一种电磁矢量传感器阵列耦合误差的自校正方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁矢量传感器阵列耦合误差的自校正方法，该方法通过附加一理想的电磁矢量传感器作为辅助阵元，和待校正电磁矢量传感器阵列构成接收阵列，接收远场完全极化横电磁波信号数据，计算采样数据的自相关矩阵，通过子空间方法估计信号的真实电磁场矢量和存在误差时的电磁场矢量，利用得到的真实电磁场矢量估计值和存在误差时的电磁场矢量估计值估计耦合误差变量，根据耦合误差变量构造耦合误差矩阵并计算其逆矩阵，将待校正电磁矢量传感器的接收数据左乘耦合误差矩阵的逆矩阵，实现耦合误差的校正。本发明专利技术方法求解过程简单，计算量小，可估计信号的真实电磁场矢量和存在耦合误差的电磁场矢量，具有较高的耦合误差估计精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁矢量传感器误差校正
，尤其涉及电磁矢量传感器阵列耦合误差的自校正方法。
技术介绍
空间电磁信号是包含电场和磁场的六维复矢量信号，电磁矢量传感器阵列能够获取电磁信号的极化信息，电磁波极化信息的开发和利用，可以有效提高雷达系统在抗干扰、 目标识别、探测、跟踪等方面的能力。如图1所示，为电磁矢量传感器阵列示意图，每一电磁矢量传感器系统均由中心位置重合的三个正交电偶极子和三个正交的小磁环构成，可分别测量入射电磁波的三个电场和三个磁场，即可以获取入射电磁波的全部信息。和普通阵列相比，电磁矢量传感器阵列具有以下优越的系统性能较强的抗干扰能力、稳健的检测能力、较高的分辨能力以及极化多址能力，由于这些优越的性能使得电磁矢量传感器阵列在军事、民事方面具有重要的应用价值和广泛的应用前景，近年来电磁矢量传感器阵列信号处理已经成为阵列信号处理的研究热点。目前，在标量天线阵列的耦合误差校正方面国内外学者已做了大量的研究，标量天线阵列的阵元输出为反映信号强度和绝对相位的复幅度，它仅是到达角的函数，电磁矢量传感器感应的是信号的电磁场矢量，电磁场矢量是包含到达角和极化角的四维参数，且电磁矢量传感器耦合误差矩阵不具有标量天线阵列耦合误差矩阵的托普利茨(Toeplitz) 矩阵或循环矩阵等特殊矩阵结构，所以标量天线阵列的耦合误差校正方法不能应用于电磁矢量传感器阵列。基于以上原因，必须从电磁矢量传感器阵列的实际结构出发，开展电磁矢量传感器阵列误差校正技术的研究。对于很多子空间类高分辨技术，如旋转子空间不变算法，多重信号分类算法等，当存在阵列误差时，高分辨技术的性能会显著下降甚至完全失效，因此在应用这些高分辨技术之前，电磁矢量传感器的误差必须得到有效地校正。在电磁矢量天线误差校正方面，K.T，Wong首次提出了原位误差的数学模型，并利用三个到达方向已知的校正源估计原位误差。随后黄家才和张锐戈进一步完善了 K. T，Wong的原位误差估计算法，王兰美等在幅相误差的研究方面做了开拓性的工作。遗憾的是，上述方法都无法校正电磁矢量传感器阵列的耦合误差。到目前为止，国内外还没有关于电磁矢量传感器阵列耦合误差校正的研究报道。为了把子空间类高分辨技术应用于电磁矢量传感器阵列系统中，电磁矢量传感器阵列的耦合误差校正是必不可少的环节，因此开展电磁矢量传感器阵列的耦合误差校正具有重要的实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决电磁矢量传感器阵列存在耦合误差的问题，提供了一种利用理想电磁矢量传感器作为辅助阵元的电磁矢量传感器阵列耦合误差自校正方法，能够对电磁矢量传感器阵列的耦合误差进行有效的校正。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术解决方案，包括以下步骤一、将一个位于坐标原点的理想电磁矢量传感器作为辅助阵元与L-I个待校正电磁矢量传感器构成接收阵列，接收阵列接收任意一窄带、远场、完全极化横电磁波信号，在 、时刻，接收阵列的输出信号为 =(OT(0] 式中的^ai)表示理想电磁矢量传感器的输出信号，ZiU1)表示第i个电磁矢量传感器的输出信号，[· ？