基于杂波数据的阵元幅相误差估计方法 从化云梯出租
新闻分类:行业动态 作者:admin 发布于:2017-05-134 文字:【
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摘要:
基于杂波数据的阵元幅相误差估计方法 从化云梯出租, 从化云梯租赁, 从化云梯价格 阵元误差信号模型, 机载脉冲多普勒雷达在一个相干处理间隔内发射M个脉冲,脉冲重复频率为rf。雷达工作波长。阵列为由N个阵元组成的等距线阵,阵元间距为d。载机速度为v,载机高度为h。雷达在接收时对每个阵元的回波数据进行采样、录取。对应于单个杂波距离环,雷达接收的杂波分量的信号形式为1cNciii, cN为杂波块数目,是一个接近于无穷的数目。i为杂波块的复幅度,iv为杂波块的空时导向矢量,d,iw为杂波块相对于雷达的归一化多普勒频率,s,iw为杂波块相对于雷达的归一化空间频率,tv为杂波块的时域导向矢量,sv为杂波块的空域导向矢量,两者的形式为,阵元幅相误差是一种与角度无关的复增益误差,它是由于接收阵元的放大器的增益和相位不一致造成,其对应的信号模型, st为阵元幅相误差矢量,i为阵元幅度误差,i为阵元相位误差。则考虑阵元误差后的阵列空域导向矢量为积。
基于杂波数据的幅相误差估计方法, 基于子空间正交的幅相误差估计方法,接收杂波信号是由无穷多的杂波散射体的空时响应分量叠加而成,其服从一个高度结构化的模型。根据构型参数(雷达系统参数、载机运动参数),杂波在角度多普勒域的分布轨迹曲线可以精确确定。在杂波对应的分布曲线上,沿方位离散化采样cJ点(cJMN),可以得到一组杂波空时二维频率点集为。将这组二维频率点集代入可以计算出离散化后的杂波空时导向矢量矩阵, ˆcV为空时导向矢量组成的基矩阵,矩阵中不同的列矢量之间存在一定的相关性。利用奇异值分解将杂波空时导向矢量矩阵ˆcV展开并对其进行r阶低秩逼近,可以得到ˆHcVUΣZ, U为左奇异矢量矩阵,Z为右奇异矢量矩阵,Σ为奇异值矩阵,其中U、Z均为酉矩阵。主奇异值r的数目可以按照如下准则来确定, 为一个接近于1的常数。选取使得成立的最小m值作为r的阶数。这时可以认为绝大部分杂波信号能量已被约束到一个低维的杂波子空间中,表示矩阵的值域。则根据奇异值分解的性质,可以得到杂波子空间对应的正交补空间的投影矩阵为Hcrr, 同理对雷达接收的空时快拍数据矩阵1, 进行奇异值分解可以得到HX. K为样本数目,E为左奇异矢量矩阵,F为右奇异矢量矩阵,Λ为奇异值矩阵。选取左奇异矢量矩阵中的首列1e向cP做投影。由于1e为最大奇异值对应的左奇异矢量,则可以认为1e主要由杂波分量张成。当无阵元误差时,1e中的杂波分量可以得到有效滤除;当有阵元误差时,1e中的杂波分量不能被有效滤除。而由式(4-8)可知阵元误差对杂波信号的调制表现为杂波空时导向矢量Hadamard积上锥削矢量。这时就可以对1e做预处理,补偿阵元误差对其带来的影响,从而使得cP能够有效滤除1e中的杂波分量。
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本节采用仿真数据处理实验验证本文所提方法的性能。仿真实验参数设置为:雷达载频为1200MHz,脉冲重复频率为2000Hz。天线阵元数目为10,阵元间距为0.125m。载机高度为5km,速度为100m/s。阵元误差服从复高斯分布,其中幅度误差为445%,相位误差为5°。仿真时考虑无去相关效应和有去相关效应(杂波去相关由杂波内部运动、接收通道起伏等非理想因素导致)两种情况,其中杂波去相关的形式参考所提出的数学模型。实验中将提出的相邻阵元干涉法,提出的主瓣杂波特征矢量法与本文提出的杂波子空间正交法以及杂波Frobenius范数拟合法进行对比分析。文中以均方根误差(RMSE)为准则衡量各方法性能,相应的形式为L为蒙特卡罗实验次数,N为阵元数目,分别为第l次实验、第i个阵元的幅度或者相位误差的估计值与实际值。实验一中设置杂噪比为50dB,脉冲数目为128,分析各方法性能和距离样本数目的关系。