用于線性相控陣天線的空間插值方法和設備與流程
本公開涉及一種用于天線的空間插值方法和設備，并且更具體地，涉及用于線性相控陣天線的空間插值方法。
背景技術：
在過去的幾十年期間，已經對利用雷達系統檢測目標進行了許多研究。知道與目標的距離、速度和角度有關的信息對于確定目標的精確位置是至關重要的。使天線機械旋轉的方法已經被常規用于識別從目標反射的信號的到達方向(在下文中，DOA)。然而，利用相控陣天線，可以通過電導引相控陣天線的波束來估計入射信號的DOA。
在相控陣天線的情況下，用于處理大量陣列信號的概念和技術已經被建議用于同時估計多個入射信號的DOA。具體地，已經嘗試使用高分辨率角估計算法利用均勻線性相控陣天線來識別準確的DOA。然而，由于到目前為止提出的高分辨率角估計算法對接收的信號的信噪比(下文中，SNR)非常敏感，因此需要對所接收的信號進行校準以估計準確的DOA。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
(專利文獻1)韓國未審查專利申請公開No.10-2011-0080218
技術實現要素：
為了解決上述問題，根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法和設備具有以下方面。
本公開的一方面在于提供一種能夠通過利用線性相控陣天線保證精確的DOA的估計來確定目標的精確位置的用于線性相控陣天線的空間插值方法和裝置。
本公開的各方面不限于上述所提到的，并且本領域普通技術人員應當從下面的描述清楚地理解其它未提及的方面。
根據本公開的實施方式，一種用于線性相控陣天線的空間插值方法涉及一種用于包括多個發射天線單元和多個接收天線元件的線性相控陣天線的空間插值方法，并且包括以下步驟：步驟1，在該步驟中，所述多個接收天線元件接收從目標反射的反射波；步驟2，在該步驟中，使用角估計算法來估計所述反射波入射到所述多個接收天線元件上的入射角；第3步，在該步驟中，從所述多個接收天線元件當中選擇不良狀況(bad-conditioned)天線元件；以及步驟4，在該步驟中，對不良狀況天線元件的接收信號進行補償并且使用角估計算法來重新估計所述反射波入射到所述多個接收天線元件上的入射角。
優選地，步驟3包括以下步驟：步驟3-1，在該步驟中，計算由所述多個接收天線元件中的每一個接收的反射波的接收信號功率；步驟3-2，在該步驟中，將由所述多個接收天線元件中的每一個接收的反射波的接收信號功率與閾值進行比較；以及步驟3-3，在該步驟中，基于在步驟3-2中的比較的結果從所述多個接收天線元件中選擇不良狀況天線單元。
優選地，步驟4包括以下步驟：步驟4-1，在該步驟中，基于另一接收天線元件的接收信號來對不良狀況天線元件的接收信號進行補償；以及步驟4-2，在該步驟中，通過將經補償的不良狀況天線元件的接收信號反映到估計中，使用角估計算法來重新估計反射波入射到所述多個接收天線元件上的入射角。
優選地，所述角估計算法是多信號分類(MUSIC)算法或者通過旋轉不變性技術(ESPRIT)的參數估計。
根據本公開的實施方式，一種用于線性相控陣天線的空間插值裝置包括：多個接收天線元件，其接收從目標反射的反射波；入射角估計器，其估計所述反射波入射到所述多個接收天線元件上的入射角；檢測器，其基于所述反射波的入射角來從所述多個接收天線元件當中選擇不良狀況天線元件；以及補償器，其用于基于由所述檢測器選擇的結果來對所述不良狀況天線元件的接收信號進行補償，其中，所述入射角估計器基于所述不良狀況天線元件的由所述補償器補償后的接收信號來重新估計所述反射波入射到所述多個接收天線元件的入射角。
優選地，所述檢測器基于由所述多個接收天線元件中的每一個接收的反射波的接收信號功率來選擇不良狀況天線元件。
優選地，所述檢測器包括：功率計算器，其用于計算由所述多個接收天線元件中的每一個接收的反射波的接收信號功率；比較器，其將所計算的接收信號功率與閾值進行比較；以及確定器，其用于基于由所述比較器比較的結果來確定所述多個接收天線元件當中的不良狀況天線元件。
