阵列天线宽频带通道并行校准方法与流程

本发明是关于阵列天线系统技术领域，具体涉及一种在无线通信、导航、雷达等无线电系统阵列天线通道校准的方法。

背景技术：

阵列天线系统是一类由不少于两个天线单元按规则排列或随机排列，并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线，以及相应的信号接收、发射和处理资源组成。相较于传统的单阵元天线系统，阵列天线系统具有空间分辨能力更高、波束控制更灵活、抗干扰能力更强，信号增益更高等优点，这使得阵列天线系统在最近几十年间得到了快速发展。在实际应用中，阵列天线系统，包含外部射频部分、内部射频部分、数字处理单元以及公共资源等。阵列中各阵元天线接收空间信号经射频前端适配接收，经变频为中频信号，再经采样、数字正交解调得到i、q信号，然后应用相应的包括高分辨率测向算法，数字波束形成dbf等阵列信号处理算法，实现相应的无线电系统功能。然而，由于各种误差的存在，使得阵列系统达不到令人满意的性能。阵列通道中包含有高频放大器、耦合器、混频器、中频放大器、滤波器和模数转换器等模拟器件。这些模拟器件及其构成的有源电路不可避免地存在着幅度和相位差异，同时再加上其他外部因素的影响，例如：温度、湿度、器件噪声、器件老化等，势必使得阵列通道间存在幅相特性不一致，即通道失配。通道失配会影响阵列系统的性能，致使旁瓣电平升高、干扰零陷变浅、阵列增益的降低、阵列信号处理算法的接收处理性能下降，或发射输出性能严重恶化等各种阵列信号处理问题，严重时甚至使阵列天线系统不能正常工作。因此，阵列天线系统进行通道校准是必不可少的。在工作过程中，温度、湿度等环境因素对阵列天线系统的影响，还随着时间变化。为了保证系统工作性能，就必须周期性地对阵列天线进行通道校准。

阵列天线系统通道校准的误差，包括阵元方向图误差、阵元位置误差、阵元互耦和天线阵元之后的通道幅相不一致性。阵列天线系统校准是通过在阵列各通道注入校准信号开展的各类误差校准的。校准信号注入位置不同，校准的误差不一样。阵元方向图误差、阵元位置误差、阵元互耦等可通过开环校准方法进行校准。通道幅相不一致性通过闭环校准方法进行校准。开环校准主要校准阵列天线系统的阵元天线相关无源部分的误差。开环校准通过在阵列天线系统的远场放置一个已标校位置信号源辐射信号，校准阵列天线系统的阵元天线。实施开环校准，可降低阵元位置误差，阵元方向图误差以及阵元互耦等影响。闭环校准，通过在阵元天线后端采用耦合、开关等形式，将校准信号同时等幅等相地注入到阵列天线系统的各个通道中，然后比较各通道输出的幅度和相位，并对数字信号进行补偿后再进行阵列信号处理，以此降低各接收通道之间的幅相不一致性的影响。系统实施闭环校准，可降低各通道间的幅相不一致性的影响，提升系统性能。