表示转置操作，Sa1)表示到达坐标原点的接收信号，Na1) 表示接收阵列输出的6LX1加性高斯白噪声矢量，b为6LX1的信号导向矢量，其中，bΚ,^λ]1，Qi为接收信号在第i个电磁矢量传感器和原点间的相位差，a0为信号真实的电磁场矢量，a' 存在耦合误差的电磁场矢量，彻和“i都是6X1的矢量，且满足a丨=Afa。，Α『为第i个待校正电磁矢量传感器的耦合误差矩阵；二、对步骤一得到的输出信号进行采样并计算自相关矩阵R R = E = bRsbH + σ2Ι其中，Ε表示统计平均，(·)Η表示转置复共轭操作，^ZEtsaDsH^)]为入射信号的自相关函数，O 2是白噪声功率，I是6LX6L的单位矩阵；三、对自相关矩阵R进行特征分解，利用子空间方法得到入射信号的真实的电磁场矢量估计值δ和存在耦合误差的电磁场矢量估计值^ 自相关矩阵R的最大特征值对应的特征矢量为Es，由子空间理论知ES = 5b, δ 为一复常数，根据信号导向矢量b与真实的电磁场矢量和存在耦合误差的电磁场矢量 a' i的关系，真实的电磁场矢量估计值δ = <5a0 =EJl: 6]，存在耦合误差的电磁场矢量估计值 ai =5ai =iEJ6/:6(/ + l)]，因为a; = Afa。，所以=AfS ；四、利用步骤三得到的真实的电磁场矢量估计值δ和存在耦合误差的电磁场矢量估计值<，通过矩阵运算求耦合误差变量，从而得到耦合误差矩阵Af，当电磁矢量传感器仅存在耦合误差时，耦合误差矩阵Af可表示为 K =4C1C1B,D1D1C ιA ιC IDiB ιD ιC ιC ιA ιDiDiBiB1D1D14C1C1D1B1D1C1AC1D1AB1C1C1A式中的Ai, Bi, Ci, Di为大小不等的耦合误差变量， 利用关系式 丨=Afa，得到耦合误差变量Ai, Bi, Ci, Di的估计值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#表示伪逆矩阵，δ(1),_··δ(6)为真实的电磁场矢量估计值a的六个分量；五、计算由步骤四得到的耦合误差矩阵的逆矩阵(Af)-1，然后将第i个待校正电磁矢量传感器的输出信号ZiU1)左乘耦合误差矩阵的逆矩阵(Af)-1，从而得到校正后的输出信号$ (^1) ,BPzi (^1) = (A「)—1 Zi (^1)；前述步骤中的 i = 1，…，L-I。本专利技术方法通过附加一个理想的电磁矢量传感器作为辅助阵元，对电磁矢量传感器阵列耦合误差进行自校正，首先将辅助阵元和待校正电磁矢量传感器阵列构成接收阵列，接收远场完全极化横电磁波信号数据，其次计算采样数据的自相关矩阵，再次通过子空间方法估计信号的真实电磁场矢量估计值和存在误差时的电磁场矢量的估计值，然后利用得到的真实电磁场矢量和存在误差时的电磁场矢量估计，最后将待校正电磁矢量传感器的接收数据左乘耦合误差矩阵的逆矩阵，从而实现耦合误差的校正，经阵列校正后可保持高分辨算法的优越性能。本专利技术方法与传统阵列误差校正技术相比，具有以下优点1、本专利技术方法在估计耦合误差矩阵时，通过矩阵变换运算，将耦合误差矩阵的求解转化为求解矩阵中的少数几个耦合误差变量，简化了求解过程，降低了计算量；2、本专利技术方法通过子空间方法，可以同时估计信号的真实电磁场矢量和存在耦合误差的电磁场矢量，具有较高的耦合误差估计精度，同时不需要额外的配对运算和搜索运算，计算量小；3、本专利技术方法只需要已知所有电磁矢量传感器的空间坐标，利用接收阵列接收任一个参数未知的横电磁波信号，就可以估计和校正在空间任意排布的电磁矢量传感器阵列的所有阵元的耦合误差，并且还能估计目标信号的到达角和极化角参数。附图说明图1为电磁矢量传感器阵列的示意图；图2为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王兰美，王桂宝，弓树宏，陶海红，张鹏华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：