介绍

原则上,一个可以很容易地设计一个理想的均匀线性阵列(ULA)”执行数组处理任务如波束形成或波达方向估计。在实践中,不存在是一种理想的阵列。例如,总是会有一些不可避免的数组中不同元素间的制造公差。因为一般情况下是不可能获得准确的了解这些变化,他们通常被称为不确定性或扰动。普遍观察到的不确定性包括元素增益和相位不确定性(电气)不确定性以及元素位置的不确定性(几何不确定性)。

数组中不确定性系统的存在导致检测的快速降解,高分辨率,估计阵列处理算法的性能。因此,调整部署前的数组是至关重要的。除了上述因素外,也可能由于其他因素产生的不确定性等硬件老化和环境影响。定期校准因此也表现在所有部署系统。

有许多阵列校准算法。这个例子主要关注飞行员标定方法[1],在响应的不确定性估计数组的一个或多个已知外部资源在已知位置。这个例子比较了不确定性对阵列性能的影响前后的校准。

电子和几何建模的不确定性

考虑理想6-element齿龈沿着轴操作与半波间距和统一的逐渐减少。齿龈,可以计算预期的元素位置和蜡烛。

N = 6;designed_pos = [0 (1, N); (0: N - 1) * 0.5; 0 (1, N)];designed_taper = 1 (N, 1);

接下来,模型的扰动可能存在于一个真正的数组。这些通常是建模为随机变量。例如,假设锥度的大小和相位扰动的正态分布随机变量标准差为0.1和0.05,分别。

rng (2014);锥形= (designed_taper + 0.1 * randn (N - 1))。* exp (1 * 0.05 * randn (N - 1));

下图显示了不同的大小和相位摄动锥,锥设计。

helperCompareArrayProperties (“锥”、锥度、designed_taper…{“摄动数组”,“设计数组”});

扰动传感器位置的x, y, z方向生成类似的标准偏差为0.05。

pos = designed_pos + 0.05 * randn (N);

下图显示了摄动数组的元素的位置和理想的数组。

helperCompareArrayProperties (“位置”、pos、designed_pos…{“摄动数组”,“设计数组”});

阵列扰动的影响

前一节中显示了设计的区别,理想的数组和真正的,不安的数组。因为这些错误,如果一个人盲目地应用处理步骤,如波束形成的权值,计算设计使用数组,数组摄动,性能将显著下降。

考虑的情况下淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒beamformer旨在引导10度的理想阵列方向方位和两个干扰从两个方向-10度方位和60度方位。我们的目标是保护感兴趣的信号,同时抑制干扰。

如果数组的精确知识的锥度和几何,波束形成的权值可以计算如下:

%生成10 k样本目标和干扰30 db信噪比阿兹= (-10 10 60);Nsamp = 1 e4;ncov = db2pow (-30);[~,~,rx_cov] = sensorsig (pos、Nsamp az, ncov“锥”、锥形);%计算淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒波束形成加权假设阵列设计sv = steervec (pos、az);w = lcmvweights (bsxfun (@times、锥度、sv) (0, 1, 0), rx_cov);

然而,由于该数组包含未知扰动,波束形成的权值必须计算基于数组的位置和锥度设计。

designed_sv = steervec (designed_pos, az);designed_w = lcmvweights (bsxfun (@times, designed_taper designed_sv),…(0,1,0),rx_cov);

下图比较预期的光束模式与模式导致应用摄动的设计权重数组。

helperCompareBeamPattern (pos、锥度、w、designed_w 90:90, az,…{“预期模式”,“未校准模式”},…“梁模式之前校准”);

从策划模式,很明显,产生的模式未校准的权重不满足要求。它把一个空所需的10度左右方位方向。这意味着不再能被检索所需的信号。幸运的是,阵列校准可以帮助恢复模式。

飞行员校准

有许多算法可用来执行阵列校准。一类常用的算法是飞行员校准。算法设置几个来源已知的方向,然后使用数组来接收信号与发射机。在已知的方向,因为这些发射器是预期的理想的阵列接收信号可以计算。比较这些与实际收到信号,有可能得出的差异由于不确定性和改正。

下面的代码显示了阵列校准的过程。首先,飞行员来源需要在不同的方向选择。请注意,飞行员的数量决定多少不确定性算法可以正确的来源。在这个例子中,正确的传感器位置的不确定性和锥度不确定性,至少四个外部资源是必需的。如果使用多个数据源,估计将会改善。

pilot_ang = [-60、5、5、40;-10年,0,0,30);

四个试点来源位于以下方位角和仰角对:(-60、-10),(5,0)、(5,0)、(40岁,30)。接收到的信号从这些飞行员可以模拟

为m =大小(pilot_ang 2): 1:1 calib_sig(:,:,米)= sensorsig (pos、Nsamp pilot_ang(:,米),…ncov,“锥”、锥形);结束

利用阵列接收到的信号从飞行员,连同设计数组的元素位置和蜡烛,校准算法[1]估计摄动数组的元素位置和蜡烛。

[est_pos, est_taper] = pilotcalib (designed_pos,…calib_sig、pilot_ang designed_taper);

一旦估计位置和锥度,这些可以使用的设计参数在计算beamformer权重数组。这个结果数组中模式由下面的红线。

corrected_w = lcmvweights (bsxfun (@times est_taper,…steervec (est_pos az)), (0, 1, 0), rx_cov);helperCompareBeamPattern (pos、锥度、…w corrected_w 90:90、阿兹…{“预期模式”,“校准模式”},…“梁模式经过校准的);

上图显示,产生的模式校准数组比未校准的一个数组。特别是,现在保存信号所需的方向。

总结

这个例子展示了如何数组可以影响其响应模式的不确定性,进而降低阵列的性能。示例还说明飞行员校准可用于帮助恢复阵列的性能。

引用

[1]n Fistas和A . Manikas“一系列新的通用全球标定方法”,IEEE ICASSP学报》,第四卷,第76 - 73页,1994年4月。