優選地，所述補償器基于另一接收天線元件的接收信號來對所述不良狀況天線元件的接收信號進行補償。
優選地，所述入射角估計器使用角估計算法來估計和重新估計反射波入射到所述多個接收天線元件上的入射角。
優選地，所述角估計算法是MUSIC算法或ESPRIT。
附圖說明
通過結合附圖對本發明的示例性實施方式進行詳細描述，本發明的以上和其它目的、特征和優點對于本領域普通技術人員而言將是更顯而易見的，其中：
圖1是按時間序列例示了根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法的流程圖；
圖2和圖3是圖1的方法的一些步驟被進一步細分并詳細說明的流程圖；以及
圖4是簡要地例示了根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值裝置的框圖。
具體實施方式
將參照附圖詳細地描述本公開的示例性實施方式。相同或相似的元件將被賦予相同的附圖標記，并且將省略重復的描述。
此外，當公知的相關技術的詳細描述被認為在描述本公開中使本發明的要旨模糊不清時，其詳細描述將被省略。另外，附圖僅用于幫助容易地理解本公開的精神，并且本公開的精神不應被解釋為受附圖限制。
在下文中，將參照圖1至圖3對根據實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法進行說明。圖1是按時間序列例示了根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法的流程圖，并且圖2和圖3是圖1的方法的一些步驟被進一步細分并詳細說明的流程圖。
根據本公開的實施方式，一種用于線性相控陣天線的空間插值方法涉及一種用于包括多個發射天線單元110和多個接收天線元件120在內的線性相控陣天線100的空間插值方法，并且如圖1中所例示的，該空間插值方法包括以下步驟：步驟1(S100)，在該步驟中，多個接收天線元件120接收反射波；步驟2(S200)，在該步驟中，估計該反射波的入射角；步驟3(S300)，在該步驟中，選擇不良狀況天線元件；以及步驟4(S400)，在該步驟中，重新估計該反射波的入射角。
具體地，在步驟1(S100)中，多個發射天線元件110向目標10發射信號，所發射的信號被目標10反射，并且接收天線元件120接收從目標10反射的反射波。此外，關于步驟1(S100)至步驟4(S400)的詳細描述，將首先在下文描述相控陣天線的接收信號的模型。
假定L個平面波利用已知的載波頻率fc從L個方向θ1,θ2,...,θL入射到以相等間隔d線性間隔開的N個接收天線元件120上。θi(i＝1,2,...,L)從面對陣列天線的前軸線開始被限定。此外，假定存在窄帶長距離源。接下來，陣列天線在時刻k所接收的信號矢量被表示為下面的式1。
[式1]
x(k)＝As(k)+n(k)＝[x1(k)，x2(k)，…，xN(k)]T
在上面的式1中，(·)T是轉置運算符，并且A＝[a(θ1),a(θ2),...,a(θL)]是由導引矢量形成的導引矩陣，a(θi)(i＝1,2,...,L)在下面的式2中被示出。
[式2]
λ是與載波頻率fc對應的波長。此外，s(k)＝[s1(k),s2(k),...,sN(k)]T是入射信號矢量，并且這里，si(K)(i＝1,2,...,L)是在時刻k來自第i個源的入射信號的復數振幅。假定振幅是零均值復高斯的并且針對各個振幅樣本是獨立的。假定n(k)是由[n1(k),n2(k),...,nN(k)]T形成的噪聲矢量，并且該噪聲矢量也是零均值復高斯的并獨立于每個樣本。相關矩陣被提供為σi2IN(i＝1，2，…，N)，并且這里，IN是N*N單位矩陣。此外，假定來自入射信號矢量和噪聲矢量的樣本彼此獨立。
在步驟1(S100)之后，執行步驟2(S200)，在該步驟中，對多個接收的反射波的入射角進行估計。角估計算法被用于入射角的估計。角估計算法包括多信號分類(MUSIC)算法、經由旋轉不變性技術(ESPRIT)的參數估計等，并且下面將主要描述使用MUSIC算法來估計反射波的入射角的實施方式。