对于窄带阵列天线系统，通道带宽相对较窄，整个通道内带内的幅频和相频特性近似相同。不同的通道之间只需对通道的中心频率处进行校准，即单频点校准。

对于宽带阵列天线系统，由于带宽相对较大，整个通道内带内的幅频特性不能认为相同的。宽带阵列通道不仅各通道之间的幅频特性和相频特性不一致，而且各阵列通道带内频率特性也不一致。采用窄带阵列天线系统的单频点校准方式，不能保证校准后宽带阵列天线系统宽频带通道的一致性。为了校准宽带阵列通道之间的幅相不一致性，传统的做法是将阵列通道频率特性在整个信号带宽内分频段处理分成窄带，然后运用单频点校准方法分别顺序对多个窄带频段进行窄带校准。通过该校准方法，获得各个窄带频段的校准系数，并存入存储器。当阵列系统正常工作时，系统通过查表等方法提取校准系数，并进行数据校准补偿。这类宽频带校准方法，在阵列天线系统工作频带越来越宽以及校准的精度要求越来越高的需求下，需要阵列天线系统进行校准工作的持续时间也就越来越长。此外，阵列天线系统在工作过程中受外界环境以及本振漂移等因素影响，校准后的各个通道幅度和相位差值仍会随时间变化。当各个通道幅相不一致性变化到一定程度时，最初进行的通道校准数据将不再适用，此时，系统正常工作将受到影响，即系统需要再次进行通道幅相校准。因此，这类宽频带校准方法难以适应无电线系统对阵列天线宽频带通道进行快速校准的需求。如当前的研究热点，第五代移动通信技术，采用阵列信号处理方法，在多个频段内进行载波聚合，以实现更快的数据传输速率。对其宽频带阵列天线系统的通道进行快速校准，具有巨大的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的主要是针对现有无线电系统校准技术，难以解决宽频带阵列天线通道幅相校准过程耗时较长的问题，提供一种能够快速校准宽频带通道，降低通道校准占用的时间，提升通道校准控制的稳健性的阵列天线宽频带通道并行校准系统。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种阵列天线宽频带通道并行校准系统，包括：阵列天线宽频带通道经耦合器/开关单元切换控制阵列天线系统校准工作模式与正常工作等模式的外部射频部分、含有系统控制单元的内部射频部分、内含数字处理与存储单元的数字处理单元和带有本振、电源的公共系统设备，其特征在于：在系统控制单元与耦合器/开关单元之间设有相连阵列天线的校准信号生成单元，内部射频部分相连公共系统设备，外部射频部分通过内部射频部分相连数字处理单元，从而组成阵列天线宽频带通道并行校准系统，在系统控制单元控制下，阵列天线系统处于校准工作模式，同时，校准信号生成单元生成校准信号，校准信号通过耦合器/开关单元将校准信号耦合和/或切换到阵列天线的多路通道中；系统控制单元进行一次校准信号生成控制，并以阵列任意一个通道作为基准的参考通道，将多路通道接收的校准信号与参考通道接收的校准信号进行比较，计算出其余各个通道相对参考通道在所有对应频点上幅度和相位相对值，即通道校准系数，然后将计算出的通道校准系数存储在数字处理单元的存储器中；在数字处理单元中，数字信号处理器dsp或现场可编程门阵列fpga执行幅度和相位相对值测量，获得频点集合内的频率对应的宽频带通道幅相不一致的校准系数。

一种阵列天线宽频带通道并行校准方法，具有如下技术特征：在包含用于切换控制阵列天线系统的校准工作模式与正常工作等模式的系统控制单元、阵列天线、校准信号生成单元、外部射频部分、内部射频部分和数字处理与存储单元的阵列天线系统中，在系统控制单元控制下，阵列天线系统处于校准工作模式，同时，校准信号生成单元生成校准信号，通过耦合器将校准信号耦合到阵列天线的多路接收通道中，或通过开关单元切换至阵列天线的多路接收通道中，将多路通道接收的校准信号与参考通道接收的校准信号进行比较，计算出通道校准系数，并存储在数字处理单元的闪存flash或随机存取存储器ram等存储器中。其中，校准信号生成的持续时间，由系统根据校准生成单元预计采取的同时并行校准的频点集合以及显著性因子，计算对通道不同频点进行校准所需的校准信号持续时间，选择所有频点所需的校准信号持续时间中最大的时长值，作为校准信号生成的持续时间的取值下限。在完成通道校准后，系统控制单元控制系统进入正常工作模式，系统读取存储的通道校准系数，对阵列天线系统正常工作模式下的接收或发射的数字信号进行补偿，完成阵列天线系统的相应功能。如，无线电测向系统，采用多信号分类music算法，一种基于阵列天线系统的高分辨率测向算法，利用校准补偿后的多个通道的数字信号，计算自相关系数，进行特征值分解，通过提取噪声子空间，构建谱函数，计算不同方向的谱函数峰值大小，通过比较获得外界辐射目标的入射角度。

