基于阵列误差校正的波束域方位估计算法实验研究

维普资讯
２ ０ 年４ ０ ７ 月
西 北 工 业 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｒｈ ｓｅｎ Ｐ ｌｔｃ ｎｃ ｌ ｎｖ ｒ ｉ ｏ ｒ ａ ｆＮｏ ｔ ｗｅ ｔｒ ｏ ｙｅ ｈ ｉａ ｉｅ ｓｔ Ｕ ｙ
Ａ ｐｒ ．
２ ７ ００
第２卷第２ ５ 期
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ２ １２ ．
基 于 阵 列误 差校 正 的波 束 域 方 位 估 计 算 法 实验研 究
陈 亚林 ， 卓 颉 ，马远 良 ， 益 新 杨
（ 北 工 业 大学 航 海学 院 ，陕 西 西 安 ７ ０ ７ ） 西 １０ ２
摘
要 ： 对 阵列误 差 的存 在会 导致 波束 域 高分辨 方位估 计算 法性 能 下降 的 问题 ， 出 了一种基 于 针 给
的稳健 性 。
关
键
词： 阵列误 差校 正 ， 波束域 ， 方位估 计 ， 实验研 究
中图分 类号 ： ＴＮ９ １ ７ １．
文献 标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：０ ０ ２ ５ （０ ７ ０ — ２ ００ １ ０ — ７ ８ ２ ０ ） ２０ ２ —５
多 目标方 位估 计是 基 阵信 号处 理 中的一个 热 点 问题 。利用多 个波 束 的输 出进行 方 位估计 的波 束 域 高 分辨 方位估 计算 法 与直接 采用 基 阵阵元 输 出的 阵 元 域高分 辨方 位估计 算 法相 比 ， 运算 量小 、 分辨 所需 的信 噪 比门限低 ［ ， １ 近年 来受 到广 泛研 究 ， 有望 叫］ 并 在 实际 系统 中得到应 用 。 但是 ， 由于波 束 域算法 的性 能 直接 依赖 于 前端 的波 束 形 成 ， 此选 择 合 适 的波 因 束 形成矩 阵才 能保证 发 挥波 束域处 理 的优 点 。 常 ， 通
一
波束 形成 矩阵 的设计 都是 基 于理 想阵 列模 型 ， 是 ， 但 实 际系统 中会存 在 阵 元 位 置误 差 、 道 的幅度 及 相 通
位误 差 ， 这些 误 差最 终 体 现 为 理想 阵列 模 型 与实 际
［｛ ｅｊ Ｘ ｐ
， ｃ ｅ Ｊ 叫］ ｘ ｐ
（） ２
阵列模 型 的失配 ， 导致 波束 的旁 瓣 级增 高 ， 位估 计 ％ （ 方 ）一 ［ 性能下 降 ， 至无 法分 辨多 个 目标 。 了有效 降 甚 叫］ 为
具有 任意 形状 的 元 接 收阵 上时 ， 阵阵元 域输 出 基
信号 ｒｆ （）一 ［ ｆ ， ，Ｍ ｔ－ 以表 示为 ｒ（） … ｒ （） 可 ］
ｒｆ （ ）＝ Ａｓ ｆ ＋ ，（） （） ｌｆ （） １
式 中 ， ｆ 一 ［ｌｆ ， ，ｄｆ］ ，ｌｆ ［ ｌｆ ， ， （） ５（） … Ｓ（） ， ）一 （） … （
Байду номын сангаас
阵列误 差校 正 的 波束域 处理 方 法 。该方 法利 用单个校 正 源 ， 据 实际测 量数 据 ， 根 在获 取基 阵 实测阵 列 流形 的基础上 ， 实现 了对 阵列误 差 的校 正 ， 而利用 波束 域 ＭＵＳＣ 算 法估计 出信 号的 方位 。 实 进 Ｉ 验 结果验 证 了基 于 实测 阵 列流 形的 阵列误 差校 正方 法可 以有效 增 强波束 域 高分 辨 算法对 阵列误 差
