专利名称：一种阵列天线通道误差的盲估计方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，它特别涉及阵列天线通道误差的估计技术。
背景技术：
多媒体移动通信业务的增长提高了对通信系统数据传输速率的要求，为此，需要解决一些由于多径衰落、共信道干扰等原因引起的性能恶化问题。向分多址技术(SDMA)可以有效解决这个问题，而SDMA技术的核心是阵列天线，阵列天线的误差会严重影响SDMA技术的性能，在雷达领域中也存在相同的问题。
基于特征值分解的高分辨率DOA估计算法，如MUSIC算法，在雷达、声纳、移动通信等领域有着广泛的应用。理论分析和试验证明，这类算法在理想阵列条件下，性能很好，但是这类算法对噪声扰动和系统误差都很敏感，噪声扰动和系统误差会严重恶化这一类算法的性能，使其分辨率下降。噪声扰动主要表现在小采样数目、低信噪比时，这类算法存在一个门限，当信噪比低于该门限时，算法的分辨能力急剧下降。噪声扰动通常可以用加大采样数目来减少其影响。系统误差同样会对算法的性能造成很大影响。加大采样数目不能减小阵列的系统误差。目前提出了很多算法解决这个问题，在文献中可以看到，目前主要有三类校正方法。第一类是在待校正的阵列天线的远场放置一个信号源(见文献Matrix-constructioncalibration method for antenna arrays，Hung，E.K.L.；Aerospace and ElectronicSystems，IEEE Transactions on，Volume36 Issue3，July 2000，Page(s)819-828，“阵列天线的矩阵校正方法”)，其方位角已知，使用该信号源发射的信号对阵列天线进行校正。此类方法性能优越，但是在实际环境中实施难度很大。第二类方法需要两个RF信号源，其方位角可以未知，但是二者之间的角度差必须已知(见文献Array antenna errorscalibration using signal sources in unknown directions，Jia Yongkang；Bao Zheng；Wu Huan；Radar，1996.Proceedings.，CIE International Conference of，8-10 Oct.1996，Page(s)503-506“未知信号到达角的阵列天线误差校正方法”)。该方法的缺点也是实施难度大。第三类是把校正信号用功分器分离成M路同相、等幅度的信号，直接注入各个阵元通道，分析阵列的输出信号，然后校正阵列天线的通道误差。这类方法可以有效解决通道传输误差问题，但是提高了系统的硬件复杂度，而且要对系统作硬件上的改动。
MUSIC算法MUSIC算法的核心思想就是对阵列输出信号的协方差矩阵作特征分解，把的特征空间分成信号子空间和噪声子空间。信号子空间与噪声子空间正交，定义一个MUSIC谱，搜速谱峰，谱峰对应的角度即为入射信号的波达方向[见文献张贤达，保铮，《阵列信号处理》，2000.12]。
发明内容
本发明提供了一种阵列天线通道误差的盲估计方法，采用本发明的方法可以在不需要测量校正用射频信号源的方位角的情况下，准确估计阵列天线的通道幅度误差和相位误差。
为描述方便，首先进行定义术语定义远场条件一般是指信号源与阵列天线之间的距离大于信号源发射信号的波长的10倍。
波达方向(DOA)信号源与阵列天线的参考阵元之间的连线与阵列天线的法线之间的夹角。