有益效果

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

能够快速校准宽频带通道。本发明在系统控制单元与耦合器/开关单元之间设有相连阵列天线的校准信号生成单元，内部射频部分相连公共系统设备，外部射频部分通过内部射频部分相连数字处理单元，能给出校准信号持续时间的有效范围，系统控制单元以阵列任意一个通道作为基准的参考通道，将多路通道接收的校准信号与参考通道接收的校准信号进行比较，计算其余各个通道相对参考通道在所有对应频点上的校准系数，实现对阵列天线系统宽频带通道的快速校准。

能有效降低通道校准时间。本发明采用校准信号生成单元预先计算校准信号持续时间大小，生成含相应频点集合内频率的校准信号，在数字处理单元中，数字信号处理器dsp或现场可编程门阵列fpga对多个通道数字信号在同一时间接收的校准信号的多个频点同时进行幅度和相位比对测量，获得频点集合内的频率对应的宽频带通道校准系数。相对于常规校准方法一次校准仅采用单个频点的校准信号，并顺序改变频点的通道校准方式，本发明大幅降低了对阵列天线宽频带通道进行校准所需时间，可提升系统正常工作的有效时间。

能提升通道校准控制的稳健性。本发明采用系统控制单元按计算的校准信号持续时间控制生成一次校准信号，以阵列任意一个通道作为基准的参考通道，将多路通道接收的校准信号与参考通道接收的校准信号进行比较，计算出其余各个通道相对参考通道在所有对应频点上幅度和相位相对值(校准系数)，即可完成实现对宽频带通道的多个频点的并行校准，减少校准控制次数，便于校准控制的实现，亦可提升系统校准控制的稳健性。

校准信号持续时间是由系统根据校准生成单元预计采取的多个同时并行校准频点的集合以及显著性因子大小，计算获得针对不同频点进行校准所需的校准信号持续时间，并选择校准信号持续时间中最大的时长值，作为本发明方法的校准信号生成的持续时间的取值下限。相比于其它采用经验值作为校准信号持续时间的校准方法，本发明方法更具有科学依据。

附图说明

图1是本发明阵列天线宽频带通道并行校准系统的组成示意图。

图2是本发明实施例的阵列天线宽频带通道并行校准流程图。

图3是针对扫频接收机体制阵列天线系统的宽频带通道并行校准实施例流程图。

图4是阵列天线宽频带通道并行校准周期流程图。

图5是本发明相位校准精度仿真示意图。

图6是本发明幅度校准精度仿真示意图。

为了充分阐述本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，下面所描述的具体实施用例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。在阅读本发明记载内容之后，本领域技术等相关人员可以对本发明作各种改动或修改。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，阵列天线宽频带通道并行校准系统，含有阵列天线宽频带通道经耦合器/开关单元切换控制阵列天线系统校准工作模式与正常工作等模式的外部射频部分、含有系统控制单元的内部射频部分、含有数字处理与存储单元的数字处理部分和带有本振和电源的公共系统设备，并在系统控制单元与耦合器/开关单元之间设有相连阵列天线的校准信号生成单元，外部射频部分通过内部射频部分相连数字处理单元，从而组成阵列天线宽频带通道并行校准系统。数字处理部分包括数字信号处理器dsp、现场可编程门阵列fpga与存储单元，存储单元包括：数字信号处理器dsp对应的闪存flash或随机存储器ram，现场可编程门阵列fpga对应的闪存flash或随机存储器ram等数字计算处理存储单元。外部射频部分主要包括：阵列天线宽频带通道顺次串联的耦合器/开关单元、放大器/功率放大器和射频选择器，阵列天线宽频带通道通过校准信号生成单元相连系统控制单元。在放大器/功率放大器中，放大器接收阵列天线信号，功率放大器发射阵列天线信号，系统控制单元通过耦合器/开关单元开关对放大器/功率放大器进行切换。内部射频部分主要包括预选择器、变频、模-数转换等单元。内部射频部分主要包括：射频选择器并行顺次串联的相连的变频单元、预选择器、模-数转换单元和模-数转换单元并行串联数字处理单元，模-数转换单元在接收信号时将通道接收的射频模拟信号转换为数字信号，以及无线电系统生成的数字信号转换为模拟信号分别送入放大器/功率放大器用于接收和发射。

