[发明专利]一种色噪声下相控阵列电磁互耦误差校正方法

说明书

本发明涉及一种色噪声下相控阵列电磁互耦误差校正方法，属于阵列校正领域。该方法首先忽略色噪声影响，通过样本协方差矩阵特征分解获得噪声子空间估计，并利用交替迭代降秩算法得到信标方向和电磁互耦参数的粗估计；然后将电磁互耦参数粗估计作为初始值，利用协方差匹配估计技术在色噪声模型下对电磁互耦参数进行迭代估计并获得最终精确估值。校正方法只需要单个校正信标和单次校正实验，校正实验不需要在暗室中进行，也不需要精确的信标方向，适合于非暗室条件下相控阵列的电磁互耦误差校正。

技术领域

本发明属于阵列校正领域，涉及一种色噪声下相控阵列电磁互耦误差校正方法。

背景技术

相控阵列在雷达、通信等方面具有广泛的用途，例如在4G/5G以及B5G系统中相控阵列都是大幅提升通信容量的关键技术。超分辨率空间谱估计和宽带通信需要精确的相控阵列传输模型，空间谱估计理论上一般假设相控阵列具有理想的传输模型，即各天线阵元及其通道具有一致性,也就是各天线方向图一样，各通道增益(幅度/相位)一样，并且没有考虑天线阵元之间的电磁耦合效应(EMC，Electromagnetic Mutual Coupling)。但是阵列存在通道幅相不一致、EMC效应以及阵元位置误差等，导致辐射方向图偏离设定模式，这些误差将导致超分辨空间谱估计算法性能严重下降。例如EMC效应产生的互耦误差会引起邻信道干扰以及严重降低超分辨率空间谱估计性能，因此通常需要减小误差或对阵列进行校正。直接减小误差，比如说通过增大阵元间距、采用低耦合度的特殊材料以及特殊结构来降低电磁耦合影响，会增加系统成本或信号处理难度，阵列校正是更为重要的降低误差影响的解决办法。

相控阵列及其应用的多样性导致了不同的校正方法。比如按校正场合可分为出厂校正以及现场校正，按校正源存在与否可分为有源校正和自校正，按校正源与相控阵的距离远近又可分为外场法、近场法以及系统内置校正。在超分辨率空间谱估计中，通常将阵列误差模型参数化，例如将阵列流形分解为EMC参数矩阵和通道幅相参数矩阵的乘积，再利用测量数据对这些参数进行估计。天线阵元之间的EMC效应可以通过互阻抗(MutualImpedance)来表示。有多种互阻抗的计算方法，一般可使用开路电压法，也有通过定义接收互阻抗来描述互耦效应，它以负载电压而不是开路电压来计算互阻抗，取得了优于开路电压法的互耦补偿效果。

工程实践中，除了考虑校正方法的准确性外，还要考虑简便性。校正方法越简单，实现成本就越低，引入的系统误差也就越少；因此在通常环境下，借助简单的实验手段和尽量少的校正实验次数来获得准确的误差参数估计无疑具有实际意义。高斯白噪声环境下，利用单信标两次测量获得EMC参数和通道幅相参数估计的交替迭代秩损(RARE，RAnkREduction)搜索法，以及同样利用单信标两次测量进行均匀圆阵(UCA，Uniform CircularArray)EMC和通道幅相参数估计的对称方法(SM，SymmetryMethod)。对通道幅相参数，有简单方法可以直接测量，比如可以从RF端口馈入参考信源来校正通道幅相的不一致性。RARE以及SM方法需要预先对信号或者噪声特征空间进行估计，在白噪声中校正效果较好，校正实验适合在暗室环境中进行。通常环境下，系统噪声更可能为色噪声，使用特征空间的校正方法参数估计偏差较大，因此有必要设计色噪声中相控阵列的简单校正方法。协方差匹配估计技术(COMET，COvariance Matching Estimation Technique)适合于具有平稳二阶矩的随机过程，利用COMET来进行参数估计，能在大样本下获得最大似然估计结果，因此得到了大量应用；更为重要的是，COMET求解过程中加性噪声参数可用感兴趣的模型参数来表征，实现降维处理，因此特别适合色噪声中的阵列误差校正。然而COMET算法涉及多参数多峰值非凸目标函数优化，一般需要通过迭代来获得全局最优解，初始迭代值对获得正确参数估计非常重要，若初始值远离参数真值，则大概率获得的是局部最优参数估计。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种色噪声下相控阵列电磁互耦误差校正方法。适用于均匀圆阵，均匀线阵以及均匀矩形阵列，该方法只需要使用单个信标，单次校正实验，校正实验不需要在暗室中进行并且不需要精确的信标方向。