本发明的一种阵列天线通道误差的盲估计方法，其特征是采用下面的步骤步骤1(设置信号源)在和阵列天线之间的距离满足远场条件的情况下，放置一个窄带信号源s(t)，入射信号(信号源发射的信号)的波达方向为θ1，如附图1所示。开启信号源，在阵列天线的输出端采集N(N＞400)个快拍的数据，然后关闭信号源。采集到的第k个快拍数据为x1k＝[x1k(1)…x1k(M)]H(1)式中x1k(i)表示移动信号源之前获得的N个快拍中第k个快拍中，第i个阵元输出的数据。(·)H表示Hermitian转置。
步骤2(移动信号源)移动信号源s(t)，放置在另外一个满足远场条件的位置，此时信号源的方位角为θ2(θ1≠θ2)。再次开启信号源，在阵列天线的输出端采集N(N＞400)个快拍的数据，关闭信号源。采集到的k个快拍数据为x2k＝[x2k(1)…x2k(M)]H(2)
式中x2k(i)表示移动信号源之后获得的N个快拍中第k个快拍中，第i个阵元输出的数据；步骤3(数据合成)根据移动前后两次采集的数据得到两个协方差矩阵R1和R2。
R1=1NΣk=1Nx1kx1kH---(3)]]>R2=1NΣk=1Nx2kx1kH---(4)]]>步骤4(求中间变量)对R1和R2分别作特征分解，可以得到两个对应大特征值的特征矢量um1和um2，对这两个特征矢量以其第一个元素作归一化得到两个中间变量，um1um1(1)=us1---(5)]]>um2um2(1)=us2---(6)]]>步骤5(估计方位角)采用MUSIC算法估计信号源移动前后的方位角，就可以得到 和 步骤6(DOA估计域)定义两个自变量域，以 和 为中心，以δ(参考值可取0.3度)为半径向两侧扩展，得到两个DOA估计值区间 和 步骤7(阵列天线通道误差的估计流程)首先，根据信号源移动前得到的数据粗略估计阵列天线第k个通道的相位误差φ^1k(θ^1)∠(us1(k))+2π(k-1)dλsin(θ^1)---(7)]]>公式(7)中，∠(·)算子表示计算复数的角度，d为相邻阵元的间距，λ为入射信号的波长。
根据信号源移动后得到的数据粗略估计阵列天线第k个通道的相位误差φ^2k(θ^2)=∠(us2(k))+2π(k-1)dλsin(θ^2)---(8)]]>然后，引入一个参量ξ(l)=Σk=1M|φ^1k(ψ1(l))-φ^2k(ψ2(l))|2---(9)]]>最后，确定信号源的真实入射角a以 和 为起点，ψ1(0)=θ^1-δ]]>ψ2(0)=θ^2-δ,]]>根据式(7)和(8)计算 和 然后再根据式(9)计算ξ(0)；取适当的步长ε(参考值取0.01)。令l＝0。
Ψ1(l)＝Ψ1(0)+lεbl＝l+1，Ψ2(l)＝Ψ2(0)+lε，计算ξ(l)；c如果ψ1(l)≠θ^1+δ]]>ψ2(l)≠θ^2+δ,]]>则转b；d寻找ξ的极小值。如果极小值不存在，则适当增加δ(参考值取δ＝δ+0.5)，返回a；e ξ的极小值对应的角度值Ψ1(l)和Ψ2(l)就是信号源移动前后真实的方位角θ1、θ2。
步骤8(计算阵列天线通道的幅度误差和相位误差)根据步骤4得到的us1，计算阵列天线的第k个通道的幅度误差估计 为ρ^k=|us1(k)|-1---(10)]]>公式(10)中，us1(k)表示矢量us1中的第k个元素再根据步骤4得到的us1和步骤7得到的θ1，计算阵列天线的第k个通道相位误差估计 为
φ^k=∠(us1(k))+2π(k-1)dλsinθi---(11)]]>经过上述步骤后，就可以准确估计阵列天线的通道幅度误差 和相位误差 本发明的工作原理是对M元等间距直线阵列天线输出信号的协方差矩阵进行特征分解，将主特征值对应的特征矢量um，以第一个元素为参考作归一化得到，umum(1)=us---(12)]]>阵列天线的方向矢量为a(θ)，a(θ)=1e-j2πdλsinθ···e-j(M-1)2πdλsinθT---(13)]]>式(13)中，θ为入射信号的到达角，d为相邻阵元的间距，λ为入射信号的波长。