阵列天线系统在进行信号接收和发射工作前，首先进行通道校准处理，即系统控制单元控制系统进入校准工作模式，待阵列天线系统完成通道校准处理后，系统控制单元控制阵列天线系统进入正常工作模式，进行接收和发射工作。

当外部电磁信号在阵列天线上响应并形成射频信号，进入阵列天线系统时，阵列天线系统在系统控制单元控制下，接收的射频信号依次经过外部射频部分中的耦合器/开关单元、放大器/功率放大器中的放大器放大，送入射频选择器，射频选择器选择需要接收的外部信号所在频段；射频选择器选择的射频信号通过内部射频部分接收机进行频段预选择后送入变频单元变频处理为中频或基带信号，经由模数转换单元完成中频信号或基带信号从模拟到数字的转换，再利用数字信号处理器dsp、现场可编程门阵列fpga等处理资源，进行阵列信号处理算法等处理，并将系统相关数据在随机存储器ram或闪存flash等存储资源中进行存储，或直接发送至显示器；另一方面，数字信号处理器dsp、现场可编程门阵列fpga将产生的数字基带信号发送至模数转换单元，进行数字到模拟信号的转换，将形成的模拟基带信号，经过变频单元变频形成射频信号，通过射频选择器选择后经由放大器/功率放大器中的功率放大器进行放大，并经过耦合器/开关单元送入阵列天线完成信号的辐射。

在系统控制单元控制下，阵列天线系统处于校准工作模式，同时，校准信号生成单元生成校准信号，校准信号通过耦合器/开关单元将校准信号耦合和/或切换到阵列天线的多路接收通道中；系统控制单元进行一次校准信号生成控制，并以阵列任意一个通道作为基准的参考通道，将多路通道接收的校准信号与参考通道接收的校准信号进行比较，计算出其余各个通道相对参考通道在所有对应频点上幅度和相位相对值，即通道校准系数，然后将计算出的通道校准系数存储在数字处理单元的存储器中；在数字处理单元中，数字信号处理器dsp和/或现场可编程门阵列fpga执行幅度和相位相对值测量，获得频点集合内的频率对应的宽频带通道幅相不一致的校准系数。

当阵列天线系统工作在校准工作模式时，系统控制单元通过耦合器/开关单元关闭阵列天线外部信号接收和开关单元对外发射开关，打开校准信号生成单元，校准信号生成单元根据校准频点集合和持续时间等信息生成校准信号，将生成的校准信号通过耦合器耦合到阵列天线通道中或通过开关单元开关切换至阵列天线通道中，校准信号经过放大器/功率放大器中的放大器放大，经由射频选择器选择校准信号的频段后，依次进入接收机内部射频单元中完成接收预选择，再经变频单元变频处理形成中频或基带信号，并经过模数转换单元转换模拟到数字信号，数字信号处理器dsp和/或现场可编程门阵列fpga数字处理单元对在同一时间接收的多个通道数字信号进行幅度和相位比对测量，获得频点集合内的频率对应的宽频带通道幅相不一致的校准系数，将校准系数进行存储，供系统在正常工作时进行数据补偿。

