专利名称：一种复杂电磁环境下的天线阵列校准方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及阵列信号处理领域，具体为一种复杂电磁环境下的天线阵列校准方法及其装置。复杂电磁环境是指外界存在密集干扰信号的环境。圆形天线阵是指天线在圆周上均匀排列。本发明在复杂电磁环境下，对圆形天线阵通道幅度和相位不一致性误差进行提取和补偿。
背景技术：
随着通信理论和技术的飞速发展，阵列天线在移动通信、广播电台、雷达系统和导航等无线电系统中扮演了越来越重要的角色，而阵列信号处理性能的优劣将直接影响着整个通信系统的性能。由于阵列天线各通道的不一致性大大降低了阵列接收机系统的性能，这些参数主要包括各接收天线和接收机前端设备的幅度和相位，因此，必须采用各种技术和手段来尽可能地解决阵列天线通道的不一致性，对各通道进行幅度不一致性和相位不一致性的校准。目前，大部分阵列校准文献是对窄带信号内的校准，或者是在外界干扰密集度很小且干扰信号幅度小的环境下实行的校准，实现背景比较简单。“Sensor arraycalibration in the presence of mutual coupling and unknown sensor gains andphases”(C.M.S See, Electron Lett，1994，30 (5):373-374)提出发送校准辅助信号，求接收的阵列信号的协方差矩阵，并联合空间谱估计，求得通道幅度不一致性和相位不一致性，但是该应用环境有限制，外界干扰要少且微弱，而在密集的外界干扰且干扰信号比较强的情况下，该方法就不适用。一般情况下，发送的辅助校准信号都是容易识别的，且频域上的波形不会发生变化的单频信号。但同时，正是因为单频信号固有的属性，外界干扰脉冲将会影响该辅助信号的接收判别，则影响阵列校准的结果。本发明的特点是解决现有的阵列校准方法不考虑外界干扰且只能在窄带内校准的问题，能够准确的获取通道参数(包括通道幅度不一致性参数和通道相位不一致性参数)，并在宽频带内补偿。
发明内容
本发明提供一种复杂电磁环境下的天线阵列校准方法及其装置，本发明能在任意频带范围内以及存在密集干扰的复杂电磁环境下，自动抑制小幅度的同频或邻频干扰对该频点阵列校准结果的影响。本发明提供的一种复杂电磁环境下的天线阵列校准方法，包括以下步骤:第I步发送校准信号；第2步利用圆形天线阵接收发送的校准信号，将接收的各路信号进行模数转换，得到阵列数字信号；第3步利用得到的阵列数字信号，提取出各通道的幅度和相位，再将某一通道的幅度和相位作为基准，求其它各通道的幅度和相位与基准的相对值，即通道幅度不一致性和通道相位不一致性；第4步判断所有频点是否校准完毕，如果是，则进入第5步，否则，切换到下一个频点，重复第I步至第3步，直至完成所有频点的通道参数的提取；第5步停止发送校准信号；第6步对通道参数进行处理，消除干扰的影响；第7步圆形天线阵上各接收天线接收空中信号，并将接收的各路信号进行模数转换，得到阵列数字信号；第8步对得到的阵列数字信号进行补偿，得到补偿输出信号。本发明提供的一种复杂电磁环境下的天线阵列校准装置，其特征在于，该装置包括信号发生器单元、圆形天线阵单元、阵列接收机前端单元、阵列通道参数提取单元、通道参数处理单元和通道补偿单元；所述圆形天线阵单元用于接收信号和发射校准信号，圆阵的中心放置一根用于发送校准信号的校准信号发射天线，所述圆形天线阵的圆周上还均匀放置多根接收天线，每相邻接收天线间的距离都相等，该接收天线在提取阵列通道参数阶段，接收混有外界干扰的校准信号；在补偿阵列信号阶段，接收所需待校准的阵列信号，所述信号发生器单元用于产生的单频信号作为阵列校准过程中的校准信号；所述阵列接收机前端单元用于对接收的信号进行放大、滤波、模数转换处理，并提供给所述阵列通道参数提取单元；所述阵列通道参数提取单元用于接收的阵列信号与参考信号根据自适应滤波器的维纳解形式，进行运算，提取出通道参数，并提供给所述通道参数处理单元；所述通道参数处理单元用于对校准频点或邻频处若存在强干扰的情况下做处理，并将处理后的数据提供给通道补偿单元；若干扰较小，信干比比较大，则不做处理，得到最终的通道参数；所述通道补偿单元包含宽带补偿单元和/或多窄带补偿单元，消除接收到的信号包含的阵列通道误差。