当阵列天线存在通道幅度误差和相位误差时，入射信号的方向矢量为a′(θ)＝∧a(θ)=Λ1e-j2πdλsinθ···e-j(M-1)2πdλsinθT---(14)]]> 式中ρkd表示第k个通道的幅度增益，φk表示第k个通道的相位误差。可以证明us＝a′(θ) (15)则有us(k)=ρkejφke-j2π(k-1)dλsinθ---(16)]]>对上式取相位信息，则阵列天线第k个通道的相位误差的估计为φ^k(θ)=∠(us(k))+2π(k-1)dλsinθ---(17)]]>
对上式取模，则阵列天线第k个通道的幅度误差的估计为ρ^k=|us(k)|-1---(18)]]>综上所述，本发明通过采用一个校正用窄带信号源，移动移动信号源，改变信号源的方位角，获得信号源移动前和移动后的数据各一组。然后再采用MUSIC算法粗略估计信号源移动前后的方位角，定义一个目标函数，通过求目标函数的极值，获得信号源移动前后的准确方位角，就可以得到阵列天线各个通道的幅度误差和相位误差。
在阵列天线的通道误差校正技术中，要在满足远场的条件的地方设置一个校正用射频信号源，而且校正精度和校正用射频信号源的波达方向的测量精度有关。本算法可以在不需要测量校正用射频信号源的方位角的情况下，准确估计阵列天线的通道幅度误差和相位误差。
图1是本发明中信号源的设置示意图其中，s(t)表示测试信号源，θ1表示信号源相对于阵列天线的方位角，也就是入射到阵列天线的信号的波达方向，在图中所示的阵列天线中，1代表第一个阵元，m代表第m个阵元，m(1≤m≤M)，M代表第M个阵元，M为自然数。
图2是本发明中信号源移动后的设置示意图其中，s(t)表示测试信号源，θ2表示信号源相对于阵列天线的方位角，也就是入射到阵列天线的信号的波达方向。在图中所示的阵列天线中，1代表第一个阵元，m(1≤m≤M)代表第个阵元，M代表第M个阵元。M为自然数。
图3是阵列天线通道的实际误差表其中，K表示阵列天线的通道序号，ρk表示阵列天线第k个通道的实际通道幅度误差，φk表示阵列天线第k个通道的实际通道相位误差。
图4是采用本算法估计的阵列天线通道误差结果其中，K表示阵列天线的通道序号，ρk表示采用本发明的方法得到的阵列天线第k个通道的幅度误差估计，φk表示采用本发明的方法得到的阵列天线第k个通道的相位误差估计。
具体实施例方式8元阵列天线通道误差的盲估计我们采用8(M＝8)元等间距直线阵，阵元间距为半波长。在天线阵列的周围放置了一个信号源，与阵列之间的距离满足远场条件，信号的信噪比为20dB。信号源移动前后的方位角分别为-10°、20°，采集数据的快拍数为400，图3为阵列天线各通道的实际幅度误差和相位误差，利用本发明的方法进行估计，就可以得到图4所示的幅度增益误差和相位误差。
比较图3和图4中所示的数据可以看出，采用本发明的方法可以有效的估计阵列天线的通道误差。
权利要求
1.一种阵列天线通道误差的盲估计方法，其特征是采用下面的步骤步骤1(设置信号源)在和阵列天线之间的距离满足远场条件的情况下，放置一个窄带信号源s(t)，入射信号(信号源发射的信号)的波达方向为θ1；开启信号源，在阵列天线的输出端采集N(N＝＞400)个快拍的数据，然后关闭信号源，采集到的第k个快拍数据为x1k＝[x1k(1)…x1k(M)]H(1)式中x1k(i)表示移动信号源之前获得的400个快拍中第k个快拍中，第i个阵元输出的数据，(·)H表示Hermitian转置；步骤2(移动信号源)移动信号源s(t)，放置在另外一个满足远场条件的位置，此时信号源的方位角为θ2(θ1≠θ2)，再次开启信号源，在阵列天线的输出