N发射通道依次发射波束指向为O度的信号，N为雷达的发射通道的个数；由任一接收通道(专用校正通道)依次接收各发射通道的回波信号，对每个发射通道的回波信号进行采样和正交变换，获得雷达的第I发射通道回波的I/Q信号至第N发射通道的回波的I/Q信号。本发明实施例中，雷达的第j发射通道的发射波形的初始相位为Φρ j取I至N。
[0041]S2:确定雷达的每个发射通道对应的最终相位；确定雷达的每个发射通道对应的最终相位包括以下步骤:
[0042]S21:在平面直角坐标系中，按照第j发射通道的回波的I/Q信号的相位和幅度，将第j发射通道的回波的I/Q信号用对应的复数向量进行表示；根据所在象限，将ω」绕原点进行旋转，ω j经旋转后变为复数向量ξ j,得出旋转起始相位Zj以及ξ j对应的复数的虚部％。具体说明如下:
[0043]在该平面直角坐标系中，以X轴正向为O度方向，以X轴负向为180度方向，以Y轴正向为90度方向，以Y轴负向为270度方向。如果第j发射通道的回波的I/Q信号包括实部分量I和虚部分量Q，实部分量I与复数向量ω j的横坐标对应,虚部分量Q与复数向量(^的纵坐标对应。若I〈0，Q>0，则ω」处于第二象限；若1〈0，0〈0，则ω」处于第三象限；若I>0，Q〈0，则(^处于第四象限；若1>0，0>0，则ω」处于第四象限。
[0044]如果ω」位于第二象限，则将其绕原点顺时针旋转180度，ω」经旋转后变为复数向量ξ j，得出旋转起始相位Zj, Zj= π。
[0045]如果ω」位于第三象限，则将其绕原点逆时针旋转180度，ω」经旋转后变为复数向量ξ j，得出旋转起始相位Zj, Zj=- π。
[0046]如果位于第一象限或第四象限，则将其绕原点顺时针旋转O度(也就是不旋转)，ω」经旋转后变为复数向量ξ得出旋转起始相位Zj, Zj=O ;在得出复数向量ξ j之后，计算出^对应的复数的实部Xtl和虚部％。
[0047]S22:设置参数d，如果ξ j位于第一象限，则令d=-l ;否则，令d=l ;设置变量i和k,i取奇数，i的初始值为I ;k取1，2，3...;当k=l时,设复数向量ξ J；i；k= I」，并设Zj^k=Zj ；则对应的复数的实部Xuk为X(l，对应的复数的虚部为％。
[0048]S23:将ξ 绕原点进灯旋转，其旋转角度为Θ j=arctan (2 )，旋转方向由d值决定，当d=-l时,旋转方向为顺时针方向；当d=l时,旋转方向为逆时针方向；ξ j，i，k经旋转后变为复数向量ξ j,i;k+i ;得出ξ J;i;k+i对应的旋转相位Zuw, zJ；i；k+1=zJ；i；k-d Θ i ;得出ξ ^,,+1对应复数的实部和虚部yj’i’k+1:
[0049]Xj-1；k-d.2".yJ；i；k, yj’i’k.Jj’i’k+d.2".χ」’。。
[0050]S24:如果的绝对值)小于设定精度ε，则得到第j发射通道对应的最终相位 Ct j，aj=Zj，i，k+1。
[0051]如果Iyuw I大于或等于设定精度ε，则判断7」1,+1与7&1;是否同号(如果7」11;+1与yuk为一正一负的两个数，yj，i，k+1与yj，i，k同号，否则yj，i，k+1与yj，i，k不同号)，如果yj，i，k+1与y^k不同号，则说明上次旋转角度太大，使得复数向量被旋转到了另一象限(从第一象限旋转至第四象限，或者从第四象限旋转至第一象限)，为实现单方向搜索，避免往返跑式的搜索路径，故判断本次旋转无效，再次进行旋转时需要将旋转角度变小，因此将i值加2(即将i+2赋值给i)，返回至步骤S23 ;由于i值变大，则旋转角度Θ i变小。
[0052]如果y^k+i与yj，i，k同号,则说明上次旋转角度合适，ξ J； i；k+1和ξ J； i；k处于同一象限，此时，可以继续按照相同方向进行旋转，需要继续旋转时，旋转角度与上次旋转的旋转角度相同。此时，将k值加1(即将k+Ι赋值给k)，返回至步骤S23。本发明实施例中，设定精度ε取0.005至0.15。
[0053]由于j取I至N，因此在步骤S2之后，就已经确定了雷达的每个发射通道对应的最终相位。
[0054]S3:将雷达的第I发射通道作为参考通道，求出雷达的第j发射通道与参考通道的相位差Λ Cij:Λ Cij= Ci1-Cij;然后，根据雷达的第j发射通道与参考通道的相位差Λ Cij，对雷达的第j发射通道进行相位校正。具体地，对雷达的第j发射通道进行相位校正包括以下步骤:在求出Λ a ^之后，将雷达的第j发射通道的发射波形的相位补偿Λ α ρ使雷达的第j发射通道的发射波形的相位变为Φ,Λ a JO
