多通道增強的干涉儀測向方法

李維科，韓田田，湯四龍，樊　榮，萬　群

(1.中國電子科技集團公司 航空電子信息系統技術重點實驗室，成都　610036；2.電子科技大學 電子工程學院，成都　611731； 3.同方電子科技有限公司， 江西 九江　332007)

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多通道增強的干涉儀測向方法

李維科1，韓田田2，湯四龍3，樊榮1，萬群2

(1.中國電子科技集團公司 航空電子信息系統技術重點實驗室，成都610036；2.電子科技大學 電子工程學院，成都611731； 3.同方電子科技有限公司， 江西 九江332007)

針對干涉儀測向性能受多通道相位不一致性影響特別嚴重的問題，提出了一種多通道增強干涉儀測向方法，利用未校正的多通道信號輔助部分校正后的通道信號進行干涉儀測向；仿真實驗結果表明：與僅利用校正后的雙通道干涉儀測向方法相比，提出的相位不一致的多通道增強的干涉儀測向方法具有更高的測向精度。

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

經過多年的大量研究，出現了許多各具特色的測向算法，特別是干涉儀測向方法，由于具有高精度、高靈敏度、抗干擾性強、工作頻率覆蓋范圍廣等特點，在無線電測監測領域受到了極高的關注[1]。但是實際中，當陣列的接收通道間存在相位不一致性時，會惡化干涉儀的測向效果，無法得到有效的DOA估計，限制了其在實際中的應用[2]。因此人們特別關注通道相位誤差的校正問題[3]。

針對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信號來波方向的同時對各陣元的通道幅相誤差進行校正，但該方法必須滿足一定的收斂條件且對通道幅相誤差大小有要求。文獻[4]提出的一種盲校正方法要求入射信號服從非高斯分布，限制了該方法的應用。文獻[5]運用陣列協方差矩陣的Toeplitz結構對通道幅相誤差進行估計，該方法使用了陣列協方差矩陣的上三角矩陣中所有對角線信息，運算量較大[6]。

本文提出一種多通道增強干涉儀測向方法，該方法同樣使用全部的陣元信號信息，但是并不需要對全部的信號均進行相位誤差校正，無需特征分解，運算量小，且無迭代操作，不存在收斂問題[7]，減少了校正時間，也降低了對通道相位一致性的要求。

1　通道的幅相誤差模型

設陣列信號的接收通道中，第i個通道的幅相誤差為

(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模型為

Y=GAS+N

(2)

其中，G為通道幅相誤差矩陣：

diag(·)為對角矩陣符號，αi是幅度誤差參數，φi是相位誤差參數。M為陣元數，A為信號的方向矩陣，S為信號的數據矩陣，Y為通道接收到的信號矩陣，N為噪聲矩陣，假定各個通道之間的噪聲是相互獨立的高斯白噪聲。對于不同的發射源信號以及不同的天線陣元位置，接收信號中的αi和φi不同。

下面先介紹多通道增強的干涉儀測向原理，再利用仿真實驗驗證其有效性，最后給出結論。

2　多通道增強的干涉儀測向原理

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組成的基線長度分別為d0i=id,i=1,2,…,M-1，每個陣元對應一個信號的接收通道，有一遠場窄帶信號源s(n)入射到陣列上，入射角為θ，信號波長為λ，則入射信號的方向向量為

(3)

其中k=2πdsinθ/λ。

圖1　M元均勻線陣

根據式(2)的接收信號模型，可得圖1陣列的入射信號模型為[3]

(4)

其中

vi(n)服從獨立同分布的高斯噪聲。

選擇任意兩通道，對其通道幅相誤差進行校正。假設選擇的兩通道編號為p,q，其校正后的幅相誤差參數αp=1,φp=0，αq=1,φq=0，兩通道的幅相特性一致，設校正后幅相誤差矩陣為Ga。下面利用兩通道的輸出信號與陣列輸出的所有信號對信號的方位角進行估計：

首先，計算互相關：

(5)

(6)

其中N為信號的快拍數。

然后，利用式(5)和式(6)可得：

(7)

最后，利用r得到信號的來波方向估計：

(8)

在上面的求解過程中，使用了全部通道的信號，但是僅需對其中的兩個通道p,q進行了誤差校正即可實現有效的方位角估計。

3　仿真驗證

由式(5)或式(6)可直接求得p和q通道的互相關為

(9)

得到信號來波方向估計

(10)

下面我們對本論文中提出的多通道增強的干涉儀測向法進行仿真驗證。

式(8)中使用相位差r對方向進行估計，r使用了所有陣元信號的信息，式(10)中使用相位差rpq對方向進行估計，rpq僅使用了校正后的兩通道信號，下面比較式(8)多通道增強的干涉儀測向方法和式(10)雙通道干涉儀測向方法的測向結果。

如圖2所示，仿真中采用9陣元均勻線陣，陣元間距為λ/2，每個陣元對應一個接收通道，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，信號入射角為34.3°，快拍數為64，最后兩個通道的相位誤差為

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)所得的角度估計的均方根誤差要小于由式(10)所得的角度估計的均方根誤差，式(8)中用于估計角度的相位差r由所有的通道信號獲得，該種方法獲得的相位差測量精度要高于式(10)中的直接法。多通道增強的干涉儀測向法綜合利用了所有通道信號，提高了相位差的測量精度，進而提高了測角精度。

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

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

圖2　不同信噪比情況下測向誤差的比較

圖3　不同陣元數情況下測向誤差的比較

圖4　不同快拍數情況下測向誤差的比較

4　結論

針對通道相位誤差影響干涉儀測向性能的問題，本文提出了一種多通道增強的干涉儀測向法，使用未校正過的信號進行輔助測向與僅使用部分校正后的信號進行測向相比較，輔助測向法具有更高的測向精度和穩健性。在不同信噪比、陣元數和快拍數等情況下進行的仿真實驗驗證了該結論的正確性。

[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].四川兵工學報，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.現代數字信號處理及其應用[M].北京：清華大學出版社，2009：75-120.

[7]陳曉威，李彥志，張國毅.干涉儀測LFM信號方向誤差分析[J].四川兵工學報，2015(8):119-123.

(責任編輯周江川)

Interferometer Direction Finder Enhanced by Multi-Channel

LI Wei-ke1, HAN Tian-tian2, TANG Si-long3，FAN 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

國家自然科學基金(61172140)

李維科(1980—)，男，工程師，主要從事通信信號處理與雷達信號分選研究。

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

【信息科學與控制工程】