專(zhuān)利名稱(chēng)：陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型陣列天線(xiàn)互耦校正的一種方法，特別適用于一維均勻線(xiàn)陣和均勻圓陣。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的陣列天線(xiàn)互耦校正方法一般都是先對(duì)互耦進(jìn)行電磁測(cè)量或通過(guò)電磁計(jì)算方法對(duì)互耦效應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算，然后通過(guò)互耦的測(cè)量值或計(jì)算值對(duì)隨后的信號(hào)處理算法進(jìn)行修正。但互耦的電磁測(cè)量值和計(jì)算值的精度往往并不能滿(mǎn)足實(shí)際的工程應(yīng)用；而且，陣元互耦還會(huì)隨環(huán)境和陣元電磁參數(shù)的變化而變化，在實(shí)際工作中還要常常對(duì)互耦的測(cè)量值和計(jì)算值進(jìn)行不斷的修正。還有許多校正方法將互耦的校正轉(zhuǎn)化為一個(gè)陣列天線(xiàn)參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題，參數(shù)類(lèi)的陣列天線(xiàn)校正方法通?？梢苑譃橛性葱Ｕ椒ê妥孕Ｕ椒ǎ性葱Ｕ椒ㄊ峭ㄟ^(guò)在空間設(shè)置方位精確已知的輔助信源對(duì)陣列天線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行離線(xiàn)估計(jì)，該方法不需要對(duì)信源方位進(jìn)行估計(jì)，運(yùn)算量相對(duì)自校正類(lèi)方法要小，通常情況下要測(cè)出整個(gè)方向圖，才能得到較好的結(jié)果，對(duì)于大型陣列天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，一般不能提供轉(zhuǎn)臺(tái)，需要在遠(yuǎn)場(chǎng)，以一定的角度間隔，一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，工作量和復(fù)雜度都很大。自校正類(lèi)方法通常將空間信源的方位與陣列天線(xiàn)的誤差參數(shù)(如互耦、幅相和位置誤差等)根據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則(如子空間準(zhǔn)則、最大似然準(zhǔn)則、子空間擬合準(zhǔn)則等)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)。自校正可以不需要方位已知的輔助信源，但由于誤差參數(shù)與方位參數(shù)之間的耦合和某些病態(tài)的陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)(如均勻線(xiàn)陣)， 參數(shù)估計(jì)的唯一辨識(shí)性往往無(wú)法保證，而且參數(shù)聯(lián)合估計(jì)對(duì)應(yīng)的高維、多模非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題帶來(lái)了龐大的運(yùn)算量，參數(shù)估計(jì)的全局收斂性往往也無(wú)法保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術(shù)中的不足之處而提供的通過(guò)單一一點(diǎn)校正而測(cè)出整個(gè)陣列天線(xiàn)互耦的有源校正方法。在遠(yuǎn)場(chǎng)放置一個(gè)信號(hào)源發(fā)射信號(hào)，測(cè)出這一點(diǎn)入射信號(hào)的響應(yīng)，由這一點(diǎn)入射信號(hào)的響應(yīng)計(jì)算出互耦矩陣，避免了有源校正中需要測(cè)出多點(diǎn)、甚至整個(gè)方向圖的繁瑣。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，操作方便，非常適合在測(cè)試條件不具備或很困難的大型陣列天線(xiàn)中。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括步驟①在陣列天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)的任意方向、任意一點(diǎn)發(fā)射校正信號(hào)，計(jì)算出校正信號(hào)到陣列天線(xiàn)法線(xiàn)的入射方向，得出陣列天線(xiàn)的方向向量A (用字母A表示)；②校正信號(hào)源在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射信號(hào)，測(cè)出陣列天線(xiàn)各個(gè)陣元的輸出響應(yīng)；③變換并簡(jiǎn)化互耦矩陣Γ (用字母Γ表示)，將互耦矩陣Γ由ΜΧΜ(Μ為陣列天線(xiàn)陣元數(shù)量)矩陣變換成MX 1矩陣；④構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，求代價(jià)函數(shù)的梯度，采用最速下降法以迭代方式求代價(jià)函數(shù)的極小值，得出互耦矩陣，互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入信道后端。完成陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正。
