多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向方法

李維科，韓田田，湯四龍，樊　榮，萬(wàn)　群

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航空電子信息系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610036；2.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都　611731； 3.同方電子科技有限公司， 江西 九江　332007)

?

多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向方法

李維科1，韓田田2，湯四龍3，樊榮1，萬(wàn)群2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航空電子信息系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610036；2.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都611731； 3.同方電子科技有限公司， 江西 九江332007)

針對(duì)干涉儀測(cè)向性能受多通道相位不一致性影響特別嚴(yán)重的問(wèn)題，提出了一種多通道增強(qiáng)干涉儀測(cè)向方法，利用未校正的多通道信號(hào)輔助部分校正后的通道信號(hào)進(jìn)行干涉儀測(cè)向；仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與僅利用校正后的雙通道干涉儀測(cè)向方法相比，提出的相位不一致的多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向方法具有更高的測(cè)向精度。

干涉儀測(cè)向；相位不一致；多通道增強(qiáng)本文引用格式：李維科，韓田田，湯四龍，等.多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(8):98-100.

經(jīng)過(guò)多年的大量研究，出現(xiàn)了許多各具特色的測(cè)向算法，特別是干涉儀測(cè)向方法，由于具有高精度、高靈敏度、抗干擾性強(qiáng)、工作頻率覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，在無(wú)線電測(cè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域受到了極高的關(guān)注[1]。但是實(shí)際中，當(dāng)陣列的接收通道間存在相位不一致性時(shí)，會(huì)惡化干涉儀的測(cè)向效果，無(wú)法得到有效的DOA估計(jì)，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用[2]。因此人們特別關(guān)注通道相位誤差的校正問(wèn)題[3]。

針對(duì)陣列誤差中的通道幅相誤差，A.J.Weiss 和B.Friedlander[3]提出的方法可在估計(jì)信號(hào)來(lái)波方向的同時(shí)對(duì)各陣元的通道幅相誤差進(jìn)行校正，但該方法必須滿足一定的收斂條件且對(duì)通道幅相誤差大小有要求。文獻(xiàn)[4]提出的一種盲校正方法要求入射信號(hào)服從非高斯分布，限制了該方法的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用陣列協(xié)方差矩陣的Toeplitz結(jié)構(gòu)對(duì)通道幅相誤差進(jìn)行估計(jì)，該方法使用了陣列協(xié)方差矩陣的上三角矩陣中所有對(duì)角線信息，運(yùn)算量較大[6]。

本文提出一種多通道增強(qiáng)干涉儀測(cè)向方法，該方法同樣使用全部的陣元信號(hào)信息，但是并不需要對(duì)全部的信號(hào)均進(jìn)行相位誤差校正，無(wú)需特征分解，運(yùn)算量小，且無(wú)迭代操作，不存在收斂問(wèn)題[7]，減少了校正時(shí)間，也降低了對(duì)通道相位一致性的要求。

1　通道的幅相誤差模型

設(shè)陣列信號(hào)的接收通道中，第i個(gè)通道的幅相誤差為

(1)

式(1)中，αi為通道i的幅度誤差，φi為通道i的相位誤差。理想情況下αi=1，φi=0，那么陣列的接收信號(hào)模型為

Y=GAS+N

(2)

其中，G為通道幅相誤差矩陣：

diag(·)為對(duì)角矩陣符號(hào)，αi是幅度誤差參數(shù)，φi是相位誤差參數(shù)。M為陣元數(shù)，A為信號(hào)的方向矩陣，S為信號(hào)的數(shù)據(jù)矩陣，Y為通道接收到的信號(hào)矩陣，N為噪聲矩陣，假定各個(gè)通道之間的噪聲是相互獨(dú)立的高斯白噪聲。對(duì)于不同的發(fā)射源信號(hào)以及不同的天線陣元位置，接收信號(hào)中的αi和φi不同。

下面先介紹多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向原理，再利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性，最后給出結(jié)論。

2　多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向原理

如圖1所示，M陣元均勻線陣，陣元間距為d，將陣元0作為參考陣元，其余陣元與陣元0組成的基線長(zhǎng)度分別為d0i=id,i=1,2,…,M-1，每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)的接收通道，有一遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)源s(n)入射到陣列上，入射角為θ，信號(hào)波長(zhǎng)為λ，則入射信號(hào)的方向向量為

(3)

其中k=2πdsinθ/λ。

圖1　M元均勻線陣

根據(jù)式(2)的接收信號(hào)模型，可得圖1陣列的入射信號(hào)模型為[3]

(4)

其中

vi(n)服從獨(dú)立同分布的高斯噪聲。

選擇任意兩通道，對(duì)其通道幅相誤差進(jìn)行校正。假設(shè)選擇的兩通道編號(hào)為p,q，其校正后的幅相誤差參數(shù)αp=1,φp=0，αq=1,φq=0，兩通道的幅相特性一致，設(shè)校正后幅相誤差矩陣為Ga。下面利用兩通道的輸出信號(hào)與陣列輸出的所有信號(hào)對(duì)信號(hào)的方位角進(jìn)行估計(jì)：

首先，計(jì)算互相關(guān)：

(5)

(6)

其中N為信號(hào)的快拍數(shù)。

然后，利用式(5)和式(6)可得：

(7)

最后，利用r得到信號(hào)的來(lái)波方向估計(jì)：

(8)

在上面的求解過(guò)程中，使用了全部通道的信號(hào)，但是僅需對(duì)其中的兩個(gè)通道p,q進(jìn)行了誤差校正即可實(shí)現(xiàn)有效的方位角估計(jì)。

3　仿真驗(yàn)證

由式(5)或式(6)可直接求得p和q通道的互相關(guān)為

(9)

得到信號(hào)來(lái)波方向估計(jì)