[0055]需要说明的是，本发明也可应用于雷达接收通道相位校正，在进行雷达接收通道相位校正时，由一个发射通道发射波束指向为O度的信号(同样需要事先设定雷达发射的波束的O度方向)，然后有雷达的各个接收通道接收该发射通道的信号，每个接收通道通过对接收的信号进行采样和正交变换，得到对应的ι/Q信号；在得到ι/Q信号之后，对应的接收通道相位校正与本发明的雷达发射通道相位校正方法类似，在此不再重复。
[0056]总而言之，本发明的技术思路是:雷达各通道依次发射波束指向为O度的信号，由接收通道依次接收各发射通道回波，对接收到的回波进行采样和正交变换，获得Ι/Q信号；再根据Ι/Q信号判断对应的向量的位置，将处于第二、三象限的向量旋转到第一、四象限；然后根据旋转向量所处的象限决定旋转的方向，每次旋转的角度和向量起始位置是根据上次的旋转结果判断的，即若上次旋转后向量被旋转到了另一象限，则本次旋转向量的起始位置与上次旋转的向量起始位置相同，旋转角度减小；否则，本次旋转向量起始位置更新为上次旋转后向量的位置，旋转角度保持不变，如此循环，直到满足设定精度；之后分别求出各发射通道的最终相位；最后选择其中一发射个通道作为参考通道，求出各发射通道与参考通道的相位差，雷达信号发射时对各发射通道分别补偿一个相位差，即使得各发射通道实现相位一致性。
[0057]本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明:
[0058]I)仿真条件:
[0059]随机取20个-180°?180°的角度，分布于四个象限内；仿真实验分为两大类，精度要求较高和精度要求较低；精度要求较高时，本发明的设定精度ε =0.01，传统CORDIC算法的迭代次数为7次；精度要求较低时，本发明的设定精度ε =0.1，传统CORDIC算法的迭代次数为4次。在以下仿真实验中，使用反正切值的计算作为本发明和传统CORDIC算法的评判标准。
[0060]2)仿真内容
[0061]仿真实验一:在计算精度要求较高时，使用本方法与传统CORDIC算法进行雷达发射通道相位校正。在仿真实验一中，随机取20个在-180°?180°之间的角度，随机分布于四个象限内，本发明的精度参数ε =0.01，传统CORDIC方法的迭代次数为7次。参照图2，为在仿真实验一中本发明得出的反正切值、传统CORDIC算法得出的反正切值、以及理论值的对比示意图。从图2中可以看出，此时两种方法的计算结果都已经很接近理论值了。图3是图2的局部放大图，从此图3可以看出，虽然此时两种方法的计算结果都已经很接近理论值，但本发明比传统CORDIC算法更接近理论值。参照图4，为在仿真实验一中传统CORDIC算法和本发明在计算反正切值时的计算误差对比示意图。从图4中可以看出，本发明的计算误差小于传统CORDIC算法的计算误差，实际计算时，本发明的平均误差为
0.2555°，总的计算次数为132次(每至步骤S23称为一次计算)，传统⑶RDIC算法的平均误差为0.5166°，总的计算次数为140次，故在精度要求较高时，本发明不但计算精度高于传统CORDIC算法，而且计算次数也小于传统CORDIC算法，因此在求解高精度反正函数时，用本发明计算的精度和速度都优于传统CORDIC算法。
[0062]仿真实验二，计算精度要求较低时，使用本方法与传统CORDIC算法进行雷达发射通道相位校正。在仿真实验二中，随机取20个在-180°?180°之间的角度，随机分布于四个象限内，本发明的精度参数ε=0.1，传统CORDIC方法的迭代次数为4次。参照图5，为在仿真实验二中本发明得出的反正切值、传统CORDIC算法得出的反正切值、以及理论值的对比示意图；参照图6，为图5的局部放大图。从图5中可以看出，两种方法的计算结果与理论值都有一定的误差，再结合图6观察，可发现本发明的计算结果相对于传统CORDIC算法更加接近于理论值。参照图7，为在仿真实验二中传统CORDIC算法和本发明在计算反正切值时的计算误差对比示意图。从图7中可以看出，传统CORDIC算法的计算误差整体大于本发明的计算误差；实际计算时，本发明的平均误差为1.5069°，总的计算次数为66次(每执行步骤S23称为一次计算)，传统CORDIC算法的平均误差为4.1628°，总的计算次数为80次，故在精度要求不高时，本发明不但计算精度高于传统CORDIC算法，而且计算次数也小于传统CORDIC算法，因此在相位粗估计时，用本发明计算的精度和速度都优于传统CORDIC算法。