其中，步驟②中的測(cè)出陣列天線(xiàn)各個(gè)陣元的輸出響應(yīng)，采用LMS(最小均方)算法測(cè)出其它各個(gè)陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)相對(duì)于第一路陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)的幅度、相位誤差，并定義其為互耦誤差方向向量Ae (用字母Ae表示)。其中，步驟③中的將互耦矩陣Γ由MXM變換成MXl矩陣的方法，引入一個(gè)MXM 維矩陣A(A)(用字母A(A)表示)，Qa(A)包含方向向量A的所有元素，互耦矩陣Γ與方向向量A相乘Γ XΑ，等于互耦矩陣Γ的第一列向量用字母表示，SMXl矩陣) ^Qa(A)相乘，Γ XA = Qa(A) X re。其中，步驟④中的構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，互耦誤差方向向量Ae近似等于互耦矩陣Γ與方向向量A的乘積Ae^ Γ ΧΑ，同時(shí)Ae A㈧X Γ\，構(gòu)造代價(jià)函數(shù)J(r) = (Ae-Qa(A) Γ e) H(Ae-Qa(A) re)，J(r)為代價(jià)函數(shù)。本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明僅采用單點(diǎn)校正，在陣列天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)的任意方向上、任意一點(diǎn)發(fā)射校正信號(hào)，計(jì)算出校正信號(hào)到陣列天線(xiàn)法線(xiàn)的入射方向、并測(cè)出陣列天線(xiàn)所有陣元的輸出響應(yīng)， 得出天線(xiàn)陣的互耦系數(shù)矩陣。不需要測(cè)出陣列天線(xiàn)在多個(gè)方向上或全方向上對(duì)入射信號(hào)的響應(yīng)，簡(jiǎn)單方便，省時(shí)省力。2、本發(fā)明測(cè)量陣列天線(xiàn)陣元對(duì)入射信號(hào)的響應(yīng)，采用LMS (最小均方)算法，簡(jiǎn)單， 計(jì)算量小。對(duì)互耦矩陣，做了轉(zhuǎn)換，把一個(gè)MXM(M為陣列天線(xiàn)陣元數(shù))矩陣變成MXl矩陣， 減小了計(jì)算量。求解互耦矩陣采用最速下降法的迭代方式，簡(jiǎn)單，計(jì)算量小。


圖1是陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法工作流程圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明僅采用單點(diǎn)校正，在陣列天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)的任意方向上、任意一點(diǎn)發(fā)射校正信號(hào)，測(cè)出校正信號(hào)到陣列天線(xiàn)法線(xiàn)的入射方向、計(jì)算出校正信號(hào)到陣列天線(xiàn)各個(gè)陣元的方向向量A(用字母A表示)；校正信號(hào)源發(fā)射校正信號(hào)，采用LMS (最小均方)算法測(cè)出其他各個(gè)陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)相對(duì)于第一個(gè)陣列天線(xiàn)陣元的幅度、相位誤差，得到互耦誤差方向向量AJ用字母Ae表示)；將互耦矩陣Γ (用字母Γ表示)進(jìn)行變換并簡(jiǎn)化； 構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，求代價(jià)函數(shù)的極小值，得出互耦矩陣；最后對(duì)互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入陣列天線(xiàn)各個(gè)陣元后端的信道進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)校正。本發(fā)明包括步驟①在陣列天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)的任意方向、任意一點(diǎn)發(fā)射校正信號(hào)，計(jì)算出校正信號(hào)到陣列天線(xiàn)法線(xiàn)的入射方向，得出方向向量Α(用字母A表示)；其中，j一 n -J9 a-j2V - Μψλτ 爐= 2;r^"Sin(9，d 為陣列天線(xiàn)相鄰
陣元間距，M為陣列天線(xiàn)陣元數(shù)；②校正信號(hào)源在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射信號(hào)，取第一路陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)為基準(zhǔn)，采用 LMS(最小均方)算法測(cè)出其它各個(gè)陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)相對(duì)于第一個(gè)陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)的幅度、相位誤差，得到互耦誤差方向向量Ae (用字母Ae表示)；
③變換并簡(jiǎn)化互耦矩陣Γ (用字母Γ表示)，將互耦矩陣Γ由ΜΧΜ(Μ為陣列天線(xiàn)陣元數(shù)量)矩陣變換成MX 1矩陣；對(duì)MXM維的互耦矩陣Γ進(jìn)行變換，互耦誤差方向向量Ae約等于互耦矩陣Γ和方向向量A相乘，Ae Γ XA0引入一個(gè)MXM維矩陣A(A)(用字母A(A)表示)，它包含方向向量A的所有元素，互耦矩陣Γ與方向向量A相乘，等于引入矩陣仏㈧與互耦矩陣Γ的第一列向量Γ\(用字母表示，為MXl矩陣)相乘，ΓΧΑ = Α(Α)ΧΓε;④構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，求代價(jià)函數(shù)的梯度，采用最速下降法以迭代方式求代價(jià)函數(shù)的極小值，得出互耦矩陣，互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入信道后端；構(gòu)造公式J(r) = (Ae-Qa(A) Γ e)H (Ae-Qa (A) Γ e), J(T)為代價(jià)函數(shù)。j(r)取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的一組互耦矩陣Γ的解，即為所求互耦矩陣Γ，它滿(mǎn)足公式Ae ΓΧΑ。求代價(jià)函數(shù)J(r)的梯度▽(用字母▽表示)，
▽ = ^^ = 2Qa(A)H Qa (A)Toe - IQMf A，用最速下降法求代價(jià)函數(shù)J ( Γ )的最小值，迭
代公式Γ> + 1) =「 -;/▽ =「》-//(么⑷⑷Γ；-込⑷"次逭至收斂，將收斂時(shí)
