Mimo雷达收发阵列误差的联合校正方法
【专利摘要】本发明公开了一种能够提高阵列误差校正精度的MIMO雷达收发阵列误差的联合校正方法。通过获得天线阵列的回波信号，并利用回波信号构建接收矩阵协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵，再利用接收阵列和发射阵列的协方差矩阵分别对接收和发射的阵列误差进行校正，避免了因阵列误差的存在而导致角度测量的不准确，既能够实现同时校正接收阵列和发射阵列的阵列误差，并且采集由于阵列误差使阵列导向矢量出现方位依赖，通过将包含M个阵元的天线阵列设置于转台上，使得天线阵列旋转J个角度，分别接收天线阵列在每个角度的回波信号，这样就能够采集多个方位的大量方位角度的样本数据，提高了阵列误差校正的精度。适合在阵列信号处理领域推广应用。
【专利说明】ΜΙΜΟ雷达收发阵列误差的联合校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理领域，尤其是涉及ΜΜ0雷达收发阵列误差的联合校正 方法。
【背景技术】
[0002] ΜΙΜΟ (Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出）雷达是一种多通道雷达 系统，包括多阵元天线结构，采用多个天线发射信号，并且采用多个天线接收回波，该雷达 信号形式和系统构成灵活，易扩展。在ΜΙΜΟ雷达的发射端，每个阵元（或子阵）全向发射 相互正交的信号波形，由于正交波形在空间不能相干叠加，会形成宽的发射波束，从而使得 信号的抗截获能力增强。在ΜΜ0雷达的接收端，回波信号由所有信号的延迟合成，通过匹 配滤波器组来分离回波信号中各正交分量，再用数字波束形成技术（DBF)来获得窄的接收 波束，从而获得较高的测角精度。
[0003] 在ΜΜ0雷达系统中，信号波达方向（D0A)的估计通常采用以多重信号分类方法 (MUSIC)为代表的高分辨谱估计方法，该类方法虽然具有很高的分辨力和估计精确度，但使 用前提是精确已知阵列流型，由于受各种非理想因素的影响，例如，机械加工误差、接收通 道不一致及阵元互耦等等，阵列流型会出现一定程度上的偏差和扰动，从而，会使高分辨谱 估计方法的性能严重恶化，甚至失效。因此，阵列误差的估计成为角度测量急需解决的难 题。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高阵列误差校正精度的ΜΜ0雷达 收发阵列误差的联合校正方法。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该ΜΜ0雷达收发阵列误差的联 合校正方法包括：
[0006] 通过使设置于转台上的包括Μ个阵元的天线阵列旋转J个角度，分别接收天线阵 列在每个角度的回波信号，其中，Μ为大于1的整数，J为大于等于1的整数；
[0007] 基于所述回波信号，分别获得接收阵列协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵；
[0008] 利用接收阵列协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵，分别对接收阵列的阵列误差和 发射阵列的阵列误差进行校正。
[0009] 进一步的，利用接收阵列协方差矩阵，对接收阵列的阵列误差进行校正，具体包 括：
[0010] S11 :对接收阵列协方差矩阵进行特征分解，构造接收阵列的噪声子空间；
[0011] S12 :在接收阵列的噪声子空间内，利用第U-1次循环中估计的接收天线互耦矩阵 对接收阵列协方差矩阵进行特征分解，获得第一归一化特征矢量，其中，u为大于等于1的 整数；
[0012] S13 :基于第一归一化特征矢量，获得接收阵列的位置和幅相误差；
[0013] S14:基于接收阵列的位置、幅相误差和噪声子空间，获得接收阵列第u次循环的 互耦矩阵；
[0014] S15 :基于接收阵列的位置和幅相误差，获得第u次循环的第一总代价函数；
[0015] S16 :判断第u次循环的第一总代价函数与第u-Ι次循环的第一总代价函数之间差 值的绝对值是否大于第一预设值，当判断结果为否时，令u自加1后，返回执行S12,否则，循 环结束。
[0016] 进一步的，S13具体包括：
[0017] 基于第一归一化特征矢量，获得相邻的两个角度的第一相位差；
[0018] 基于第一相位差，获得接收阵列的位置和幅相误差。
[0019] 进一步的，在获得接收阵列的位置和幅相误差之前，还包括：消除第一相位差的相 位模糊。
[0020] 进一步的，获得发射阵列协方差矩阵，具体为：通过将所述回波信号进行匹配滤 波，获得发射阵列协方差矩阵。
[0021] 进一步的，利用发射阵列协方差矩阵，对发射阵列的阵列误差进行校正，具体包 括：
