（电磁场与微波技术专业论文）数字天线阵列及其校正.pdf

摘要 数字天线阵列系统是天线技术和数字信号处理技术结合的产物，数字天线阵列以其灵活 的工作方式、卓越的抗干扰和超角分辨性能，吸引了许多优秀的工程技术人员和科学家投入 相关的理论和工程应用研究。经过近三十年的发展，数字天线阵列的应用从当初的军事领域 拓展到了民用领域，尤其是近年来蓬勃发展的个人通信领域。本文致力于雷达、通信中的数 字天线阵列的系统设计和阵列校正研究。部分研究成果已经在收发全数字波束形成( d b f ) 新型相控阵雷达、基于外辐射源阵列雷达和某双基地雷达产品中得到应用。 本文首先介绍数字天线阵列的一些基本概念，然后以一部实用的收发全d b f 新型相控 阵雷达为例，详细地描述了数字天线阵列的系统组成及工作原理，并给出了各分系统的一些 关键测试数据。论文还简要地讨论了阵列误差对阵列性能的影响。 论文随后紧紧抓住数字天线阵列的核心问题砗列天线误差校正展开讨论，分析了阵 列天线的误差来源和产生机理，给出了几种用来消除阵列天线的主要误差即互耦误差的阵列 互耦校正方法。在此基础上，进一步讨论了更精确的阵列天线校正方法。首次提出了空间均 衡概念和相应的校正算法、超角分辨算法、自适应零点形成算法，并用试验数据证明了空间 均衡方法具有运算量小、误差校正完全等优点。论文还涉及了有虚单元时阵列互耦校正问题， 试验数据验证了本文方法的良好误差校正性能。 接着，论文探讨了发射多通道误差校正和发射阵列互耦校正方法，解释了发射阵列的误 差模型，推导了两种发射阵列互耦校正方法，仿真结果验证了这两种方法的有效性。 针对数字天线阵列往往工作在恶劣的干扰条件下的特点，文章提出了几种阵列校正算 法。当存在单干扰源时，我们利用它完成阵列通道幅相校正和通道均衡，从基于外辐射源阵 列雷达上采集的数据证明了这种方法的赵好校正性能。当存在多干扰源时，我们给出了最大 似然阵列校正方法和一种改进误差模型的阵列自校正方法。当正在进行内部校正的阵列受到 外部干扰时，我们首次提出了一种混合阵列校正方法，该方法的性能优于有干扰时的单纯内 部校正方法和自校正方法。 最后论文介绍了数字天线阵列在雷达和通信领域的应用。在雷达领域，第一个应用实例 是一部收发全d b f 新型相控阵雷达，我们给出了它的各种发射自适应零点形成方向图测试 结果和目标探测结果，推导了发射零点形成算法。第二个实例是基于外辐射源阵列雷达，我 们提出了一套适合该雷达的信号处理算法，试验数据处理结果验证了该方法的良好性能。我 们还推导了合作式双基地雷达的天线方向图损失计算公式，得出了一些定量的结论，这些结 论指导了某双基地雷达产品的系统设计。在通信领域，我们简要地讨论了数字天线阵列对信 噪比和误码率的改善。 a b s t r a c t t h ed i g i t a la r l t e n n aa r r a y ( d a a ) i st h ep r o d u c to fam a r r i a g eb e t w e e na n t e n n aa n dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g i ta t t r a c t sl o t so f e x c e l l e n te n g i n e e r sa n ds c i e n t i s t st od or e s e a r c ho nt h e o r ya n d e n g i n e e r i n gb e c a u s e o fi t ss m a r to p e r a t i o nm o d e , g o o da n t i - j a m m i n ga n ds u p e rr e s o l u t i o n d i r e c t i o nf i n d i n gp e r f o r m a n c e s a f t e rt h ed e v e l o p m e n ti nl a s tt h i r t yy e a r s ，i t sa p p l i c a t i o n se x p a n d f r o mf o r m e rm i l i t a r yf i e l d st oc i v i l i a no n e s ，e s p e c i a l l yi nt h ep r o s p e r o u s p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s f i e l di nr e c e n ty e a r s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo