[發(fā)明專利]數(shù)字波束形成和相位擬合方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710405696.X
• 申請(qǐng)日: 2017-06-01
• 公開（公告）號(hào): CN107356943B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李陽(yáng);康榮雷;甘明;王海硯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南電子技術(shù)研究所（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所）
• 主分類號(hào): G01S19/21
• 分類號(hào): G01S19/21;G01S19/23
• 代理公司: 成飛(集團(tuán))公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發(fā)明提出的一種數(shù)字波束形成和相位擬合方法，旨在提供一種能夠抑制干擾、提升信干噪比和準(zhǔn)確控制波束形成信號(hào)相位的方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：導(dǎo)向矢量模型利用在線校準(zhǔn)得到的相對(duì)導(dǎo)向矢量，結(jié)合參考陣元暗室測(cè)量的絕對(duì)相位響應(yīng)得到準(zhǔn)確的陣列絕對(duì)導(dǎo)向矢量，組合已有的絕對(duì)導(dǎo)向矢量擬合出導(dǎo)向矢量的模型參數(shù)，以此獲取任意方向天線陣列的準(zhǔn)確備用導(dǎo)向矢量。通過陣列信號(hào)統(tǒng)計(jì)量硬件計(jì)算模塊迭代計(jì)算陣列信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)量，與天線陣列導(dǎo)向矢量和通道響應(yīng)一起送入陣列信號(hào)處算法模塊，計(jì)算最優(yōu)波束權(quán)值；最后陣列信號(hào)處理算法模塊將最優(yōu)波束權(quán)值置入數(shù)字波束形成模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字波束形成和相位擬合，實(shí)時(shí)處理多通道陣列數(shù)據(jù)和波束輸出。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于在雷達(dá)、射電天文、聲吶、通信、導(dǎo)航、測(cè)向、地震學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和治療等領(lǐng)域需要信號(hào)分離和精密相位控制應(yīng)用中的數(shù)字波束成形方法。具體涉及一種天線陣列導(dǎo)向矢量模型的數(shù)字波束形成和相位擬合方法。

背景技術(shù)

陣列信號(hào)處理技術(shù)在過去的幾十年中被廣泛地應(yīng)用于許多信號(hào)處理系統(tǒng)。它通過在空間中的不同位置放置多個(gè)傳感器，從而組成所謂的傳感器陣列，利用傳感器陣列來接收空間信號(hào)進(jìn)而對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，增強(qiáng)感興趣的有用信號(hào)，抑制無用的干擾和噪聲或不感興趣的信息，并提取有用的信號(hào)特征，解讀信號(hào)中所包含的信息。陣列天線是提高信號(hào)接收系統(tǒng)抗干擾性能和生存性能的重要手段。在實(shí)際應(yīng)用中，陣元的位置誤差、通道的幅相不一致性、和陣元互耦效應(yīng)等誤差因素存在于傳感器和電子電氣中,導(dǎo)致實(shí)際陣列導(dǎo)向矢量與理想的陣列導(dǎo)向矢量不一致，嚴(yán)重影響波束形成處理的性能，最壞情況下會(huì)導(dǎo)致在期望信號(hào)方向上形成零陷，即期望信號(hào)被誤當(dāng)作干擾信號(hào)而受到很大的抑制。

針對(duì)陣元誤差、通道一致性、陣元互耦等陣列誤差因素，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者做了大量的研究，主要可以分為以下兩個(gè)研究方向：陣列校正方法和魯棒自適應(yīng)波束成形算法。陣列校正方法主要是通過己知的源信號(hào)或者陣列自校正的方法來獲取陣列誤差，然后根據(jù)獲取的陣列誤差對(duì)天線陣列進(jìn)行校正。這種方法在一定程度上可以改善系統(tǒng)的性能，但這種方法畢竟不是實(shí)時(shí)校正，隨著時(shí)間的推移，天線陣列的變化而最終失效。而魯棒自適應(yīng)波束成形算法對(duì)陣列系統(tǒng)中的誤差不敏感，即使存在天線陣列誤差的情況下仍可獲得較好的系統(tǒng)輸出信干噪比。但是，魯棒自適應(yīng)波束成形算法無法控制波束形成后的信號(hào)相位響應(yīng)，使得在相位關(guān)鍵的應(yīng)用中無法使用。

天線陣列接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多通道陣列信號(hào)處理系統(tǒng),是一種借助空時(shí)域?yàn)V波提升導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)信噪比和抗干擾能力的多通道陣列信號(hào)處理系統(tǒng)。傳統(tǒng)的處理方法主要是采用常規(guī)波束形成法。對(duì)于有限的陣列孔徑，常規(guī)波束形成法的分辨能力受到瑞利限的限制：即對(duì)于一個(gè)確定的有限陣元構(gòu)成的陣列，其最小波束寬度是一定的，而當(dāng)多個(gè)信號(hào)處于同一波束寬度時(shí)，常規(guī)波束形成法不能分辨這些信號(hào)。當(dāng)干擾與信號(hào)在空間的入射方向位于同一波束寬度內(nèi)時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收。陣列信號(hào)處理中的自適應(yīng)波束形成技術(shù)能夠突破瑞利限的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的有效抑制，有效地提高信號(hào)的信干噪比。它們的基本原理都是將多通道數(shù)據(jù)合成為一路數(shù)據(jù)的權(quán)值設(shè)計(jì)，描述為一個(gè)優(yōu)化問題，最小化合成后信號(hào)的能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的自適應(yīng)衰減。不同的地方是優(yōu)化問題的約束，比如最小方差無失真響應(yīng)(Minimum Variance Distortion-less Response,MVDR)約束了信號(hào)入射方向的信號(hào)無失真通過，線性約束最小方差(Linear Constrained Minimum Variance,LCMV)增加了一組線性響應(yīng)約束，功率倒置(Power Inversion,PI)單純最小化波束形成后的輸出功率。與魯棒的自適應(yīng)波束形成算法不同，為了得到最優(yōu)的權(quán)矢量，這些自適應(yīng)算法需要準(zhǔn)確的陣列導(dǎo)向矢量。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)具有到達(dá)天線處的功率低于熱噪聲功率、相位信息與位置關(guān)系緊密相關(guān)等特點(diǎn)，天線的非全向特性和通道的不一致性均會(huì)導(dǎo)致對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)相位信息的破壞，不準(zhǔn)確的天線陣列響應(yīng)矢量將導(dǎo)致無法獲得最優(yōu)的權(quán)值矢量和信噪比；另一方面，更為嚴(yán)重的是將使得基于載波相位測(cè)量的差分衛(wèi)星導(dǎo)航相對(duì)定位算法失效。目前基于傳統(tǒng)自適應(yīng)波束成形的天線陣列接收處理系統(tǒng)能夠獲得一定的抗干擾能力，但是破壞了導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)天線處的相對(duì)相位關(guān)系，使得具有高精度相對(duì)定位需求的著陸/著艦/作戰(zhàn)引導(dǎo)應(yīng)用無法獲益。