低 阵列模 型误 差 对 方 位估 计 性 能 的 影 响 ， 文 给 出 本
］［ｉＯ ｃｓ － ｎ ｉ ｏ ］ ｓ
一 １…， ，
（） ３
式 中 ， ｃ 中心 频 率 ， 声 波 在 介 质 中的 传 播 速 厂为 ｃ是 度 ，Ｘ ， ） 第 个 阵元 的 坐标 。 文 中假设 阵列 （ｍ 为 本
流形 Ａ在观 测空 间 内无 模糊 。
了一种 适用 于任意 结构 基 阵 的阵列误 差 校正 的波束
域处理 方法 。该方 法计 算过 程 简单 ， 于实现 ， 波 易 对
束 域高 分辨方 位估计 方 法在 实 际系 统 中应 用具 有 重
要 意 义。
（） 中 ， １式 假设 所 有 阵元 特性 完 全 已知并 相 同 ， 但这 在实 际 中是 不 可 能 精 确 达 到 的 。 实际 的接 收 阵 中存在 着 各 种误 差 ， 这些 误 差 最 终体 现 为真 实 的 而
方 向向量 与 理想 方 向 向量 之 间 的差 别 。 当由 于阵元 的安装 位置 误差 或 通道 的增 益 和相位误 差产 生阵元 幅相误 差 时 ， 际 阵列 流形 Ａ 一 ［ Ｏ） … ，ｅ ］ 实 ， 口（ａ ， ａ（ ）
１ 波 束 域 高 分 辨 ＭＵ Ｉ ＳＣ算 法
当远 场 有 ｄ个 窄 带 信 号 Ｓ（） … ， （）入射 到 ｆ ， ｆ
收稿 日期 ：０ ６０ －８ ２ ０－ ５１
基金项 目： 水下信息处理与控制 国家重点实 验室基金 （１ ４ ０ ０ ０ＨＫ０ ６ ） ５４８７１５ ３ ４ 资助
作者 简介 ： 陈亚林 （９ ６ ， １ ６ 一） 西北工业大学博士生 ， 主要从事水 下声 系统及 设备的研究 。
维普资讯
第２ 期
陈 亚 林 等 ： 于 阵列 误 差 校正 的波 束 域 方 位 估 计 算 法 实 验 研 究 基
通 常可 以表示 为［ ６ ］
Ａ ： Ｆ Ａ （） ４
列流 形 中包 含 了 阵列 误 差 的所 有 信 息 ， 因此 只要估 计 出基 阵对从 已知 方 向 ≯， ， 入射 的 ￡个 校正 源 … 九 的阵列流 形 Ａ 一 Ｅ ≯） … ， 丸） ， ａ（ ， ａ（ ］ 就可进 一步 得 到校 正矩 阵 Ｇ。 当信号 间统 计 独立 时 ， 阵元域 协方 差 矩 阵 足的信 号子 空 间 巨 对应 于 阵列流形 Ａ ， 因此 可 以通过 特 征 分 解 计 算 Ｅ ， 而 得 到 Ａ 。 当信 号 的 进 但 输入 信 噪 比较 低及 采 样 数据 长 度 有 限时 ， 的估计 臣 会存 在较 大误 差 。 因此 ， 了提 高阵列 误差校 正方法 为 对低 信 噪 比及 有 限快 拍 数 的稳健 性 ， 文将 基 于测 本 量 数据 得 到基 阵对 校 正 信 号 的 实测 阵 列流 形 ， 然后
肘
（］ ｆ 是 方 差 为 的 加 性 复 高 斯 白 噪 声 。 — ） Ａ
Ｅ （， ， ， （ ］为 阵 列 流 形 ， 的 每 个 列 向 量 ａ ０） … 口 ） 它 口 ） 基 阵对从 Ｏ 方 向入射 信 号的期 望 响应 ， 为 （ 是 ｉ 称 方 向向量 ， 表达 式 为 其