端采集N(N＞400)个快拍的数据，关闭信号源；采集到的k个快拍数据为x2k＝[x2k(1)…x2k(M)]H(2)式中x2k(i)表示移动信号源之后获得的N个快拍中第k个快拍中，第i个阵元输出的数据；步骤3(数据合成)根据移动前后两次采集的数据得到两个协方差矩阵R1和R2，R1=1NΣk=1Nx1kx1kH---(3)]]>R2=1NΣk=1Nx2kx2kH---(4)]]>步骤4(求中间变量)对R1和R2分别作特征分解，可以得到两个对应大特征值的特征矢量um1和um2，对这两个特征矢量以其第一个元素作归一化得到两个中间变量，um1um1(1)=us1---(5)]]>um2um2(1)=us2---(6)]]>步骤5(估计方位角)采用MUSIC算法估计信号源移动前后的方位角，就可以得到 和 步骤6(DOA估计域)定义两个自变量域，以 和 为中心，以δ(参考值可取0.3度)为半径向两侧扩展，得到两个DOA估计值区间[θ^1-δ,θ^1+δ]]]>和[θ^2-δ,θ^2+δ];]]>步骤7(阵列天线通道误差的估计流程)首先，根据信号源移动前得到的数据粗略估计阵列天线第k个通道的相位误差φ^1k(θ^1)=∠(us1(k))+2π(k-1)dλsin(θ^1)---(7)]]>公式(7)中，∠(·)算子表示计算复数的角度，d为相邻阵元的间距，λ为入射信号的波长；根据信号源移动后得到的数据粗略估计阵列天线第k个通道的相位误差φ^2k(θ^2)=∠(us2(k))+2π(k-1)dλsin(θ^2)---(8)]]>然后，引入一个参量ξ(l)=Σk=1M|φ^1k(ψ1(l))-φ^2k(ψ2(l))|2---(9)]]>最后，确定信号源的真实入射角a 以 和 为起点，ψ1(0)=θ^1-δ]]>ψ2(0)=θ^2-δ,]]>根据式(7)和(8)计算 和 然后再根据式(9)计算ζ(0)；步长ε(其参考值可以取0.01)，令l＝0；ψ1(l)＝ψ1(0)+lεb l＝l+1，ψ2(l)＝ψ2(0)+lε，计算ξ(l)；c 如果ψ1(l)≠θ^1+δ]]>ψ2(l)≠θ^2+δ,]]>则转b；d 寻找ξ的极小值，如果极小值不存在，则适当增加δ(参考值取δ＝δ+0.5)，返回a；e ξ的极小值对应的角度值ψ1(l)和ψ2(l)就是信号源移动前后真实的方位角θ1、θ2；步骤8(计算阵列天线通道的幅度误差和相位误差)根据步骤4得到的us1，计算阵列天线的第k个通道的幅度误差估计 为ρ^k=|us1(k)|-1---(10)]]>公式(10)中，us1(k)表示矢量us1中的第k个元素再根据步骤4得到的us1和步骤7得到的θ1，计算阵列天线的第k个通道相位误差估计 为φ^k=∠(us1(k))+2π(k-1)dλsinθ1---(11)]]>经过上述步骤后，就可以准确估计阵列天线的通道幅度误差 和相位误差
全文摘要
本发明提供了一种阵列天线通道误差的盲估计方法，它采用一个校正用窄带信号源，通过移动移动信号源，改变信号源的方位角，获得信号源移动前和移动后的数据各一组。然后再采用MUSIC算法粗略估计信号源移动前后的方位角，定义一个目标函数，通过求目标函数的极值，获得信号源移动前后的准确方位角，就可以得到阵列天线各个通道的幅度误差和相位误差。采用本发明的方法可以在不需要测量校正用射频信号源的方位角的情况下，准确估计阵列天线的通道幅度误差和相位误差。
文档编号H04L25/02GK1625088SQ20031011107
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月3日 优先权日2003年12月3日
发明者俄广西, 龚耀寰 申请人:电子科技大学