為了使用MUSIC算法，首先，應該對上面的式1中的接收信號矢量的相關矩陣進行運算。相關矩陣由下面的式3限定。
[式3]
Rxx＝E[x(k)x(k)H]
＝AE[s(k)s(k)H]AH+ΛN
＝ARssAH+ΛN
在式3中，E[·]是隨機過程的總體平均，并且(·)H是復共軛轉置運算符。
RXX的秩遵循ARSSAH的秩，并且該秩為L。RXX的特征值可以按照在下面的式4中表達的遞減順序排列。
[式4]
λ1＞λ2＞…＞λL＞λL+1＞…＞λN
前L個特征值與信號子空間相關，而剩余的特征值與噪聲子空間相關。當各個特征值的歸一化特征矢量被給定為vi(i＝1，2，…，N)時，MUSIC算法的偽譜P(θ)被限定為下面的式5。
[式5]
這里，分母中的形成噪聲子空間，并且與入射信號正交。入射信號的估計的DOA由θ的使P(θ)的分母接近零的值來確定。然而，實際上不可能知道對于信號和噪聲的準確統計，因此難以運算式3的總體平均值。在這種情況下，當假定過程是遍歷方法時，時間平均相關矩陣在存在噪音的同時通過有限的K次測量來計算，并且被限定如下。
[式6]
應用MUSIC算法時的另一個顯著問題是如何確定入射信號的數目。然而，由于不可能精確地知道入射平面波的數目，因此通過對相關矩陣的特征值的大小進行比較來估計入射平面波的數目，或者根據經驗設置的設置值被用作入射平面波的數目。這里，設置值可以根據視場(FOV)的大小而改變，FOV是DOA被期望知道的范圍。
以上所述的與式6相關的假定被應用到步驟2(S200)，并且MUSIC算法被應用到最初接收的入射到多個接收天線元件120上的信號。
此外，如上所述，常規的MUSIC算法的性能對陣列的接收信號的SNR敏感。當所有元件的接收信號的SNR高并且幾乎彼此相等時，可以充分地操作MUSIC算法。當接收信號的SNR不一致時，存在MUSIC算法的分解性能劣化的問題。因此，需要空間插值以提高分辨率。因此，在根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法中，在步驟2(S200)之后執行步驟3(S300)以及步驟4(S400)，在步驟3(S300)中，從多個接收天線元件120中選擇不良狀況天線元件，在步驟4(S400)中，對該不良狀況天線元件的接收信號進行補償并且使用角估計算法重新估計反射波的入射角。此后，將參照圖2和圖3詳細地描述步驟3(S300)和步驟4(S400)。
如圖2中所例示，步驟3(S300)包括：步驟3-1(S310)，在該步驟中，計算反射波的接收信號功率；步驟3-2(S320)，在該步驟中，將反射波的接收信號功率與閾值進行比較；以及步驟3-3(S330)，在該步驟中，選擇不良狀況天線元件。
在步驟2(S200)中，首先測量作為反射波的接收信號的SNR。考慮到難以從所接收的信號中將期望信號和噪聲分離的事實，利用步驟3-1(S310)中的接收信號功率來替換SNR值。
因為假定入射信號來自接收等量功率的不相關的源，所以接收信號功率主要受噪聲功率水平影響。因此，SNR值在這種情況下與接收信號的功率成反比。例如，當預定天線元件具有高的噪底(noise floor)時，測量的接收信號功率高，而測得的SNR低。由于這個原因，接收信號功率被用作替代SNR值的替代參數。當第i(i＝1,2,...,N)個天線元件關于K個時間樣本的平均接收信號功率被表達為Pi時，接收信號功率矢量可以被限定為下面的式7。
[式7]
當Pi之間幾乎不存在差異時，算法可以針對兩個相鄰的入射信號估計兩個單獨的DOA(即，和)。當Pi之間存在差異時，兩個信號被整合成單個信號，并且該算法僅估計一個DOA
在步驟后3-1(S310)之后，執行步驟3-2(S320)以及步驟3-3(S330)，在步驟3-2(S320)中，針對僅一個估計的DOA將由多個接收天線元件120中的每一個接收的反射波的接收信號功率與閾值進行比較，在步驟3-3(S330)中，基于步驟3-2(S320)中的比較的結果從多個接收天線元件120中選擇不良狀況天線元件。