[0022] S21 :对发射阵列协方差矩阵进行特征分解，构造发射阵列的噪声子空间；
[0023] S22 :在发射阵列的噪声子空间内，利用第u-Ι次循环中估计的发射天线互耦矩阵 对发射阵列协方差矩阵进行特征分解，获得第二归一化特征矢量，其中，u为大于等于1的 整数；
[0024] S23 :基于第二归一化特征矢量，获得发射天线阵列的位置和幅相误差；
[0025] S24 :基于发射阵列的位置、幅相误差和噪声子空间，获得发射阵列第i次循环的 互耦矩阵；
[0026] S25 :基于发射天线阵列的位置和幅相误差，获得第u次循环的第二总代价函数；
[0027] S26 :判断第u次循环的第二总代价函数与第u-Ι次循环的第二总代价函数之间差 值的绝对值是否大于第二预设值，当判断结果为否时，令u自加1后，返回执行S22,否则，循 环结束。
[0028] 进一步的，S23具体包括：
[0029] 基于第二归一化特征矢量，获得相邻的两个角度的第二相位差；
[0030] 基于第二相位差，获得发射阵列的位置和幅相误差。
[0031] 进一步的，在获得发射阵列的位置和幅相误差之前，还包括：消除第二相位差的相 位模糊。
[0032] 本发明的有益效果是：通过获得天线阵列的回波信号，并利用回波信号构建接收 矩阵协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵，再利用接收阵列和发射阵列的协方差矩阵分别对 接收和发射的阵列误差进行校正，避免了因阵列误差的存在而导致角度测量的不准确，既 能够实现同时校正接收阵列和发射阵列的阵列误差，又提高了校正精度；并且，采集由于阵 列误差使阵列导向矢量出现方位依赖，因此，通过将包含Μ个阵元的天线阵列设置于转台 上，在旋转转台的同时，使得天线阵列旋转J个角度，分别接收天线阵列在每个角度的回波 信号，这样就能够采集多个方位的大量方位角度的样本数据，提高了阵列误差校正的精度； 另外，在校正阵列误差的过程中，既实现了对阵元位置误差的校正，又实现了对幅相误差的 校正，还实现了对阵元互耦阵列误差的校正。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1是本发明ΜΙΜΟ雷达收发阵列误差的联合校正方法的流程图；
[0034] 图2是本发明步骤102和步骤103的流程图；
[0035] 图3是本发明接收阵列校正代价函数曲线；
[0036] 图4是本发明发射阵列校正代价函数曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
[0038] 本申请的ΜΜ0雷达收发阵列误差的联合校正方法，包括：通过使设置于转台上的 包括Μ个阵元的天线阵列旋转J个角度，分别接收天线阵列在每个角度的回波信号，其中，Μ 为大于1的整数，J为大于等于1的整数；基于所述回波信号，分别获得接收阵列协方差矩 阵和发射阵列协方差矩阵；利用接收阵列协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵，分别对接收 阵列的阵列误差和发射阵列的阵列误差进行校正。
[0039] 通过获得天线阵列的回波信号，并利用回波信号构建接收矩阵协方差矩阵和发射 阵列协方差矩阵，再利用接收阵列和发射阵列的协方差矩阵分别对接收和发射的阵列误差 进行校正，避免了因阵列误差的存在而导致角度测量的不准确，既能够实现同时校正接收 阵列和发射阵列的阵列误差，又提高了校正精度，并且，采集由于阵列误差使阵列导向矢量 出现方位依赖，因此，通过将包含Μ个阵元的天线阵列设置于转台上，在旋转转台的同时， 使得天线阵列旋转J个角度，分别接收天线阵列在每个角度的回波信号，这样就能够采集 多个方位的大量方位角度的样本数据，提高了阵列误差校正的精度。
[0040] 在本申请中，ΜΜ0雷达收发阵列误差的联合校正方法，应用于ΜΜ0雷达系统中， 如图1所示，所述方法包括：
[0041] 步骤101 :通过使设置于转台上的包括Μ个阵元的天线阵列旋转J个角度，分别接 收天线阵列在每个角度的回波信号，其中，Μ为大于1的整数，J为大于等于1的整数。
[0042] 在具体实施过程中，包括Μ个阵元的天线阵列设置于可旋转的转台上，通过旋转 转台，改变阵面法线和角反射器的相对角度，使得天线阵列旋转J个角度，具体的，J个角度 为叫(j = l，…刀，从而，分别接收天线阵列在每个角度的回波信号t(t)，获得J个方位 的样本数据，即角度为叫(j = l，…J)的样本数据。其中，所述天线阵列为均匀线阵。
[0043] 在本申请中，由发射阵列发射的正交ΜΜ0信号为S(t) = [Sl(t)，S2(t)，?，sM(t)] τ，其中，接收发射阵元数为M，第m个接收阵元接收到的回波信号又可以表示为：
