專利名稱：陣列天線單點去互耦校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型陣列天線互耦校正的一種方法，特別適用于一維均勻線陣和均勻圓陣。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的陣列天線互耦校正方法一般都是先對互耦進行電磁測量或通過電磁計算方法對互耦效應(yīng)進行分析計算，然后通過互耦的測量值或計算值對隨后的信號處理算法進行修正。但互耦的電磁測量值和計算值的精度往往并不能滿足實際的工程應(yīng)用；而且，陣元互耦還會隨環(huán)境和陣元電磁參數(shù)的變化而變化，在實際工作中還要常常對互耦的測量值和計算值進行不斷的修正。還有許多校正方法將互耦的校正轉(zhuǎn)化為一個陣列天線參數(shù)的估計問題，參數(shù)類的陣列天線校正方法通?？梢苑譃橛性葱Ｕ椒ê妥孕Ｕ椒?，有源校正方法是通過在空間設(shè)置方位精確已知的輔助信源對陣列天線參數(shù)進行離線估計，該方法不需要對信源方位進行估計，運算量相對自校正類方法要小，通常情況下要測出整個方向圖，才能得到較好的結(jié)果，對于大型陣列天線來說，一般不能提供轉(zhuǎn)臺，需要在遠場，以一定的角度間隔，一個點一個點的測量，工作量和復雜度都很大。自校正類方法通常將空間信源的方位與陣列天線的誤差參數(shù)(如互耦、幅相和位置誤差等)根據(jù)某種優(yōu)化準則(如子空間準則、最大似然準則、子空間擬合準則等)進行聯(lián)合估計。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)的陣列天線結(jié)構(gòu)(如均勻線陣)， 參數(shù)估計的唯一辨識性往往無法保證，而且參數(shù)聯(lián)合估計對應(yīng)的高維、多模非線性優(yōu)化問題帶來了龐大的運算量，參數(shù)估計的全局收斂性往往也無法保證。
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單一一點校正而測出整個陣列天線互耦的有源校正方法。在遠場放置一個信號源發(fā)射信號，測出這一點入射信號的響應(yīng)，由這一點入射信號的響應(yīng)計算出互耦矩陣，避免了有源校正中需要測出多點、甚至整個方向圖的繁瑣。本發(fā)明方法簡單，操作方便，非常適合在測試條件不具備或很困難的大型陣列天線中。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，本發(fā)明包括步驟①在陣列天線的遠場的任意方向、任意一點發(fā)射校正信號，計算出校正信號到陣列天線法線的入射方向，得出陣列天線的方向向量A (用字母A表示)；②校正信號源在遠場發(fā)射信號，測出陣列天線各個陣元的輸出響應(yīng)；③變換并簡化互耦矩陣Γ (用字母Γ表示)，將互耦矩陣Γ由ΜΧΜ(Μ為陣列天線陣元數(shù)量)矩陣變換成MX 1矩陣；④構(gòu)造代價函數(shù)，求代價函數(shù)的梯度，采用最速下降法以迭代方式求代價函數(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。完成陣列天線單點去互耦校正。
其中，步驟②中的測出陣列天線各個陣元的輸出響應(yīng)，采用LMS(最小均方)算法測出其它各個陣列天線陣元輸出信號相對于第一路陣列天線陣元輸出信號的幅度、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Ae A㈧X Γ\，構(gòu)造代價函數(shù)J(r) = (Ae-Qa(A) Γ e) H(Ae-Qa(A) re)，J(r)為代價函數(shù)。本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明僅采用單點校正，在陣列天線的遠場的任意方向上、任意一點發(fā)射校正信號，計算出校正信號到陣列天線法線的入射方向、并測出陣列天線所有陣元的輸出響應(yīng)， 得出天線陣的互耦系數(shù)矩陣。不需要測出陣列天線在多個方向上或全方向上對入射信號的響應(yīng)，簡單方便，省時省力。2、本發(fā)明測量陣列天線陣元對入射信號的響應(yīng)，采用LMS (最小均方)算法，簡單， 計算量小。對互耦矩陣，做了轉(zhuǎn)換，把一個MXM(M為陣列天線陣元數(shù))矩陣變成MXl矩陣， 減小了計算量。求解互耦矩陣采用最速下降法的迭代方式，簡單，計算量小。
圖1是陣列天線單點去互耦校正方法工作流程圖。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明僅采用單點校正，在陣列天線遠場的任意方向上、任意一點發(fā)射校正信號，測出校正信號到陣列天線法線的入射方向、計算出校正信號到陣列天線各個陣元的方向向量A(用字母A表示)；校正信號源發(fā)射校正信號，采用LMS (最小均方)算法測出其他各個陣列天線陣元輸出信號相對于第一個陣列天線陣元的幅度、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)進行變換并簡化； 構(gòu)造代價函數(shù)，求代價函數(shù)的極小值，得出互耦矩陣；最后對互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入陣列天線各個陣元后端的信道進行處理，實現(xiàn)校正。本發(fā)明包括步驟①在陣列天線的遠場的任意方向、任意一點發(fā)射校正信號，計算出校正信號到陣列天線法線的入射方向，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 為陣列天線相鄰