本发明能在任意频带范围内以及存在密集干扰的复杂电磁环境下，自动抑制小幅度的同频或邻频干扰对该频点阵列校准结果的影响，如果干扰的幅度比较大时，能够自动剔除该频点通道参数，并插值取代之，准确的获取最终的阵列通道参数，并进行多窄带补偿，或者宽频带范围内一次性补偿。与其它的阵列校准技术相比，本发明具有以下特点:(I)本发明根据自适应滤波器的原理，使用维纳解形式进行通道参数的提取，运算量小，计算简单，且容易实现。(2)能够在复杂电磁环境，即存在密集干扰的情况下，根据校准频点或相邻频点处的干扰幅度大小对通道参数进行处理。避免了常规的阵列校准方法容易受外界干扰的影响。(3)阵列通道补偿可进行多窄带补偿或者宽带补偿，宽带补偿则是构造校准滤波器，实现所需频带内的一次性补偿；多窄带补偿则是将接收的信号信道化，分成多个窄带，然后在各窄带内进行补偿。避免了常规的阵列通道补偿要求待校准补偿的信号为窄带内的信号。(4)本发明装置可建立在任意频段范围的基础上，避免了一般的阵列校准只能在窄带范围内，且该频段内干扰要比较小的情况下才可行。
图1是本发明实例的方法流程示意图；图2是通道参数提取方法框图；图3是通道参数处理方法框图；图4是宽带补偿方法框图；图5是多窄带补偿方法框图；图6是本发明实例的装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本发明实例提供的阵列校准方法，包括以下步骤:(I)发送校准信号
信号发生器根据待发的校准信号的参数产生单频信号，经过数模转换后，由校准信号发射天线发送出去。校准信号的参数包括信号的类型、幅度和频率等。(2)数据采集在发送校准信号后，利用圆形天线阵接收各路信号，模数转换后得到数字信号，用于后面的通道参提取计算。(3)进行通道参数提取算法利用得到的各路数字信号进行运算，提取出各通道的幅度和相位，再将某一通道的幅度和相位作为基准，求其它各通道的幅度和相位与基准的相对值，即通道幅度不一致性和通道相位不一致性。如图3所示，具体步骤如下:(3.1)圆形天线阵各接收天线接收来自校准信号发射天线发送的校准信号，以及空中广播电台、航空通信等干扰信号，第i个接收天线接收的信号经过模数转换后记为Si (η), η为米样点的序号。(3.2)产生与校准信号相同频点的单频序列codJifn，作为参考信号1，以及sin2 π fn,作为参考信号2，f为发射的校准信号频率。(3.3)根据参考信号与接收的信号，进行相关运算，提取通道参数，具体如下所述:假设位于圆形天线阵中心位置的校准信号发射天线所发射的校准信号为0082 πη, t为发射的时间。第i个接收天线接收该校准信号并经放大、滤波和模数转换后，其输出信号为4.Οθ5(2πfn + φ^，Ai为该通道输出信号的幅度肩为该通道输出信号的相移，它们间接反映了该接收通道引入的幅度和相位的不一致性，其值可基于最小均方准则，用自适应滤波器的维纳解形式，即按下述步骤计算:计算该通道的相关统计量wQpt:
权利要求
1.一种复杂电磁环境下的天线阵列校准方法，包括以下步骤: 第I步发送校准信号； 第2步利用圆形天线阵接收发送的校准信号，将接收的各路信号进行模数转换，得到阵列数字信号； 第3步利用得到的阵列数字信号，提取出各通道的幅度和相位，再将某一通道的幅度和相位作为基准，求其它各通道的幅度和相位与基准的相对值，即通道幅度不一致性和通道相位不一致性； 第4步判断所有频点是否校准完毕，如果是，则进入第5步，否则，切换到下一个频点，重复第I步至第3步，直至完成所有频点的通道参数的提取； 第5步停止发送校准信号； 第6步对通道参数进行处理，消除干扰的影响； 第7步圆形天线阵上各接收天线接收空中信号，并将接收的各路信号进行模数转换，得到阵列数字信号； 第8步对得到的阵列数字信号进行补偿，得到补偿输出信号。
2.根据权利要求1所述的天线阵列校准方法，其特征在于，第3步具体包括下述过程: (3.1)圆形天线阵各接收天线接收来自校准信号发射天线发送的校准信号，以及干扰信号，第i个接收天线接收的信号经过模数转换后记为Si (η)，η为采样点的序号； (3.2)产生与校准信号 相同频点的单频序列cod^ifn，作为参考信号1，以及sin2 π fn，作为参考 信号2，f为发射的校准信号频率； (3.3)根据参考信号与接收的信号，进行相关运算，提取通道参数，包括幅度仏、相位φ' ； (3.4)将其中一个通道的幅度和相位参数作为基准，求取各通道的幅度和相位值与该基准的偏差，得到通道幅度不一致性参数和相位不一致性参数。