步驟3-2(S320)中的閾值可以是預定值，或者可以由與最大值的比率來確定。在下文中，將描述使用對分別由多個接收天線元件120接收的反射波的接收信號功率求平均來執行步驟3-2(S320)和步驟3-3(S330)的示例。
首先，針對對所有元件的Pi求平均，是按照以下的式8的一個估計的DOA。
[式8]
然后，從多個接收天線元件120當中選擇不良狀況天線元件。可以通過選擇滿足以下的式9中所示的條件的元件來選擇不良狀況天線元件。
[式9]
在上面的式9中，i*被限定為不良狀況天線元件，并且Pthr是指應該被設置的閾值功率值。此外，Pthr可以是隨機設置的值或比率，或者還可以使用與最大功率值的比率來設置。
此外，雖然上面已經描述了使用式8和式9來選擇不良狀況天線元件的實施方式，但是也可以使用諸如中值和平均最大值等這樣的其它各種統計方法來選擇不良狀況天線元件。
此外，時域中的接收信號可以利用快速傅里葉變換(FFT)被變換成頻域的接收信號，并且還可以通過對接收信號功率的峰值進行比較來選擇不良狀況天線元件。
具體地，可以選擇由多個天線元件接收的具有接收信號功率的峰值的頻帶，并且，通過對該頻帶中的接收信號功率的峰值彼此進行比較，可以選擇接收到具有這些峰值當中的相對最小峰值的接收信號功率的天線元件作為不良狀況天線元件。
與此不同，時域的接收信號可以利用FFT變換成頻域的接收信號，可以針對各個天線元件對峰值附近的周邊值的最低水平與接收信號功率的峰值之間的差進行比較，并且可以選擇具有最小差的天線元件作為不良狀況天線元件，或者可以預置預定的基準值并且可以選擇周邊值的最低水平和峰值之間的差為該基準值或更小的天線元件作為不良狀況天線元件。這里，可以利用對除峰值以外的周邊值求平均來計算周邊值的最低水平。
當如上面那樣選擇不良狀況天線元件時，執行重新估計反射波的入射角的步驟4(S400)。如圖3中所例示，步驟4(S400)可以被劃分成：步驟4-1(S410)，其中對不良狀況天線元件的接收信號進行補償；以及步驟4-2(S420)，其中基于經補償的不良狀況天線元件的接收信號來重新估計反射波的入射角。
具體地，步驟4-1(S410)基于另一接收天線元件的接收信號對不良狀況天線元件的接收信號進行補償。在下文中，將描述基于與不良狀況天線元件相鄰的兩個天線元件的接收信號來對不良狀況天線元件的接收信號進行補償的示例。
來自第i*元件的K個時間采樣的接收信號被表達如下。
[式10]
這里，如參照式1描述的，是由第i*元件在時刻k接收到的接收信號。信號矢量具有比剩余的信號矢量低的SNR。因此，當被修改時，MUSIC算法的分辨率性能提高。通過使用從第(i*-1)元件和第(i*+1)元件接收到的信號矢量，可以被修改為如下面的式11所示的
[式11]
這里，是在步驟2(S200)中估計的DOA。當兩個信號s1(k)和s2(k)從方向θ1和θ2入射到陣列上時，和被表達為下面的式12。
[式12]
因此，當兩個信號源彼此非常接近時，建立根據式13的關系。
[式13]
依據式13，式11適合于對接收信號進行插值，并且因此，被變換為
如圖3中例示，在如上所述對不良狀況天線元件的接收信號進行補償之后，執行步驟4-2(S420)，其中通過將經補償的不良狀況天線元件的接收信號反映到估計中，使用角估計算法來重新估計反射波入射到多個接收天線元件120的入射角。在下文中，將描述如在步驟2(S200)那樣應用MUSIC算法來重新估計當步驟4-2(S420)被執行時反射波的入射角的示例。
首先，在步驟4-1(S410)中新生成的信號矢量被用來生成如同下面的式14表達的新的相關矩陣
[式14]
通過使用新生成的相關矩陣以應用MUSIC算法，來對特征值分解進行處理。然后，使用式5中的MUSIC算法的偽譜來估計新的DOA。另一方面，當所選擇的第i*元件是陣列的第一個元件或最后一個元件時，優選地使用一個相鄰的接收信號矢量。
