專利名稱：一種電磁矢量傳感器陣列耦合誤差的自校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁矢量傳感器誤差校正技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及電磁矢量傳感器陣列耦合誤差的自校正方法。
背景技術(shù)：
空間電磁信號是包含電場和磁場的六維復矢量信號，電磁矢量傳感器陣列能夠獲取電磁信號的極化信息，電磁波極化信息的開發(fā)和利用，可以有效提高雷達系統(tǒng)在抗干擾、 目標識別、探測、跟蹤等方面的能力。如圖1所示，為電磁矢量傳感器陣列示意圖，每一電磁矢量傳感器系統(tǒng)均由中心位置重合的三個正交電偶極子和三個正交的小磁環(huán)構(gòu)成，可分別測量入射電磁波的三個電場和三個磁場，即可以獲取入射電磁波的全部信息。和普通陣列相比，電磁矢量傳感器陣列具有以下優(yōu)越的系統(tǒng)性能較強的抗干擾能力、穩(wěn)健的檢測能力、較高的分辨能力以及極化多址能力，由于這些優(yōu)越的性能使得電磁矢量傳感器陣列在軍事、民事方面具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景，近年來電磁矢量傳感器陣列信號處理已經(jīng)成為陣列信號處理的研究熱點。目前，在標量天線陣列的耦合誤差校正方面國內(nèi)外學者已做了大量的研究，標量天線陣列的陣元輸出為反映信號強度和絕對相位的復幅度，它僅是到達角的函數(shù)，電磁矢量傳感器感應(yīng)的是信號的電磁場矢量，電磁場矢量是包含到達角和極化角的四維參數(shù)，且電磁矢量傳感器耦合誤差矩陣不具有標量天線陣列耦合誤差矩陣的托普利茨(Toeplitz) 矩陣或循環(huán)矩陣等特殊矩陣結(jié)構(gòu)，所以標量天線陣列的耦合誤差校正方法不能應(yīng)用于電磁矢量傳感器陣列?；谝陨显颍仨殢碾姶攀噶總鞲衅麝嚵械膶嶋H結(jié)構(gòu)出發(fā)，開展電磁矢量傳感器陣列誤差校正技術(shù)的研究。對于很多子空間類高分辨技術(shù)，如旋轉(zhuǎn)子空間不變算法，多重信號分類算法等，當存在陣列誤差時，高分辨技術(shù)的性能會顯著下降甚至完全失效，因此在應(yīng)用這些高分辨技術(shù)之前，電磁矢量傳感器的誤差必須得到有效地校正。在電磁矢量天線誤差校正方面，K.T，Wong首次提出了原位誤差的數(shù)學模型，并利用三個到達方向已知的校正源估計原位誤差。隨后黃家才和張銳戈進一步完善了 K. T，Wong的原位誤差估計算法，王蘭美等在幅相誤差的研究方面做了開拓性的工作。遺憾的是，上述方法都無法校正電磁矢量傳感器陣列的耦合誤差。到目前為止，國內(nèi)外還沒有關(guān)于電磁矢量傳感器陣列耦合誤差校正的研究報道。為了把子空間類高分辨技術(shù)應(yīng)用于電磁矢量傳感器陣列系統(tǒng)中，電磁矢量傳感器陣列的耦合誤差校正是必不可少的環(huán)節(jié)，因此開展電磁矢量傳感器陣列的耦合誤差校正具有重要的實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決電磁矢量傳感器陣列存在耦合誤差的問題，提供了一種利用理想電磁矢量傳感器作為輔助陣元的電磁矢量傳感器陣列耦合誤差自校正方法，能夠?qū)﹄姶攀噶總鞲衅麝嚵械鸟詈险`差進行有效的校正。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案
一種電磁矢量傳感器陣列耦合誤差的自校正方法，包括以下步驟一、將一個位于坐標原點的理想電磁矢量傳感器作為輔助陣元與L-I個待校正電磁矢量傳感器構(gòu)成接收陣列，接收陣列接收任意一窄帶、遠場、完全極化橫電磁波信號，在 、時刻，接收陣列的輸出信號為 =(OT