3.根据权利要求2所述的天线阵列校准方法，其特征在于，第3步包括下述过程:步骤(3.3)为:假设位于圆形天线阵中心位置的校准信号发射天线所发射的校准信号为cos2 π ft，t为发射的时间，第i个接收天线接收该校准信号并经放大、滤波和模数转换后，其输出信号为4cos(2;r/ +炉,)，Ai为第i通道输出信号的幅度肩为该通道输出信号的相移，计算该通道的相关统计量:
4.根据权利要求1、2或3所述的天线阵列校准方法，其特征在于，第6步具体包括下述过程: 假设在所需校准的工作频段内设置的多个校准频点为fk，k=l, 2，...，K，K为设置的校准频点总个数，在每个校准频点提取的通道幅度相对值为A' u，以及相位相对值为〃，i为通道序号；如果在某校准频点处或相邻频点处有外界干扰，但干扰幅度比较小，则该频点处的通道参数直接取为A' u和;否则，剔除该频点的通道参数，再进行插值处理，取代之前的通道参数，消除干扰的影响。
5.根据权利要求4所述的天线阵列校准方法，其特征在于，第6步中根据所得到的相位-频率曲线炉“ 的毛刺情况决定是否处理该频点处的通道参数。
6.根据权利要求5所述的天线阵列校准方法，其特征在于，在相位-频率曲线Ψ k 八中，判断并处理毛刺点的方法:
7.根据权利要求所述I至6中任一所述的线阵列校准方法，其特征在于，第8步按照下述过程进行宽带补偿: (al)、构造宽带补偿滤波器，根据FIR滤波器参数的对称性，将第i路通道的各个校准频点处得到的通道参数A' u和炉“作为宽带补偿滤波器的频域响应Hi (f)正频带上的参数，将A' u和-炉“作为Hi (f)的负频带上的参数，再对Hi (f)进行傅里叶反变换，即得到宽带补偿滤波器的时域冲击响应h (η)； (a2)、将第i通道接收到的待校准的信号Xi (η)进入数字补偿滤波器中，与宽带补偿滤波器的时域冲击响应h (η)进行卷积，即:
8.根据权利要求1到6中任一所述的天线阵列校准方法，其特征在于，第8步按照下述过程进行多窄带补偿: (bl)、将第i通道接收到的待校准的信号Xi (η)，经过信道化处理，得到信道化输出信号:
9.一种复杂电磁环境下的天线阵列校准装置，其特征在于，该装置包括信号发生器单元、圆形天线阵单元、阵列接收机前端单元、阵列通道参数提取单元、通道参数处理单元和通道补偿单元； 所述圆形天线阵单元用于接收信号和发射校准信号，圆阵的中心放置一根用于发送校准信号的校准信号发射天线，圆形天线阵的圆周上均匀放置多根接收天线，每相邻接收天线间的距离都相等，该接收天线用于在提取阵列通道参数阶段接收混有外界干扰的校准信号，在补偿阵列信号阶段，接收所需待校准的阵列信号；所述信号发生器单元用于产生的单频信号作为阵列校准过程中的校准信号； 所述阵列接收机前端单元用于对接收的信号进行放大、滤波、模数转换处理，并提供给所述阵列通道参数提取单元； 所述阵列通道参数提取单元用于将接收的阵列信号与参考信号根据自适应滤波器的维纳解形式，进行运算，提取出通道参数，并提供给所述通道参数处理单元； 所述通道参数处理单元用于对校准频点或邻频处若存在强干扰的情况下做处理，并将处理后的数据提供给通道补偿单元；若干扰较小，信干比比较大，则不做处理，得到最终的通道参数； 所述通道补偿单元包含宽带补偿单元和/或多窄带补偿单元，消除接收到的信号包含的阵列通道误差。
全文摘要
本发明公开一种复杂电磁环境下的天线阵列校准方法及其装置。该装置通过在天线阵列中心点发射校准信号，根据自适应滤波器的原理，利用维纳解形式，提取阵列天线及接收前端的幅度不一致性和相位不一致性参数。在存在密集干扰的复杂电磁环境中，能够自动抑制小幅度的同频或邻频干扰对该频点阵列校准结果的影响；而当同频或邻频干扰的幅度比较大以致对通道参数有较大影响时，能对提取的通道参数进行处理，消除或极大减弱该干扰带来的影响，然后对接收的阵列信号进行宽带补偿或多窄带补偿，消除通道不一致性引起的误差。本发明适用于复杂电磁环境下，对工作在任意频率范围的圆形天线阵列及接收通道实时进行通道参数提取和自动补偿。
文档编号H04B7/04GK103117781SQ20131004100
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者马洪, 饶蓉, 李攀, 余德, 程莉 申请人:华中科技大学