在下文中，將參照圖4描述根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值裝置，同時將省略與根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法的以上描述重復的內容。
如圖4中例示，根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值裝置包括多個接收天線元件120、入射角估計器200、檢測器300和補償器400。
多個接收天線元件120是被如下配置的：該配置與發射天線單元110中的多個線性相控陣天線100一起被設置，并且執行接收由從多個發射天線元件110發射的信號產生的正被目標10反射的反射波的功能。
入射角估計器200是被如下配置的：該配置估計反射波入射到接收天線元件120上的入射角，并且通過使用角估計算法來執行估計反射波入射到接收天線元件120上的入射角的功能。MUSIC算法可以被用作角度估計算法。
檢測器300是被如下配置的：該配置執行基于由入射角估計器200估計的反射波的入射角在多個接收天線元件120當中選擇不良狀況天線元件的功能。具體地，檢測器300可以基于由多個接收天線元件120中的每一個接收的反射波的接收信號功率來選擇不良狀況天線元件。為了執行該功能，檢測器300還可以被配置有功率計算器310、比較器320和確定器330。功率計算器310計算由多個接收天線元件120中的每一個接收到的反射波的接收信號功率，比較器320將所計算的接收信號功率與閾值進行比較，并且確定器330基于比較器320的比較的結果來確定多個接收天線元件120當中的不良狀況天線元件。
補償器400對所選擇的不良狀況天線元件的接收信號進行補償，并且因為已經給出了根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值方法的描述，所以將省略對其的詳細描述。
此外，在根據本公開的實施方式的用于線性相控陣天線的空間插值設備中，入射角估計器200通過將不良狀況天線元件的由補償器400補償的接收信號反映到估計中來重新估計反射波入射到接收天線元件120上的入射角。如上所述，可以應用諸如MUSIC算法這樣的高分辨率角估計算法來估計反射波的入射角。
因此，當入射角估計器200第一次估計反射波的入射角時，檢測器300使用所估計的入射角來選擇不良狀況天線元件，補償器400對不良狀況天線元件的接收信號進行補償，并且入射角估計器200通過將經補償的不良狀況天線元件的接收信號反映到估計中來第二次估計反射波的入射角，入射信號的入射角可以利用精細且高的分辨率來計算。
根據本公開的實施方式，用于線性相控陣天線的空間插值方法和設備通過使用角估計算法來估計反射波的入射角，當正在估計反射波的入射角時選擇處于不良狀況的天線元件，并且對所選擇的天線元件的接收信號進行插值以重新估計反射波的入射角，因此提高DOA估計算法的分辨率性能。
本公開的有利效果不限于以上提及的效果，并且本領域普通技術人員應該從上面的描述清楚地理解其它未提及的有利效果。
本文中所描述的實施方式和附圖僅僅示意性地描述了屬于本公開的技術精神的一部分。因此，由于本文中所公開的實施方式是用于描述而不是限制本公開的技術精神，應該不言而喻的是，本公開的技術精神的范圍不受所述實施方式限制。可以由本領域普通技術人員容易地在包含在本公開的說明書和附圖中的技術精神的范圍內推斷出的改進的示例和具體實施方式都應該被解釋為屬于本公開的范圍。
[標號說明]
10：目標 100：線性相控陣天線
110：發射天線元件 120：接收天線單元
200：入射角估計器 300：檢測器
310：功率計算器 320：比較器
330：確定器 400：補償器
相關申請的交叉引用
本申請要求于2015年9月1日申請的韓國專利申請No.10-2015-0123802的優先權和利益，該韓國專利申請的公開內容通過引用方式被完整地并入到本文中。
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