[0044] ym(t) = arnm(e)atuT (e)S(t) + wm(f)
[0045] 其中，wm(t)为第m个接收阵元接收的噪声，且噪声满足相互独立零均值的高斯分 布，％_为接收导向矢量，气(的为发射导向矢量，a M( Θ )为接收导向矢量气(0)的第m个 2ndr srnβ 2π(Μ-?)?Γ sinf^ ^ 2π?( siiitf 2K{M-l)dt sini? 丁 分量。气（句=U ' λ 7 Λ ，气⑷=1乂？ Λ A ，dr，dt分别为 接收和发射阵列阵兀间隔，λ为波长。
[0046] 当存在阵列误差时，接收回波信号为：
[0047] Y = CrGrar ( Θ ) (CtGtat ( θ )) Ts (t) +w (t)
[0048] 其中，(；为接收天线互耦矩阵，4为接收幅相误差，又，各参数具有如下表达式：
[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]为阵元实际的接收位置,且满足dri = (i_l)dr+Adri, Adri为第 i个接收阵元的位置扰动。
[0053] 在本申请中，完成步骤101之后，执行步骤102 :基于所述回波信号，分别获得接收 阵列协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵。
[0054] 在具体实施过程中，一方面，根据步骤101中天线阵列接收到的回波数据， 即每个角度的回波信号\(t)，能够获得接收阵列的接收协方差矩阵〃,_，具体的， 祀=￡[7声)17(/)]，其中，E代表期望，Η代表共轭变型。
[0055] 具体的，在本申请中，由于阵元接收天线信号Y(t) = [yi(t)，…，yM(t)] τ = 其中，S。= (CtGtat(0))Ts(t)，贝1J，可得到 具体为： Λ/ , σ ^为接收阵列的噪声功率。
[0056] 进一步的，在本申请中，获得发射阵列协方差矩阵，具体为：
[0057] 通过将所述回波信号进行匹配滤波，获得发射阵列协方差矩阵。
[0058] 在具体实施过程中，另一方面，根据步骤101中天线阵列接收到的回波数据，即每 个角度的回波信号\(t)，能够获得发射阵列协方差矩阵R t，具体的，将回波信号t(t)进行 匹配滤波后，得到所述发射阵列协方差矩阵Rt，其中，A
[0059] 在本申请中，当发射阵列发射Κ个脉冲时，经过匹配滤波器之后的第k(k = 1，…， K)个脉冲快拍数据为
[0060] χ" k (t) = c0ar0j m ( θ ) at0j n ( Θ ) +v" k (t)
[0061] 其中，C(1为信号能量，Vmn_k(t)为匹配滤波后的噪声。用M个发射信号对第m个接 收阵元信号进行匹配，共可得Μ个信号，为
[0062] Xm-k = c0ar0, m ( Θ ) aTt0 ( Θ ) +Vk
[0063] 在本申请中，当存在阵列误差时，匹配后的Xm k为：
[0064] Xm k = c〇am (CtGtat ( θ )) T+Vk
[0065] 其中，Ct为发射天线互耦矩阵，Gt为发射幅相误差，又，各参数具有如下表达式：
[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]为阵元实际的发射位置,且满足dti = (i_l)dt+Adti, Adti为第 i个发射阵元的位置扰动，am为( θ )的第m个元素。
[0070] 而，在本申请中，将K个脉冲的数据排列为= [Xm」，…，X^J，则发射阵列的协 方差矩阵Rt为琴=￡[J0C] = fXC；GAe产矿Cf +σ// , σ t为发射阵列的噪声功率。
[0071] 在本申请中，完成步骤102之后，执行步骤103 :利用接收阵列协方差矩阵和发射 阵列协方差矩阵，分别对接收阵列的阵列误差和发射阵列的阵列误差进行校正。
[0072] 在具体实施过程中，利用接收阵列协方差矩阵对接收阵列的阵列误差进行校正， 利用发射阵列协方差矩阵对发射阵列的阵列误差进行校正。
[0073] 如图2所示，具体的，在本申请中，利用接收阵列协方差矩阵，对接收阵列的阵列 误差进行校正，具体包括如下步骤：
[0074] S11 :对接收阵列协方差矩阵进行特征分解，构造接收阵列的噪声子空间；
[0075] S12 :在接收阵列的噪声子空间内，利用第u-1次循环中估计的接收天线互耦矩阵 对接收阵列协方差矩阵进行特征分解，获得第一归一化特征矢量，其中，u为大于等于1的 整数；
[0076] S13 :基于第一归一化特征矢量，获得接收天线阵列的位置和幅相误差；
[0077] S14:基于接收阵列的位置、幅相误差和噪声子空间，获得接收阵列第u次循环的 互耦矩阵；
[0078] S15 :基于接收天线阵列的位置和幅相误差，获得第u次循环的第一总代价函数；