所述校准信号由多个频点信号分量组成，各个信号分量的幅度要求一致，由校准信号生成单元生成并同时进入阵列天线接收通道，用于后续并行校准多个频点。

在阵列天线宽频带通道并行校准中，校准信号生成单元对宽频带通道待校准频段进行划分，划分后形成l个窄带频段。各个窄带频段的中心频率分别为f1,f2,...,fl，记为频率集合{f1,f2,...,fl}；校准信号单元以划分后窄带频段的中心频率集合构造对应的正弦波和/或余弦波和任意接收通道内群延时不显著的窄带信号，作为阵列通道校准信号x(t)。构造的校准信号表示为式中，a为校准信号幅度，l为频率点个数，φl为第l个正弦波或余弦波的初始相位，j为虚数单位。

系统控制单元利用耦合器将校准信号耦合进入阵列天线接收通道或通过开关单元开关切换的方式注入到阵列天线接收通道；模数转换单元通过将阵列天线通道信号进行采样，完成模数转换，从而得到阵列接收的数字信号xmn，其中，m为阵列天线阵元数，n为采样点数。数字处理单元利用接收的数字信号，计算各个通道相对于参考通道在不同频点的幅度和相位相对值构成的通道校准系数，将所有的通道校准系数送入存储单元进行存储，用于阵列天线宽频带通道并行校准系统正常工作时的接收或发射数字信号补偿。

校准信号生成单元针对各个窄频带的中心频率与生成校准信号时长要求，构造生成校准信号，针对各个窄频带的中心频率与生成校准信号时长要求的计算方法，按如下方法进行：

校准信号生成单元计算第k个窄频带的中心频率的校准参考信号并对校准信号生成单元中设置的校准信号除去参考信号yk(t)对应的信号分量外的剩余分量之间的互相关系数rk，且

在校准信号的采样持续时间t＝τ2-τ1内，互相关系数rk的幅值约为

其中，||g||表示复数的幅值，|g|表示数的绝对值，式中，τ1为采样起始时间，τ2为采样结束时间，yk为第k个频点的校准参考信号，xr为剩余分量，t为时间变量，(g)^*表示yk复数的复共轭。

互相关函数rk满足

||rk||≤δ(2)

其中，δ定义为显著性因子，取δ≤0.01。δ可根据系统要求进行适度调整。

根据式(1)和(2)，可得到采样时长t为

即在阵列天线通道校准过程中，校准信号生成的持续时间不小于上述值t。

校准生成单元采取的窄频带的中心频率集合{f1,f2,...,fl}以及显著性因子大小，选择采样时长{t1,t2,...,tl}中最大的值t，作为校准信号生成持续时间的取值下限，对频点tk进行校准的校准信号持续时长计算不同的采样时长tk，k＝1,2,...,l；利用耦合器将校准信号耦合进入阵列天线接收通道，或通过开关切换的方式注入到阵列天线接收通道；将阵列天线各个通道的接收信号进行采样，完成模数转换，得到阵列接收数字信号xmn。

数字处理单元依次取数字信号中的单个天线通道数据xm，通过傅里叶变换或快速傅里叶变换得到第m个天线通道xm的频域信息xm，依据校准信号的频点集合{f1,f2,...,fl}，通过ad采样控制获得xm在对应频点的估计值或者通过插值方法获得xm在对应频点的估计值，并计算对应频点处的幅度{am1,am2,...,aml}和相位值即校准系数。

数字处理单元以阵列任意一个通道的数据作为基准，计算其余各个通道相对该通道在对应频点上幅度和相位相对值。如取序号为1的天线通道为基准，序号为m的天线通道在频点f1相对于序号为1的天线通道的幅度和相位相对值为：

系统将通道校准系数存储到随机存储器ram或闪存flash中，供正常工作时读取并用于接收或发射数字信号的通道补偿。

本发明还提供一种计算各个通道幅度相位相对值的计算方法，包括以下步骤：

数字处理单元在数字处理中，构造频点fl对应的正弦波和/或余弦波和任意在接收通道内群延时不显著的数字窄带信号集作为校准参考信号，l＝1,2,...l；

数字处理单元取第m个天线通道中的数据xm，计算yl与xm的互相关函数，并搜索得到互相关函数的峰值。数字处理单元通过对峰值数据进行求模，获得幅度值通过对获得峰值数据进行求相位，获得相位值幅度值和相位值作为第m个天线通道在频点fl校准的校准系数。