ft h es y s t e md e s i g na n dt h ea r r a y c a l i b r a t i o no ft h ed a ai nr a d a ra n dc o m m u n i c a t i o n sa n dp a r t so ft h er e s e a r c hf r u i t sh a v eb e e n a p p l i e di nad i g i t a lb e a m f o r m i n g ( d b f ) p h a s e da r r a yr a d a r , ap a s s i v ed b fa r r a yr a d a ra n do n e b i s t a t i cr a d a r p r o d u c t s o m eb a s i cc o n c e p t sa b o u td a aa r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n a sa ne x a m p l eo fa d b f p h a s e da r r a yr a d a r , t h ed a a s y s t e ma n di t so p e r a t i o np r i n c i p l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l sa n d s o m ek e yt e s td a t aa b o u tt h es u b s y s t e m sa r ep r o v i d e dt h ee f f e c t so f a r r a ye r r o r so nt h ea r r a y p e r f o r m a n c e sa r ea l s od i s c u s s e db r i e f l y t h e nt h ec o r ep r o b l e m so f d a a a r r a ya n t e n n ac a l i b r a t i o n sa r ee x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d a n dw h e r ea n dw h yt h ea r r a ya n t e n n ae r r o r sa r eg e n e r a t e da r ea n a l y z e d s e v e r a la r r a ym u t u a l c o n p l i n gc a l i b r a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e dt oe l i m i n a t et h em a j o ra n t e n n ae r r o r sc a u s e db ym u t u a l c o u p l i n ge f f e c t s m e a n w h i l e ，w ef u r t h e rc o n s i d e ram o r ea c c u r a t ec a l i b r a t i o nm e t h o df o ra r r a y a n t e n n aa n dp r o p o s eas p a c ee q u a l i z a t i o nc o n c e p ta n di t s c o r r e s p o n d i n gc a l i b r a t i o na l g o r i t h m ， s u p e rr e s o l u t i o nd i r e c f i o nf i n d i n ga l g o r i t h ma n da d a p t i v eh u l l i n ga l g o r i t h mf o rt h ef i r s tt i m e e x p e r i m e n t a ld a t av e r i f yt h ea d v a n t a g e so f t h el o wc o m p u t a t i o nl o a da n df i n ee r r o rc a l i b r a t i o no f t h es p a c ee q u a l i z a t i o nm e t h o d t h ed i s s e r t a t i o na l s oc o v e r st h em u t u