[发明专利]数字波束形成和相位拟合方法

说明书

本发明提出的一种数字波束形成和相位拟合方法，旨在提供一种能够抑制干扰、提升信干噪比和准确控制波束形成信号相位的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：导向矢量模型利用在线校准得到的相对导向矢量，结合参考阵元暗室测量的绝对相位响应得到准确的阵列绝对导向矢量，组合已有的绝对导向矢量拟合出导向矢量的模型参数，以此获取任意方向天线阵列的准确备用导向矢量。通过阵列信号统计量硬件计算模块迭代计算阵列信号的二阶统计量，与天线阵列导向矢量和通道响应一起送入阵列信号处算法模块，计算最优波束权值；最后阵列信号处理算法模块将最优波束权值置入数字波束形成模块，进行实时数字波束形成和相位拟合，实时处理多通道阵列数据和波束输出。

技术领域

本发明是关于在雷达、射电天文、声呐、通信、导航、测向、地震学、医学诊断和治疗等领域需要信号分离和精密相位控制应用中的数字波束成形方法。具体涉及一种天线阵列导向矢量模型的数字波束形成和相位拟合方法。

背景技术

阵列信号处理技术在过去的几十年中被广泛地应用于许多信号处理系统。它通过在空间中的不同位置放置多个传感器，从而组成所谓的传感器阵列，利用传感器阵列来接收空间信号进而对接收的信号进行特定的处理，增强感兴趣的有用信号，抑制无用的干扰和噪声或不感兴趣的信息，并提取有用的信号特征，解读信号中所包含的信息。阵列天线是提高信号接收系统抗干扰性能和生存性能的重要手段。在实际应用中，阵元的位置误差、通道的幅相不一致性、和阵元互耦效应等误差因素存在于传感器和电子电气中,导致实际阵列导向矢量与理想的阵列导向矢量不一致，严重影响波束形成处理的性能，最坏情况下会导致在期望信号方向上形成零陷，即期望信号被误当作干扰信号而受到很大的抑制。

针对阵元误差、通道一致性、阵元互耦等阵列误差因素，国内外专家学者做了大量的研究，主要可以分为以下两个研究方向：阵列校正方法和鲁棒自适应波束成形算法。阵列校正方法主要是通过己知的源信号或者阵列自校正的方法来获取阵列误差，然后根据获取的阵列误差对天线阵列进行校正。这种方法在一定程度上可以改善系统的性能，但这种方法毕竟不是实时校正，随着时间的推移，天线阵列的变化而最终失效。而鲁棒自适应波束成形算法对阵列系统中的误差不敏感，即使存在天线阵列误差的情况下仍可获得较好的系统输出信干噪比。但是，鲁棒自适应波束成形算法无法控制波束形成后的信号相位响应，使得在相位关键的应用中无法使用。

天线阵列接收导航卫星信号的多通道阵列信号处理系统,是一种借助空时域滤波提升导航卫星信号信噪比和抗干扰能力的多通道阵列信号处理系统。传统的处理方法主要是采用常规波束形成法。对于有限的阵列孔径，常规波束形成法的分辨能力受到瑞利限的限制：即对于一个确定的有限阵元构成的阵列，其最小波束宽度是一定的，而当多个信号处于同一波束宽度时，常规波束形成法不能分辨这些信号。当干扰与信号在空间的入射方向位于同一波束宽度内时，无法实现信号的接收。阵列信号处理中的自适应波束形成技术能够突破瑞利限的限制，实现对干扰信号的有效抑制，有效地提高信号的信干噪比。它们的基本原理都是将多通道数据合成为一路数据的权值设计，描述为一个优化问题，最小化合成后信号的能量，实现对干扰信号的自适应衰减。不同的地方是优化问题的约束，比如最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortion-less Response,MVDR)约束了信号入射方向的信号无失真通过，线性约束最小方差(Linear Constrained Minimum Variance,LCMV)增加了一组线性响应约束，功率倒置(Power Inversion,PI)单纯最小化波束形成后的输出功率。与鲁棒的自适应波束形成算法不同，为了得到最优的权矢量，这些自适应算法需要准确的阵列导向矢量。导航卫星信号具有到达天线处的功率低于热噪声功率、相位信息与位置关系紧密相关等特点，天线的非全向特性和通道的不一致性均会导致对导航卫星信号相位信息的破坏，不准确的天线阵列响应矢量将导致无法获得最优的权值矢量和信噪比；另一方面，更为严重的是将使得基于载波相位测量的差分卫星导航相对定位算法失效。目前基于传统自适应波束成形的天线阵列接收处理系统能够获得一定的抗干扰能力，但是破坏了导航卫星信号到达天线处的相对相位关系，使得具有高精度相对定位需求的着陆/着舰/作战引导应用无法获益。