(10)

下面我們對(duì)本論文中提出的多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

式(8)中使用相位差r對(duì)方向進(jìn)行估計(jì)，r使用了所有陣元信號(hào)的信息，式(10)中使用相位差rpq對(duì)方向進(jìn)行估計(jì)，rpq僅使用了校正后的兩通道信號(hào)，下面比較式(8)多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向方法和式(10)雙通道干涉儀測(cè)向方法的測(cè)向結(jié)果。

如圖2所示，仿真中采用9陣元均勻線陣，陣元間距為λ/2，每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)一個(gè)接收通道，不考慮通道的幅度誤差，通道的相位誤差服從[0,2π]的均勻分布，信號(hào)入射角為34.3°，快拍數(shù)為64，最后兩個(gè)通道的相位誤差為

改變信噪比，由式(8)和式(10)求得兩種相位差估計(jì)的角度，并分析角度誤差。

分析圖2可知，在相同信噪比下，由式(8)所得的角度估計(jì)的均方根誤差要小于由式(10)所得的角度估計(jì)的均方根誤差，式(8)中用于估計(jì)角度的相位差r由所有的通道信號(hào)獲得，該種方法獲得的相位差測(cè)量精度要高于式(10)中的直接法。多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向法綜合利用了所有通道信號(hào)，提高了相位差的測(cè)量精度，進(jìn)而提高了測(cè)角精度。

圖3給出了不同陣元數(shù)對(duì)干涉儀測(cè)向誤差的影響，仿真條件與圖2相同，信噪比為-2 dB。分析可知，由于式(10)雙通道干涉儀測(cè)向方法僅利用校正后的兩個(gè)通道信號(hào)，因此改變陣列數(shù)并不會(huì)影響其測(cè)向精度。相比較而言，由于式(8)多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向方法采用式(7)求得的相位差進(jìn)行角度估計(jì)，利用了全部陣元的信號(hào)，增加陣元數(shù)可以有效改善其測(cè)向精度，但是卻無(wú)需增加校正時(shí)間和成本，僅對(duì)其中的兩個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行校正。

圖4給出了不同信號(hào)快拍數(shù)對(duì)干涉儀測(cè)向誤差的影響，仿真條件與圖2相同，但是信噪比為-2 dB，陣元數(shù)為9。分析圖4可知，增加信號(hào)的快拍數(shù)(由16增加到32、64、128、256、512)，兩種方法的測(cè)向精度均得到提高。在快拍數(shù)相同的情況下，式(8)多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向精度更高。

圖2　不同信噪比情況下測(cè)向誤差的比較

圖3　不同陣元數(shù)情況下測(cè)向誤差的比較

圖4　不同快拍數(shù)情況下測(cè)向誤差的比較

4　結(jié)論

針對(duì)通道相位誤差影響干涉儀測(cè)向性能的問(wèn)題，本文提出了一種多通道增強(qiáng)的干涉儀測(cè)向法，使用未校正過(guò)的信號(hào)進(jìn)行輔助測(cè)向與僅使用部分校正后的信號(hào)進(jìn)行測(cè)向相比較，輔助測(cè)向法具有更高的測(cè)向精度和穩(wěn)健性。在不同信噪比、陣元數(shù)和快拍數(shù)等情況下進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)論的正確性。

[1]李曉星，王磊.一種基于五元圓陣的星載相位干涉儀定位求解法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(2):41-43.

[2]CAO S,YE Z,XU D,et al.A Hadamard Product Based Method for DOA Estimation and Gain-Phase Error Calibration[J].IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems,2013,49(49):1224-1233.

[3]WEISS A J,FRIEDLANDER B.Eigenstructure methods for direction finding with sensor gain and phase uncertainties[J].Circuits Systems & Signal Processing,1990,9(3):271-300.

[4]KIM J,YANG H J,JUNG B W,et al.Blind Calibration for a Linear Array With Gain and Phase Error Using Independent Component Analysis[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010,9(1):1259-1262.

[5]PAULRAJ A,KAILATH T.Direction of arrival estimation by eigenstructure methods with unknown sensor gain and phase[C].IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,1985:640-643.

[6]何子述.現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：75-120.

[7]陳曉威，李彥志，張國(guó)毅.干涉儀測(cè)LFM信號(hào)方向誤差分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):119-123.

(責(zé)任編輯周江川)

Interferometer Direction Finder Enhanced by Multi-Channel

LI Wei-ke1, HAN Tian-tian2, TANG Si-long3，F(xiàn)AN Rong1， WAN Qun2

(1.Key Laboratory of Avionic Information System Technology,China Electronics Technology Group Corporation, Chengdu 610036, China;2.School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China;3.Tongfang Electronic Science and Technology Co., Ltd., Jiujiang 332007, China)

To solve the problem of inconsistency of multiple channels phase response, which has serious effect on the performance interference direction finder, this paper presented a multi-channel aided interferometer direction finding method. It was aided by multi-channel with phase inconsistency and exploited both the uncorrected multi-channel signals and corrected multi-channel signals to perform interference direction finding. The simulation results show that the proposed interferometer direction finder using multi-channel with phase inconsistency has higher accuracy of direction findingcompared with the direction finding method using only two channel interferomete.

interferometer direction finding; phase inconsistency; aided by multi-channel

2016-02-17；

2016-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(61172140)

李維科(1980—)，男，工程師，主要從事通信信號(hào)處理與雷達(dá)信號(hào)分選研究。

10.11809/scbgxb2016.08.022

format:LI Wei-ke, HAN Tian-tian, TANG Si-long，et al.Interferometer Direction Finder Enhanced by Multi-Channel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):98-100.

TN957

A

2096-2304(2016)08-0098-03

【信息科學(xué)與控制工程】