a l c o u p l i n gc a l i b r a t i o no f a n a r r a yw i t hd u m m ye l e m e n t sa n dt h eg o o dc a l i b r a t i o np e r f o r m a n c ef o rt h ep r e s e n tm e t h o di s p r o v e db ye x p e r i m e n t a ld a t a i ns u c c e s s i o n ，w ed i s c u s sm e t h o d so fc h a n n e lc a l i b r a t i o nm a dm u t u a lc o u p l i n gc a l i b r a t i o nf o r at r a n s m i t t i n ga r r a y t h ee r r o rm o d e lf o r 仃a n s m i t t i n ga r r a yi s e x p l a i n e da n dt w od i f f e r e n tm u t u a l c o u p l i n gc a l i b r a t i o nm e t h o d sa r ed e r i v e d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e e t i v e n e s so ft h e p r o p o s e dm e t h o d s s i n c ed a ai su s u a l l y o p e r a t i n gu n d e r t h es e v e r ej a m m i n g c o n d i t i o n s ，w ep u tf o r w a r ds e v e r a l a r r a yc a l i b r a t i o na l g o r i t h m s w h e no n ej a m m e re x i s t s ，w ec o m p l e t ea r r a ya m p l i t u d ea n dp h a s e c a l i b r a t i o na n dc h a n n e le q u a l i z a t i o nb ym e a n so f t h e j a m m e r t h e g o o dc a l i b r a t i o np e r f o r m a n c eo f t h em e t h o di sv e r i f i e db yt h el i v i n gd a t as a m p l e df r o ma p a s s i v ed b fa r r a yr a d a rw h e ns e v e r a l j a m l n e r se x i s t ，w ep r o v i d eam a x i m u m l i k e l i h o o da r r a yc a l i b r a t i o nm e t h o da n da n a n t o - c a l i b r a “o n m e t h o dw i t hm i m p r o v e da r r a y 啪m o d e l w h e n 瓶a r r a yi n 缸i n t e r n a lc a l i b r a t i o np r o c e s $ i s s u f f e r e df r o mf r e es p a c ej a m m i n g ，w ep u tf o r w a r dac o m b i n e da r r a yc a l i b r a t i o nm e t h o df o rt h e f i r s t t i m e ，w h i c hi s b e r e rt h a ni n t e r n a lc a l i b r a t i o nm e t h o da n da u t o - c a l i b r a t i o n o n l yi nt h e p r e s e n c eo f j a m m i n g t h el a s tp a r to f t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sd a a a p p l i c a t i o n si nr a d a ra n dc o m m u n i c a t i