Γ6(η+1)的系數(shù)代入互耦矩陣Γ，得到互耦矩陣；求互耦矩陣Γ的逆矩陣用字母Γ-1 表示)，將逆矩陣Γ-1的系數(shù)代入各個(gè)信道后端；完成陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正。本發(fā)明的工作過(guò)程如下1、在遠(yuǎn)場(chǎng)任一方向上放置一個(gè)信號(hào)源發(fā)射信號(hào)，測(cè)出信號(hào)源到陣列天線(xiàn)法線(xiàn)方向的入射角度，得出方向向量A。2、在陣列天線(xiàn)接收端，采用LMS算法測(cè)出各個(gè)陣列天線(xiàn)陣元的互耦誤差方向向量
Ae03、對(duì)MX M維的互耦矩陣Γ進(jìn)行變換，用互耦矩陣Γ的第一列向量Γ e與一個(gè)包含方向向量A的所有元素的MXM維引入矩陣仏㈧表示ΓΧΑ，Γ XA = Qa(A) XTe04、構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，采用最速下降法以迭代方式求代價(jià)函數(shù)的極值，得出互耦矩陣 Γ。求出互耦矩陣的逆矩陣，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入陣列天線(xiàn)陣元各個(gè)信道后端進(jìn)行處理。完成陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正。
權(quán)利要求
1.一種陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法，其特征在于包括步驟①在陣列天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)的任意方向、任意一點(diǎn)發(fā)射校正信號(hào)，計(jì)算出校正信號(hào)到陣列天線(xiàn)法線(xiàn)的入射方向，得出陣列天線(xiàn)的方向向量A(用字母A表示)；②校正信號(hào)源在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射信號(hào)，測(cè)出陣列天線(xiàn)各個(gè)陣元的輸出響應(yīng)；③變換并簡(jiǎn)化互耦矩陣Γ(用字母Γ表示)，將互耦矩陣Γ由ΜΧΜ(Μ為陣列天線(xiàn)陣元數(shù)量)矩陣變換成MXl矩陣；④構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，求代價(jià)函數(shù)的梯度，采用最速下降法以迭代方式求代價(jià)函數(shù)的極小值，得出互耦矩陣，互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入信道后端；完成陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法，其特征在于步驟②中的測(cè)出陣列天線(xiàn)各個(gè)陣元的輸出響應(yīng)，采用LMS(最小均方)算法測(cè)出其它各個(gè)陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)相對(duì)于第一路陣列天線(xiàn)陣元輸出信號(hào)的幅度、相位誤差，并定義其為互耦誤差方向向量AJ用字母Ae表示)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法，其特征在于步驟③中的將互耦矩陣Γ由MXM變換成MXl矩陣的方法，引入一個(gè)MXM維矩陣Α(Α)(用字母 Qa(A)表示)，Qa (A)包含方向向量A的所有元素，互耦矩陣Γ與方向向量A相乘ΓΧΑ，等于互耦矩陣Γ的第一列向量用字母表示，為MXl矩陣)與仏㈧相乘，Γ XA = Qa(A)Xre0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法，其特征在于步驟 ④中的構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，互耦誤差方向向量Ae近似等于互耦矩陣Γ與方向向量A的乘積 Ae^「\六，同時(shí)4 仏00\1\，構(gòu)造代價(jià)函數(shù)了(門(mén)=(Ae-Qa(A) Γ e)H (Ae-Qa (A) Γ e), J(T)為代價(jià)函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種陣列天線(xiàn)單點(diǎn)去互耦校正方法，它涉及到大型陣列天線(xiàn)互耦校準(zhǔn)的一種技術(shù)，特別適用于一維均勻線(xiàn)陣和均勻圓陣。它通過(guò)在遠(yuǎn)場(chǎng)任一方向上放置一個(gè)校正信號(hào)源發(fā)射信號(hào)，測(cè)出校正信號(hào)源到天線(xiàn)陣列法線(xiàn)方向的入射角度；校正信號(hào)源發(fā)射信號(hào)，測(cè)出各個(gè)天線(xiàn)陣元的輸出響應(yīng)；對(duì)互耦矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)化變換；構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，求出代價(jià)函數(shù)的極值，得到互耦矩陣系數(shù)；對(duì)互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入各個(gè)信道，從而實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)去互耦校正。本發(fā)明具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，操作方便，計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，只需測(cè)出天線(xiàn)陣列在任一方向的單點(diǎn)響應(yīng)，無(wú)需測(cè)出陣列天線(xiàn)的整個(gè)方向圖，特別適用于一維均勻線(xiàn)陣和均勻圓陣的大型陣列天線(xiàn)互耦校正。
文檔編號(hào)H04B7/04GK102208932SQ20111009045
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者崔焱, 桑士偉, 羅楓, 賈立哲, 郗洪杰, 高杰 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所