(0] 式中的^ai)表示理想電磁矢量傳感器的輸出信號，ZiU1)表示第i個電磁矢量傳感器的輸出信號，[· ？表示轉(zhuǎn)置操作，Sa1)表示到達坐標原點的接收信號，Na1) 表示接收陣列輸出的6LX1加性高斯白噪聲矢量，b為6LX1的信號導向矢量，其中，
b
Κ,^λ]1
，Qi為接收信號在第i個電磁矢量傳感器和原點間的相位差，a0
為信號真實的電磁場矢量，a' 存在耦合誤差的電磁場矢量，徹和“i都是6X1的矢量，且滿足a丨=Afa。，Α『為第i個待校正電磁矢量傳感器的耦合誤差矩陣；二、對步驟一得到的輸出信號進行采樣并計算自相關(guān)矩陣R R = E[z(i1)z//(i1)] = bRsbH + σ2Ι其中，Ε[·]表示統(tǒng)計平均，(·)Η表示轉(zhuǎn)置復共軛操作，^ZEtsaDsH^)]為入射信號的自相關(guān)函數(shù)，O 2是白噪聲功率，I是6LX6L的單位矩陣；三、對自相關(guān)矩陣R進行特征分解，利用子空間方法得到入射信號的真實的電磁場矢量估計值δ和存在耦合誤差的電磁場矢量估計值^ 自相關(guān)矩陣R的最大特征值對應(yīng)的特征矢量為Es，由子空間理論知ES = 5b, δ 為一復常數(shù)，根據(jù)信號導向矢量b與真實的電磁場矢量和存在耦合誤差的電磁場矢量 a' i的關(guān)系，真實的電磁場矢量估計值δ = <5a0 =EJl: 6]，存在耦合誤差的電磁場矢量估計值 ai =5ai =iEJ6/:6(/ + l)]，因為a; = Afa。，所以=AfS ；四、利用步驟三得到的真實的電磁場矢量估計值δ和存在耦合誤差的電磁場矢量估計值<，通過矩陣運算求耦合誤差變量，從而得到耦合誤差矩陣Af，當電磁矢量傳感器僅存在耦合誤差時，耦合誤差矩陣Af可表示為 K =
4C1C1B,D1D1C ιA ιC IDiB ιD ιC ιC ιA ιDiDiBiB1D1D14C1C1D1B1D1C1AC1D1AB1C1C1A
式中的Ai, Bi, Ci, Di為大小不等的耦合誤差變量， 利用關(guān)系式 丨=Afa，得到耦合誤差變量Ai, Bi, Ci, Di的估計值
4 C1 B1 Di"a(l)a(2) + a(3)
5(2)a(l) + a(3)
5(3)5(1) + 5(2)
a(4)a(5) + a(6)
a(5)a(4) + a(6)
a(6)a(4) + a(5)
a(4)a(5) + a(6)"
a(5)5(4) + 5(6)
a(6)a(4)+ a(5)
5(1)a(2) + a(3)
a(2)a(l) + a(3)
a(3)5(1) + 5(2)
式中[· ]#表示偽逆矩陣，δ(1),_··δ(6)為真實的電磁場矢量估計值a的六個分量；五、計算由步驟四得到的耦合誤差矩陣的逆矩陣(Af)-1，然后將第i個待校正電磁矢量傳感器的輸出信號ZiU1)左乘耦合誤差矩陣的逆矩陣(Af)-1，從而得到校正后的輸出信號$ (^1) ,BPzi (^1) = (A「)—1 Zi (^1)；前述步驟中的 i = 1，…，L-I。本發(fā)明方法通過附加一個理想的電磁矢量傳感器作為輔助陣元，對電磁矢量傳感器陣列耦合誤差進行自校正，首先將輔助陣元和待校正電磁矢量傳感器陣列構(gòu)成接收陣列，接收遠場完全極化橫電磁波信號數(shù)據(jù)，其次計算采樣數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣，再次通過子空間方法估計信號的真實電磁場矢量估計值和存在誤差時的電磁場矢量的估計值，然后利用得到的真實電磁場矢量和存在誤差時的電磁場矢量估計，最后將待校正電磁矢量傳感器的接收數(shù)據(jù)左乘耦合誤差矩陣的逆矩陣，從而實現(xiàn)耦合誤差的校正，經(jīng)陣列校正后可保持高分辨算法的優(yōu)越性能。