o n si n r a d a ra p p l i c a t i o n ，t h ef i r s te x a m p l ei sad b f p h a s e da r r a yr a d a lf r o mw h i c hw eo b t a i n e dv a r i o u s a d a p t i v en u l l i n gp a f l e r n si nt r a n s m i t t i n gm o d ea n dt a r g e td e t e c t i o nr e s u l t s a l s ot h ea l g o r i t h m s h a v eb e e nd e r i v e df o rt r a n s m i t t i n gn u l ls y n t h e s i s t h es e c o n de x a m p l ei s ap a s s i v ed b f a r r a y r a d a r ，t ow h i c h 、eg i v es o m eu s e f u ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t st o i l l u s t r a t et h eg o o dp e r f o r m a n c e so ft h em e t h o d a l s ot h ec o m p u t a t i o n e q u a t i o n sa r ed e r i v e df o r c o o p e r a t i v eb i s t a t i cr a d a ra n ds o m eq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o n sa r eg i v e n ，w h i c hp r e s e n tg u i d e l i n e s f o rt h e s y s t e md e s i g n o fo n eb i s t a t i cr a d a r p r o d u c t i nc o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o n t h e m l p r o v e m e n t sa r ed e m o n s t r a t e do ns i g n a l - t o - n o i s er a t i o na n db i t - e r r o r - r a t eb y u s i n gd a a _ 一 一一 中国科学技术大学博士论文：数字天线阵列及其校正 绪论 第一章 【摘要】本章简要地介绍了数字天线阵列的发展历史和应用领域，给出了阵列系统 设计和阵列信号处理的研究方向。随后归纳了阵列中误差来源，比较了智能天线和 m i m o 之间的异同。本章的最后介绍了论文的安排和创新点。 1 1 引言 数字天线阵列是天线和数字信号处理技术结合的产物，它的天线阵列由一组独立的天线 单元组成，人们用数字技术调整阵列的口径幅相，在空间形成期望的波束形状。因此数字天 线阵列技术的核心是收发数字波束形成技术( d b f ) 。 数字天线阵列的前身可以追溯n - 十世纪四十年代的传统相控阵雷达( 如图1 1 所示) ， 天线的波束扫描通过移相器的相位变化而调整【1 2 】。相控阵雷达具有比传统的机械式扫描雷 达的扫描速度快、工作方式灵活等优点，因此得到了普遍的应用今天它仍然是雷达的重要 发展方向之一。然而传统相控阵雷达有个主要的缺点是各个天线单元的幅度不可控制且相位 跃变大，主要是移相器的幅度恒定，移相精度低( 移相位数一般为4 5 比特) 造成的。 天线+ 移相器 模拟波束形成，功率分配网络 图1 1 传统相控阵雷达 f i g 1 it r a d i t i o n a lp h a s e da r r a yr a d a r 第一童绪论 为了克服传统相控阵雷达的以上缺点，并且随着研究人员对阵列理论的深入探索和数字 电路的飞速发展，在接收状态下，原先只能在射频完成的模拟波束形成可以由数字方法来合 成波束了，即对阵列输出信号在零频或低中频离散化，用数字信号处理芯片( d s p ) 或计算 机完成空间接收信号的合成，这就是数字波束形成技术。d b f 技术首先于二十世纪七十年 代在声纳中得到应用，这是因为声纳的工作带宽窄，而当时的模数转换器件( a d ) 和d s p 的运算速度慢，刚好可以满足声纳的要求。到了二十世纪八十年代，即1 9 8 0 年，世界上第 部d b f 相控阵雷达诞生在前西德，它是一部子阵级d b f 系统。