[0063]综上所述，本发明用于雷达领域通道一致性校正中求解回波信号相位时，不管是要求精确求解还是粗估计，本发明的计算精度和计算速度均高于运用传统CORDIC算法的计算结果，并且由于采用了单向搜索，即搜索过程中只需要控制搜索的步长而不需要控制旋转方向，故本发明的实现复杂度也小于传统CORDIC算法，故而本发明可以有效的改善雷达的发射通道相位校正的效果。
[0064]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，包括以下步骤: 51:利用雷达的任一接收通道获得雷达的第I发射通道回波的I/Q信号至第N发射通道的回波的I/Q信号，N为雷达的发射通道的个数； 52:确定雷达的每个发射通道对应的最终相位；所述确定雷达的每个发射通道对应的最终相位包括以下步骤: S21:在平面直角坐标系中，按照第j发射通道的回波的I/Q信号的相位和幅度，将第j发射通道的回波的I/Q信号用对应的复数向量ω]进行表示，j取I至N;根据所在象限，将ω」绕原点进行旋转，ω」经旋转后变为复数向量ξ得出旋转起始相位Zj以及ξ」对应的复数的虚部y。； S22:设置参数d，如果ξ “立于第一象限，则令d=-l ;否则，令d=l ;设置变量i和k，i取奇数，i的初始值为I ;k取1，2，3...;当k=l时,设复数向量ξ J； i；k= I P并设Zjjk=Zj ;则I Uk对应的复数的虚部yuk为y。； S23:将ξk绕原点进灯旋转，其旋转角度为Θ j=arctan(2 )，旋转方向由d值决定，当d=_l时,旋转方向为顺时针方向；当d=l时,旋转方向为逆时针方向；ξ Hk经旋转后变为复数向量I J;i,k+i ;得出I J;i,k+i对应的旋转相位Zuk+pZuk+eZj^k-d Θ j ;得出ξ j i k+1对应的复数的虚部y^k+1 ； S24:如果小于设定精度ε，则得到第j发射通道对应的最终相位α」，α j=zj，i，k+i;如果lyj，i，k+il大于或等于设定精度ε，则判断yuk+i与yj，i，k是否同号；如果yj，i，k+1与不同号，则将i值加2，返回至步骤S23 ;如果yj，i；k+1与yk同号，则将k值加1，返回至步骤S23 ； 53:将雷达的第I发射通道作为参考通道，求出雷达的第j发射通道与参考通道的相位差Λ CIj:Λ CIj=CI1-CIj;然后，根据雷达的第j发射通道与参考通道的相位差Λ CIj，对雷达的第j发射通道进行相位校正。
2.如权利要求1所述的一种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，在步骤SI中，首先设定雷达发射的波束的O度方向，雷达的第I发射通道至第N发射通道依次发射波束指向为O度的信号，N为雷达的发射通道的个数；由任一接收通道依次接收各发射通道的回波信号，对每个发射通道的回波信号进行采样和正交变换，获得雷达的每个发射通道回波的I/Q信号。
3.如权利要求1所述的一种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，在步骤S21中，如果ω“立于第二象限，则将其绕原点顺时针旋转180度，经旋转后变为复数向量Ij,得出旋转起始相位Zj，Zj= η ;如果ω」位于第三象限，则将其绕原点逆时针旋转180度，Wj经旋转后变为复数向量ξ P得出旋转起始相位;如果ω“立于第一象限或第四象限，则将其绕原点顺时针旋转O度，经旋转后变为复数向量ξ P得出旋转起始相位Zj，Zj=0;在得出复数向量ξ ^之后，计算出ξ ^对应的复数的虚部％。
4.如权利要求1所述的一种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，在步骤S23中，€^,+1对应复数的虚部Υ」’1Λ+1为:
yj, i,k+l_yj, i,k+d 2.Xj’i’k。
5.如权利要求1所述的一种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，在步骤S24中，设定精度ε取0.005至0.15。
6.如权利要求1所述的一种雷达发射通道相位校正方法，其特征在于，在步骤SI中，雷达的第j发射通道的发射波形的初始相位为Φ」； 在步骤S3中，对雷达的第j发射通道进行相位校正包括以下步骤:在求出Λ Cij之后，将雷达的第j发射通道的发射波形的相位补偿△ α」，使雷达的第j发射通道的发射波形的相位变为Φ j+Δ a j0
【文档编号】G01S7/40GK104199004SQ201410105470
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】杨明磊, 陈伯孝, 夏碧君 申请人:西安电子科技大学