一种基于远场有源的数字相控阵通道校正方法.pdf

总第275期
舰船电子工程
Vol 37 No5
2017年第5期
Ship Elcctronic Enginccring
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种基于远场有源的数字相控阵通道校正方法
潘超张任李瑞刘思聪
(中国船舶重工集固公可第七二二研究所武汉430205)
摘要针对一维数字相控阵通道幅相误差这一问题,提出了一种基于远场有源的通道校正方法,分別采用时延检测
法和波峰检测法来估计通道的相位误差和幅度误差,并通过信号源方位角估计实验验证了该校正方法的可行性。实测数据
处理结果表明,在采用了文章提出的通道校正方法后,成功估计出了信号源的角度,且估计误差小于0.5°
关键词相控阵天线;幅度误差;相位误差;通道校正
中图分类号TN82DOI:10.39691isn.1672-9730.2017.05.029
An Active Calibration Scheme of Digital Phased Array
PAN Cha0 ZHANG Ren L Rui LIU Sicong
No 722 Rescarch Insuilulc. CSIC Wuhan 430205
A bstract Beamform performane can be sverely affected by the array channel amplitude and phasc crror. Aimming at this
question, an active calibration scheme for linear array is proposed. In this scheme, the phase error is estimated by the delay detec
tion, and the amplitude crror is estimated by the pcak dctection. The feasibility of this schcmc is verified by thc DOA(Direction
Amive)estimation. The processing resnlts of real data show that the direction of the signal source can be correctly estimated by using
the calibration scheme proposed in this paper, and the estimation error is less than 0.5 degree
Key Words phased array antenna, amplitude crror, phasc crror, channel calibration
Class Number TN82
度。整体来说,相比自校正方法,有源校正在算法
实现难度和计算复杂度上都大幅减小,因此在校正
相控阵天线能够实现波朿的定向和扫描,在雷源可用的情况下,有源校正更适合于实际应用
达和通信领域已经得到广泛的应用。良好的波束
本文基于一维线阵的数字相控阵接收天线,提
性能在很大程度上取次于陈列各通道幅相关系的出了一种基于远场有源的通道校正技术,分析了通
致性。然而在实际的相控阵天线系统中,阵元通道幅相误差的数学模型,并分别采用时延检测法和
道幅相误差的存在总是不可避免的。因此,阵元通波峰检测法来估计出通道的相位误差和幅度误
道误差的校正显得尤为必要
差。最后进行了现场数据采集,并通过信号源方位
目前已有的通道校正方法大体可分为两类:自角估计实验验证了校正方案的可行性
校正方法5和有源校正方法?。自校正方法无
需设置校正源,但此类算法计算量很大,并且可能2通道幅相误差数学模型
存在不收敛或得到局部最优的问题,在实际应用中
以一维直线阵为模型,图1展示了N元阵列示
具有较大限制。而有源类方法,在误差校正过程意图,设d为第n个天线相对于第1个天线的位
中,通过额外设置位置已知或未知的校正源,能够置,且各阵元均为各向同性阵元,于是该阵列的导
大大简化计算过程,同时具有较高的误差估计精向矢量可表示为
收稿日期:2016年11月9日,修回日期:2016年12月23日
作者筒介:潘超,男,博土,工程师,研究方向:相控阵天线技术。张任,男,硕士,工程师,研究方向:相控阵犬线技术
李方数士,工程师,研究方向:信息安全技术。刘思聪,男,倾士、高级工程师、研究方向:数据通信技术
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潘超等:一种基于远场有源的数字相控阵通道校正方法
总第275期
由式(7)可见,阵列各通道接收数据的相对幅
度和相位关系完全代表了通道的幅相误差信息,通
过接收数据即可估计出ar。通道校准后的阵列快
拍数据可表示为
X()=X(
(8
3.2相位误差估计方法
图1阵列空间位置关系示意图
相位误差采取时延检测估计法。设远场放置
的信号源s(な)为单一正弦波信号形式
s()=c0s(2/)
其中B,=y
根据式(3),第n个通道接收信号sの和第
设阵列存在通道幅相误差时的导向矢量为
个通道接收信号s(の之间可以表示如下
a e
s()=ans(-n)(10)
(3
2n/0
其中表示矩阵的 Hadamard乘积,ar为通道幅相
由此可见,相位差a可以通过估计两个正弦
误差矢量,a。和以。分别为第n个通道相对于第
波s()与s()的时延来获得。本文采用了互相关
个通道的幅度误差和相位误差
法来估计时延,设s,(の与sの的互相关函数为x(z)
阵列接收的快拍数据表示为
x(x)=EIS()*S(--)]=a,E[s()s(-て-n)】(12
X()=as()+n()
(4
可见根据互相关函数最大值所在的时间位置
其中Aの为信号复包络矢量,MO为阵列噪声て,即可估计出时延=-
矢量
33幅度误差估计方法
X()=[x(の.x2(の)…x(の
(5
幅度误差采用波峰检测估计法。设s(の)的M
(6)个波峰的幅度值为P,P2ぶ“PS、の)的M个波
峰的幅度值为qn1,9n2,…,9n,分別求取平均值
3远场有源校正方法
P1+PD2+…?+PD
(13)
3.1校正方案
n1+9n.2+?+9
图2所示为远场有源校正的示意图,在阵列远
(14
场中心处放置一信号源,此时=0°,即
则P和qっ分别近似地代表了s()和s,(の的振幅
a0=[1,1,…,y,可知a=a,此时阵列接收的快
5
拍数据为
4测试结果
7っ
クノタっ
4.1幅相误差估计
n()
图3展示8通道数字相控阵接收天线的原始采
信号源
样波形,可见各通道波形的幅度与相位均存在一定
差异。测试中连续采集了三场数据,每场数据均进
行独立的幅相误差估计,然后再将其平均值作为阵
列通道的幅相误差校正值。这里需要说明的是,各
通道原始波形采取了8倍采样,即一个周期8个采
阵列中心线
样点,若直接进行时延估计,相位误差估计的分辨
率仅为45°,这显然是不可取的。因此本方案中在
O
进行时延估计之前,对各通道波形进行