它的研制成功得盏于高速 数字电路的发展。进入二十世纪九十年代，移动通信技术蓬勃发展起来，移动用户数目呈几 何级数增长，用户对高速数据传输业务的需求也日益增长。反观无线通信中最重要的频率资 源有限因此通信信道变得拥挤不堪，这促使研究人员开拓移动通信中最后块可利用的处 女地空间资源，基于d b f 技术的智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 恰好满足了移动通信对空 分多址的需求，因此数字天线阵列或智能天线技术获得了广泛的研究【4 ，5 ，9 ，1 7 。 与接收d b f 技术迅猛发展相比较，发射d b f 技术则显得姗姗来迟。发射d b f 技术的瓶 颈在于发射信号的幅度、相位和频率任意可调技术和线性功率放大技术。 9 7 1 年t i e m e y 等 的文章a d i g i t a l f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r 第一次提出了直接数字合成( d d s ) 的概念，使得用 数字方法可以方便地产生任意幅度、相位、频率的信号。d d s 器件在二十世纪八十年代得 到充分发展，为后来的发射d b f 技术奠定了基础 1 8 2 0 。1 9 9 5 年g a r r o d 首次报道了基于 d d s 技术的收发全d b f 相控阵雷达系统实验室样机，该系统展示了d b f 技术低副瓣、低 波束跃度、零点可控、任意发射波形产生、波束捷变速度快等优点 2 1 1 。2 0 0 1 年w a n g 等给 出了第一部工程实用化的全数字阵列雷达，该雷达完成了各种先进的信号处理和野外探测实 际目标等任务 2 2 1 。 在数字阵列系统硬件发展的同时，自适应阵列信号处理的理论研究也不断深入，早期关 于自适应零点形成方面的文献出现在二十世纪六十年代初，如a p p l e b a u m 的基于最大输出 信噪比准则、w i d r o w 著名的基于最小均方误差准则( l m s ) 的自适应零点形成方法等 1 0 ，2 3 ，2 4 】与自适应零点形成方法相关的、旨在突破经典波束形成角度分辨率瑞利限的超 分辨算法也在二十世纪六十末出现了，此后又出现了空时联合自适应阵列信号处理方法。自 适应阵列信号处理理论从二十世纪六十年出现，经七、八十年代发展，至九十年代进入高峰 期 1 5 ，2 5 - 3 1 。其研究领域从当初的个别领域拓展到众多领域，数字阵列的应用领域主要有： 雷达【3 2 - 3 5 】、通信【3 6 3 9 】、声纳 4 0 4 2 、医疗器械f 4 3 ，4 4 】、射电天文f 4 5 、化学生物传 感器【4 6 】、语音处理 4 7 ，4 8 】、全球定位系统( g p s ) f 4 9 】。 我们可以说只要有传感器的地方，数字阵列就有应用前景。 1 2 数字天线阵列的研究方向 为了把握论文的研究思路和更好地理解本文所做的工作，我们在这里简单地介绍关于阵 列系统设计和相关阵歹f j 信号处理的研究方向。 2 _ _ h _ _ 一一 中国科学技术大学博士论文：数字天线阵到及其校正 1 2 1 阵列系统设计 首先是阵列系统的实现方案选择和系统指标计算、分配，这要求设计人员了解阵列系统 的应用环境和应用对象，不同的应用场合采用不同的设计方案。比如小型的阵列系统一般采 用基于阵元空间的设计方案，即后续的信号处理对每个天线单元单独处理。当有特殊要求， 比如智能天线中波束切换方法才用波束空间设计方案。大型阵列系统都采用波束空间的设计 方案，将各个天线单元的信号合成为数目比较少的子波束，然后对这些波束进行处理。当阵 列天线的平台运动时，往往采用空时联合信号处理的设计方案，补偿平台运动引起的信号多 普勒频移。在宽带和窄带系统中，对天线、收发组件和信号处理算法和速度要求都不同。有 如阵列在雷达系统和通信系统中对多通道误差、系统的灵敏度要求均不相同，系统的工作带 宽也不相同 1 2 ，5 0 - 5 4 。 其次是阵列各分系统的关键问题解决。例如宽带、低耦合、高一致性天线阵列设计，高 线性、高效率发射数字组件研制。大动态、高线性、低交调接收组件研制，低相噪、快速调 频频率源研制，高速、多通道离散数据传输技术研究，高速、实时、稳健的d b f 信号处理 技术研究等，以上列举的每个方向都有许多急待解决的难题 5 5 5 7 1 。 最后就是阵列系统的通用性、模块化设计。典型的例子就是近些年兴起的软件无线电 ( s o f t w a r er a d i o ) ，其目的就是通过标准的硬件平台，更换不同的软件实现不同的功能。阵 列系统的通用性、模块化设计提高了系统的可靠性，降低了系统的成本，使得系统的维护容 易，缩短系统的设计周期。