陣元間距，M為陣列天線陣元數(shù)；②校正信號源在遠場發(fā)射信號，取第一路陣列天線陣元輸出信號為基準，采用 LMS(最小均方)算法測出其它各個陣列天線陣元輸出信號相對于第一個陣列天線陣元輸出信號的幅度、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為陣列天線陣元數(shù)量)矩陣變換成MX 1矩陣；對MXM維的互耦矩陣Γ進行變換，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)造代價函數(shù)，求代價函數(shù)的梯度，采用最速下降法以迭代方式求代價函數(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)為代價函數(shù)。j(r)取最小值時所對應(yīng)的一組互耦矩陣Γ的解，即為所求互耦矩陣Γ，它滿足公式Ae ΓΧΑ。求代價函數(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
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)代入各個信道后端；完成陣列天線單點去互耦校正。本發(fā)明的工作過程如下1、在遠場任一方向上放置一個信號源發(fā)射信號，測出信號源到陣列天線法線方向的入射角度，得出方向向量A。2、在陣列天線接收端，采用LMS算法測出各個陣列天線陣元的互耦誤差方向向量
Ae03、對MX M維的互耦矩陣Γ進行變換，用互耦矩陣Γ的第一列向量Γ e與一個包含方向向量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)造代價函數(shù)，采用最速下降法以迭代方式求代價函數(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)帶入陣列天線陣元各個信道后端進行處理。完成陣列天線單點去互耦校正。
權(quán)利要求
1.一種陣列天線單點去互耦校正方法，其特征在于包括步驟①在陣列天線的遠場的任意方向、任意一點發(fā)射校正信號，計算出校正信號到陣列天線法線的入射方向，得出陣列天線的方向向量A(用字母A表示)；②校正信號源在遠場發(fā)射信號，測出陣列天線各個陣元的輸出響應(yīng)；③變換并簡化互耦矩陣Γ(用字母Γ表示)，將互耦矩陣Γ由ΜΧΜ(Μ為陣列天線陣元數(shù)量)矩陣變換成MXl矩陣；④構(gòu)造代價函數(shù)，求代價函數(shù)的梯度，采用最速下降法以迭代方式求代價函數(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；完成陣列天線單點去互耦校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陣列天線單點去互耦校正方法，其特征在于步驟②中的測出陣列天線各個陣元的輸出響應(yīng)，采用LMS(最小均方)算法測出其它各個陣列天線陣元輸出信號相對于第一路陣列天線陣元輸出信號的幅度、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單點去互耦校正方法，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單點去互耦校正方法，其特征在于步驟 ④中的構(gòu)造代價函數(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4 仏00\1\，構(gòu)造代價函數(shù)了(門=(Ae-Qa(A) Γ e)H (Ae-Qa (A) Γ e), J(T)為代價函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列天線單點去互耦校正方法，它涉及到大型陣列天線互耦校準的一種技術(shù)，特別適用于一維均勻線陣和均勻圓陣。它通過在遠場任一方向上放置一個校正信號源發(fā)射信號，測出校正信號源到天線陣列法線方向的入射角度；校正信號源發(fā)射信號，測出各個天線陣元的輸出響應(yīng)；對互耦矩陣進行簡化變換；構(gòu)造代價函數(shù)，求出代價函數(shù)的極值，得到互耦矩陣系數(shù)；對互耦矩陣求逆，將互耦矩陣的逆矩陣系數(shù)帶入各個信道，從而實現(xiàn)陣列天線去互耦校正。本發(fā)明具有實現(xiàn)簡單，操作方便，計算量小的優(yōu)點，只需測出天線陣列在任一方向的單點響應(yīng)，無需測出陣列天線的整個方向圖，特別適用于一維均勻線陣和均勻圓陣的大型陣列天線互耦校正。
文檔編號H04B7/04GK102208932SQ20111009045
公開日2011年10月5日 申請日期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 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所