数字处理单元采取同时构造所有中心频率集合{f1,f2,...,fl}对应的校准参考信号集合{y1,y2,...,yl}的方式，并同时对所有m个天线通道的l个中心频率进行校准系数计算的方法，实现对阵列天线宽频带通道的并行校准，获得阵列天线宽频带通道校准系数其中，l＝1,2,...l，m＝1,2,...,m。

参阅图2。在本实施例提供的阵列宽频带通道并行校准中，校准流程首先进行校准信号生成的初始化，即根据中心频率集合{f1,f2,...,fl}生成指定持续时间的校准信号；接着，将校准信号耦合注入或开关切换到校准通道。校准信号经过接收通道进行模数转换，并通过数字处理单元完成数据采集。数字处理单元根据采集的校准信号数据，计算校准系数；最后，在数字处理单元中将通道校准系数进行存储，待系统正常工作时读取使用。

在阵列天线通道校准过程结束后，系统控制单元控制系统进入正常工作模式，系统根据数字处理单元存储的校准系数对阵列天线接收或发射数据进行补偿。

参阅图3。在图1所示系统的一个特例中，扫频接收机体制阵列天线系统通过多次改变本振频率的方式，以带宽相对较窄的扫频接收机，覆盖阵列天线系统的工作带宽范围，完成相应系统在整个工作带宽范围内的功能。如相控阵天线系统的工作带宽范围远大于相控阵天线系统的接收机带宽。扫频接收机体制阵列天线系统的校准，首先通过本发明方法，对固定本振时接收机单次覆盖带宽对应的系统通道频带进行校准。其校准过程与图2一致。当完成后，系统控制单元调整接收机本振频率，对系统通道下一个频带范围进行通道校准。当系统完成所有的工作频带的校准工作后，即完成全工作频段的校准。此时，系统控制单元控制校准信号生成单元停止校准信号生成，存储通道校准系数，结束系统通道校准流程。

参阅图4。在阵列天线的通道周期校准流程中，对通道幅相不一致的校准过程包含图2中的校准信号生成初始化，校准信号耦合注入或开关切换进入通道，接收通道数据采集，提取通道校准系数，停止校准信号生成以及通道幅相数据存储的全部步骤，或图3中的校准信号生成初始化到通道幅相数据存储的全部步骤。当通道幅相不一致校准完成后，系统控制单元控制系统进入正常工作模式，对通道接收或发射的数字信号进行校准系数补偿，执行阵列信号处理实现相应功能。当系统持续进行正常工作的时间大于或等于通道校准周期时，再次控制系统进行校准工作模式，进行通道幅相校准。重复上述过程，直到收到人工控制发出的指令，结束系统正常工作和校准工作流程。

参阅图5、图6。在通道并行校准方法性能仿真中，阵列天线由2个天线组成。校准信号由10个不同频率的等幅度正弦信号叠加组成。校准信号进入通道后，各个频点引入不同的随机幅度和随机相位，以及噪声。当接收信号的信噪比从10db变换到30db时，采用所述方法获得的通道幅相不一致性校准结果的性能如图5和6所示。校准性能由校准后的相位和幅度相对值的均方根误差衡量。仿真结果包括对通道单一频点进行幅相校准后的均方根误差以及对两个天线所有频点进行幅相校准后的均方根误差。由于采用多个正弦信号叠加生成满足校准信号持续时间要求的校相信号，因此校准信号生成和注入仅需要进行一次，不需要顺序改变校准信号频率多次进行校准信号注入和采样，进而减少了校准信号的总持续时间。