尤其对于数字阵列系统而言，多通道中各个通道本身就是一个模 块化的东西，另外d b f 系统的优点是只要增加一个d b f 运算单元就可以得到一个波束，冈 此系统的设计更为重要f 4 ，s s 。 总之，阵列系统设计是一个复杂、折衷的过程，系统的高性能往往是用商复杂度、高费 用和低可靠性为代价换取的，这需要设计人员进行平衡。 1 2 。2 阵列信号处理 数字天线阵列的优点是将固定的天线波束合成转换到数字域通过计算完成，因此衍生出 了种类繁多的阵列信号处理算法。我们大致归纳为以下四个方面： 1 。阵列方向图优化 已经成熟且比较经典的阵列方向图合成方法有基于幅度加权的线性阵列和波束合成方 法，如道尔夫一切比雪夫、泰勒、三角形、余弦、余弦平方、余弦加台阶、余弦平方加台阶、 高斯、反渐削等幅度分布；还有差波束合成方法，如贝里斯幅度分布。阵列幅度加权的优点 是简单、易于获得低波束副瓣，但是幅度加权的缺点是信号能量的损失和波束主瓣展宽。 为了克服幅度加权的缺点，研究人员近些年又提出了纯相位加权( p h a s e o n l y ) 的阵列 方向幽方法，通过对阵列各个通道的相位扰动，到达在期望的方向形成零点的目的 3 【5 9 ，6 0 ，6 9 】。该方法可以用在传统的移相器相控阵天线中，增强了它的抗干扰和低截获能力， 但是该方法在多维、非均匀阵列中的应用仍然需要深入探讨。 仅用幅度加权或相位加权，获得的阵列性能并不令人满意，近些年研究最多的阵列方向 图合成方法是幅度、相位全部使用的算法。例如导数约束拓宽主波束宽度方法【6 1 ，6 3 1 、导数 约束或多零点约束的波束零点形成方法 6 4 - 6 6 、约束最小二乘宽零点波束合成方法【6 7 ，6 8 、 约束最小二乘低副瓣波束合成方法【6 9 】、随机分布阵列方向图合成方法 7 0 ，7 1 】以及基于遗传 算法的低副瓣方向图台成方法。由于天线阵列的应用领域太广而且面临的问题太多，关于快 速、商效、稳健的阵列方向图合成方法将继续研究下去。 2 自适应波束形成算法 提出白适应波束形成算法的目的是改善电子系统的抗干扰能力，经过近4 0 年的发展， 相关算法已经非常丰富。这些算法基本上可以概括为以下几个方面： 基于迭代算法：如最初的l m s 方法和后来加速收敛速度的r l s 、g s 、共轭梯度算 法等，及其变形算法 1 0 ，1 1 , 7 3 7 6 。 批处理方法：如著名的抽样矩阵求逆( s v i i ) 算法和由此演化出的子空间投影算法， 这类算法需要的样本数少，运算量大 7 7 - 7 9 。 约束自适应波束形成算法：如线性约束最小方差( l c m v ) 方法 8 0 8 3 、方向约束 共轭梯度算法【7 5 】等。 不同实现结构的算法：如广义旁瓣对消( g s c ) 8 2 ，8 3 】、波束空间自适应算法 8 5 8 7 】 等，这类算法的运算量减小。 利用信号的时域，频域特性算法：如基于高阶统计量的盲波束形成、恒模算法、循环 平稳算法，这类算法不需要阵列误差校正，但收敛速度特男u 慢 ii ，8 8 9 2 。 一些研究不太广的算法：如基于神经网络算法、自适应波束形成与超角分辨联合算 法、相参信号最优波束形成算法等f 9 3 9 8 。 这些自适应波束形成算法的目的不外乎是干扰对消性能好、加快收敛速度、对阵列误差 不敏感甚至不需要知道阵列误差、运算量小、稳健性高，这些性能要求有些是相互矛盾的， 某一方面性能提高是以另一方面性能损失为代价换取的。 3 超角分辨算法 对于固定波束形状的天线而言，角度分辨率一般以3 d b 天线波束宽度来定义。当两个目 标之间的角度间隔小于3 d b 天线波束宽度，则这两个目标是不可分辨的，这就是我们常说 的瑞利限。二十世纪六十年代末出现的最大熵谱估计( m e m ) 、最小方差无失真响应谱估计 ( m v d r 首先将超角分辨概念引入，随后的三十年里在空域中称作超角分辨方法或在时域 中称作谱估计方法得到了极大的发展【1 1 ，1 5 ，2 6 。七十年代末，基于子空间分解算法开始出 现，八十年代出现了相干信号超角分辨算法和基于信号高阶统计量的超角分辨算法，九十年 代出现了大量的超分辨算法性能分析文章。我们将超角分辨算法按以下方式分类： 4 h _ - 一一 中国科学技术大学博上论文：数字天线阵列及其校正 非子空间分解算法：这类算法不对阵列的相关矩阵进行特征分解，因此运算量小， 但分辨率也差。这类算法有m v d r 、m e m 、最大似然法( m l ) 、阵列外推法、去 卷积法以及自回归谱估计( a r ) 等【1l ，9 9 1 0 3 。 子空间分解算法：这类算法需要对阵列的相关矩阵进行分解，运算量大，分辨率高， 但是其对阵列的误差比较敏感。如果要充分发挥这类算法的性能，阵列的误差校止 要求严格。