本發(fā)明方法與傳統(tǒng)陣列誤差校正技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明方法在估計耦合誤差矩陣時，通過矩陣變換運算，將耦合誤差矩陣的求解轉(zhuǎn)化為求解矩陣中的少數(shù)幾個耦合誤差變量，簡化了求解過程，降低了計算量；2、本發(fā)明方法通過子空間方法，可以同時估計信號的真實電磁場矢量和存在耦合誤差的電磁場矢量，具有較高的耦合誤差估計精度，同時不需要額外的配對運算和搜索運算，計算量小；3、本發(fā)明方法只需要已知所有電磁矢量傳感器的空間坐標，利用接收陣列接收任一個參數(shù)未知的橫電磁波信號，就可以估計和校正在空間任意排布的電磁矢量傳感器陣列的所有陣元的耦合誤差，并且還能估計目標信號的到達角和極化角參數(shù)。


圖1為電磁矢量傳感器陣列的示意圖；圖2為本發(fā)明方法的流程示意圖；圖3為本發(fā)明耦合誤差變量估計的標準偏差圖；圖4為本發(fā)明的目標的俯仰角估計的結(jié)果對比圖；圖5為本發(fā)明的目標的方位角估計的結(jié)果對比圖；圖6為本發(fā)明的目標的方位角估計的標準偏差圖；圖7為本發(fā)明的目標的俯仰角估計的標準偏差圖。下面結(jié)合附圖和各實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。
具體實施例方式參照圖2所示，圖2為本發(fā)明的流程圖，在假定電磁矢量傳感器僅存在耦合誤差， 即電磁矢量傳感器的六個通道的幅度和相位都相同的情況下，通過附加一個輔助陣元(理想電磁矢量傳感器)對電磁矢量傳感器陣列的耦合誤差進行自校正，自校正方法的具體實施步驟如下一、將一個位于坐標原點的理想電磁矢量傳感器作為輔助陣元與L-I個待校正電磁矢量傳感器構(gòu)成接收陣列，接收陣列接收任意一窄帶、遠場、完全極化橫電磁波信號，在 、時刻，接收陣列的輸出信號為
權(quán)利要求
1. 一種電磁矢量傳感器陣列耦合誤差的自校正方法，其特征在于，包括以下步驟 一、將一個位于坐標原點的理想電磁矢量傳感器作為輔助陣元與L-I個待校正電磁矢量傳感器構(gòu)成接收陣列，接收陣列接收任意一窄帶、遠場、完全極化橫電磁波信號，在、時刻，接收陣列的輸出信號為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁矢量傳感器陣列耦合誤差的自校正方法，該方法通過附加一理想的電磁矢量傳感器作為輔助陣元，和待校正電磁矢量傳感器陣列構(gòu)成接收陣列，接收遠場完全極化橫電磁波信號數(shù)據(jù)，計算采樣數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣，通過子空間方法估計信號的真實電磁場矢量和存在誤差時的電磁場矢量，利用得到的真實電磁場矢量估計值和存在誤差時的電磁場矢量估計值估計耦合誤差變量，根據(jù)耦合誤差變量構(gòu)造耦合誤差矩陣并計算其逆矩陣，將待校正電磁矢量傳感器的接收數(shù)據(jù)左乘耦合誤差矩陣的逆矩陣，實現(xiàn)耦合誤差的校正。本發(fā)明方法求解過程簡單，計算量小，可估計信號的真實電磁場矢量和存在耦合誤差的電磁場矢量，具有較高的耦合誤差估計精度。
文檔編號G01R35/00GK102401888SQ20111024787
公開日2012年4月4日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者弓樹宏, 張鵬華, 王蘭美, 王桂寶, 陶海紅 申請人:西安電子科技大學