在样本数目较少的情况下,杂波子空间正交法与Frobenius范数拟合法性能优于相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量法。这是因为相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量法在样本数目较少的情况下受到噪声起伏扰动的影响较大。当存在去相关效应时,Frobenius范数拟合法优于杂波子空间正交法,这是因为去相关效应会导致杂波子空间扩散,从而使得杂波子空间向噪声子空间泄漏,两者之间的正交性减弱,杂波子空间正交法性能下降,而Frobenius范数拟合法是一种基于范数拟合的参数化估计方法,其利用数据矩阵本身而不是对应的子空间来估计阵元误差,使得其对子空间泄漏问题具有稳健性。
相位误差RMSE随距离样本数目变化曲线设置杂噪比为50dB,距离样本数目为100,分析各方法性能和发射脉冲数目的关系。在脉冲数目较少的情况下杂波子空间正交法与杂波Frobenius范数拟合法性能优于相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量法。这是因为在脉冲数目较少的情况下,多普勒分辨率较低,天线主瓣对应的多普勒带宽较大。这与相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量假设的主瓣杂波近似于单频信号这一模型不匹配。杂波子空间正交法假定杂波由一个低秩的子空间张成,利用先验知识可以精确计算出其对应的正交补空间,然后通过对数据奇异值分解,取出其中杂噪比最大的矢量,再利用子空间正交这一特性,可以准确估计阵元误差。Frobenius范数拟合法是一种基于原始空时数据拟合的方法,与多普勒分辨率的好坏无关,只要杂波谱线准确,其就可以获得良好的参数估计精度。
在杂噪比较低的情况下,杂波子空间正交法与Frobenius范数拟合法性能优于相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量法。这是因为噪声服从复高斯随机分布,当噪声功率较高时,杂波信号受到噪声扰动较大,不同阵元间杂波幅相一致性降低,从而造成相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量法性能下降。子空间正交法利用杂波子空间与噪声子空间的正交性来估计误差,其受到噪声的影响较小。Frobenius范数拟合法是一种基于最小二乘的模型拟合方法,其可以有效从噪声背景中估计出未知参数。 设置脉冲数目为64,距离样本数目为60,杂噪比为50dB,分析系统参数存在误差时,本文所提方法的性能。杂波子空间正交法与杂波Frobenius范数拟合法在计算杂波分布曲线时需要利用系统构型参数,其可以通过惯性导航系统(INS)获得。实际中由于INS的精度问题,雷达获取的参数与实际的参数之间存在偏差。因此,需要研究系统参数误差对本文所提方法的性能影响。实验所得结果。 当存在系统参数误差时,相邻阵元干涉法、主瓣杂波特征矢量法、杂波子空间正交法以及Frobenius范数拟合法性能均出现下降。对于相邻阵元干涉法与主瓣杂波特征矢量法这是由于杂波多普勒中心计算不准确,对于杂波子空间正交法与Frobenius范数拟合法这是由于杂波分布曲线位置不准确。因此,本文所提出的杂波子空间正交法与杂波Frobenius范数拟合法在实施时对INS的精度有较高要求。两种基于机载雷达杂波数据的阵元幅相误差估计方法。第一种方法为杂波子空间正交法,该方法利用雷达构型参数计算的杂波补空间与杂波数据的最大左奇异值矢量的正交性来估计阵元幅相误差。第二种方法为杂波Frobenius范数拟合法,该方法通过拟合由杂波分布谱线重构的数据和实际的接收数据来估计阵元幅相误差。仿真实验结果表明这两种方法在低样本数目、低脉冲数目、低杂噪比的情况下均能较好的参数估计性能。此外当存在去相关效应时,这两种方法仍然具有较好的参数估计精度。
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