[0079] S16 :判断第u次循环的第一总代价函数与第u-Ι次循环的第一总代价函数之间差 值的绝对值是否大于第一预设值，当判断结果为否时，令u自加1后，返回执行S12,否则，循 环结束。
[0080] 在具体实施过程中，首先执行S11，对祀进行特征分解，构造接收阵列的噪声子空 间1_，接着进入校正循环过程。而对叫方向的样本数据的接收阵列协方差矩阵粑进行特征 分解得到公式一如下：
【权利要求】
1. ΜΙΜΟ雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：所述方法包括： 通过使设置于转台上的包括Μ个阵元的天线阵列旋转J个角度，分别接收天线阵列在 每个角度的回波信号，其中，Μ为大于1的整数，J为大于等于1的整数； 基于所述回波信号，分别获得接收阵列协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵； 利用接收阵列协方差矩阵和发射阵列协方差矩阵，分别对接收阵列的阵列误差和发射 阵列的阵列误差进行校正。
2. 如权利要求1所述的ΜΙΜΟ雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：利用接 收阵列协方差矩阵，对接收阵列的阵列误差进行校正，具体包括： 511 :对接收阵列协方差矩阵进行特征分解，构造接收阵列的噪声子空间； 512 :在接收阵列的噪声子空间内，利用第u-1次循环中估计的接收天线互耦矩阵对接 收阵列协方差矩阵进行特征分解，获得第一归一化特征矢量，其中，u为大于等于1的整数； 513 :基于第一归一化特征矢量，获得接收阵列的位置和幅相误差； 514 :基于接收阵列的位置、幅相误差和噪声子空间，获得接收阵列第u次循环的互耦 矩阵； 515 :基于接收阵列的位置和幅相误差，获得第u次循环的第一总代价函数； 516 :判断第u次循环的第一总代价函数与第u-Ι次循环的第一总代价函数之间差值的 绝对值是否大于第一预设值，当判断结果为否时，令u自加1后，返回执行S12,否则，循环结 束。
3. 如权利要求2所述的ΜΜ0雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：S13具 体包括： 基于第一归一化特征矢量，获得相邻的两个角度的第一相位差； 基于第一相位差，获得接收阵列的位置和幅相误差。
4. 如权利要求3所述的MM0雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：在获得 接收阵列的位置和幅相误差之前，还包括：消除第一相位差的相位模糊。
5. 如权利要求1所述的ΜΙΜΟ雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：获得 发射阵列协方差矩阵，具体为：通过将所述回波信号进行匹配滤波，获得发射阵列协方差矩 阵。
6. 如权利要求1所述的ΜΜ0雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：利用发 射阵列协方差矩阵，对发射阵列的阵列误差进行校正，具体包括： 521 :对发射阵列协方差矩阵进行特征分解，构造发射阵列的噪声子空间； 522 :在发射阵列的噪声子空间内，利用第u-Ι次循环中估计的发射天线互耦矩阵对发 射阵列协方差矩阵进行特征分解，获得第二归一化特征矢量，其中，u为大于等于1的整数； 523 :基于第二归一化特征矢量，获得发射天线阵列的位置和幅相误差； S24:基于发射阵列的位置、幅相误差和噪声子空间，获得发射阵列第u次循环的互耦 矩阵； 525 :基于发射天线阵列的位置和幅相误差，获得第u次循环的第二总代价函数； 526 :判断第u次循环的第二总代价函数与第u-Ι次循环的第二总代价函数之间差值的 绝对值是否大于第二预设值，当判断结果为否时，令u自加1后，返回执行S22,否则，循环结 束。
7. 如权利要求6所述的MMO雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：S23具 体包括： 基于第二归一化特征矢量，获得相邻的两个角度的第二相位差； 基于第二相位差，获得发射阵列的位置和幅相误差。
8. 如权利要求7所述的ΜΙΜΟ雷达收发阵列误差的联合校正方法，其特征在于：在获得 发射阵列的位置和幅相误差之前，还包括：消除第二相位差的相位模糊。
【文档编号】G01S7/40GK104111448SQ201410366566
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】钱江, 吴琪, 李道通, 刘剑刚, 贾勇, 沈炀, 黄聪 申请人:电子科技大学