基于子空间分解算法是当前的研究热点，它们包括最小范数法 ( m i n - n o r m ) 、多重信号分类法( m u s l c ) 及其变形、e s p r i t 法及其变形、子空 间拟合法及其变形等 1 0 4 - 1 1 4 1 。子空间分解算法有个缺点是需要估计相关矩阵中 信号的个数，当信号能量微弱时，会导致信号的丢失，我们通常用最小描述长度来 检测信号个数【1 1 5 】。当多个信号相干时，相关矩阵退化，子空间分解方法无法使用， 这需要通过一定的手段恢复相关矩阵的秩。 相干信号超角分辨：相干信号经常出现在有多径的情况中，比如通信的多径反射、 测高雷达的地面反射、声纳的水下反射信号。目前常用方法是空间平滑方法，但是 空间平滑方法的缺点是只能用在均匀线阵中【1 1 6 1 1 9 】。对于随机分布阵列，我们可 以通过插值方法得到一个均匀线阵，再用前面提到的空间平滑方法恢复相干信号阵 列相关矩阵退化的秩 1 2 0 。 基于信号结构特征的超分辨算法；主要利用信号的高阶统计量、信号的时频特l 生等， 该类算法近些年研究较多f 1 2 i - 1 2 5 。 用先进优化方法搜索信号：如神经网络方法、模拟退火方法实现多维谱峰搜索，减 少运算量 1 2 6 1 2 8 波束空间超分辨算法：这类方法比较少见，因为信号从阵元空间变换到波束空间， 通常伴随着自由度的减少和空间相位信息的消失，所以研究成果也不多f 1 2 9 。 理论上，当信噪比足够大、时间样本足够长，阵列超角分辨算法的分辨率可以无限提高， 因此研究人员开始利用天线阵列系统进行成像研究1 3 0 。 4 空时联合信号处理 空时联合信号处理最早出现在二十世纪七十年代初期，主要对付机载雷达运动时地杂波 多普勒谱展宽现象。在机载雷达中，地杂波强且存在着空间谱和多普勒耦合现象，而空时二 维自适应信号处理( s t a p ) 可以有效对消这些地杂波。在s t a p 方法刚提出时，冈为其运 算量巨大，受当时硬件条件限制，所以未引起注意 2 8 】。随着高速、超大规模集成电路的发 展，再加上次优性能的、小运算量的降维s t a p 方法出现，s t a p 方法在二十世纪八十年代 末直到现在成为研究的热点 8 6 ，1 3 1 ，1 3 2 。二十世纪九十年代。智能天线在通信领域获得了 应用a 通信领域的一个显著特点是多径效应，复杂的多径信号引起天线阵列的空间分集，研 究表明空时编码和空时信号处理可以极大地提高通信信号带宽和增加分集增益【1 3 3 1 3 6 ，空 时信号处理目前是通信领域的研究热点之一。 第一章绪论 6 1 3 阵列系统的误差来源和消除 阵列系统的优点众多，这些优点是以系统的复杂度、系统的硬件量和系统高昂的费用为 代价换取的。阵列系统的多天线单元和多收发通道必然带来阵列系统的误差，虽然工程设计 人员竭尽全力从硬件设计、电路制造和机械加工上保证阵列多通道的一致性，但是有些误差 是无法避免的。比如环境的温度、湿度、阵列平台的震动、天线的耦合、有源器件的老化及 其特性随着温度的变化等都会引起阵列误差。而前面提及的各种先进信号处理算法对阵列误 差非常敏感，有时系统误差甚至会导致这些算法失效。因此研究阵列系统存在那些误差、这 些误差的产生机理以及如何消除这些误差是研究人员急待解决的主要问题。根据阵列误差产 生的机理不同，我们将已经为研究人员所熟知并寻求解决办法的误差划分为下列几大类： 天线位置误差：在射电天文、米波阵列系统中，阵元的位置比较分散且相互之间的 距离远，由于地形起伏，引起天线的位置测量误差。在飞机、舰船上采用共形阵时， 天线单元间的相对位置也不易测量。声纳中采用拖曳式阵列时，水流引起阵列的扰 动，同样引起阵元位置误差。阵元位置误差引起阵列流形的误差。进而导致阵列性 能下降。现在已经提出许多阵列信号处理方法测量并消除这些误差n 3 7 。1 4 0 。 天线互耦误差：当阵列不是稀疏分布时，每个天线单元的能量都会感应到其它天线 单元上，阵元距离越远。耦合能量越少【1 1 。阵列的互耦理论分析主要集中在比较简 单的天线形式上，如偶极子天线、螺旋天线等，关于互耦理论分析近些年不断有文 章出现。天线互耦严重降低了阵列性能，对于单模信号而言，我们可以用数字方法 对互耦进行补偿 1 4 1 1 4 4 ，1 9 2 。 通道误差：阵列系统中的收发通道是有源器件组成的，有源器件的特点是随着温度、 时间和器件使用年限的增加，其幅相特性在缓慢变化。关于阵列通道校正有许多研 究成果可以参考 1 4 5 ，1 4 6 。 阵元失效：阵列系统，尤其是大型阵列系统经常出现一些收发通道损坏和电缆连接 损坏的现象，这被称作阵元失效。阵元失效引起阵列性能下降，严重的导致阵列无 法工作。针对阵元失效，我们一方面更换损坏器件，另一方面用信号处理方法改善 阵元失效带来的负面影响。目前采取的信号处理方法有插值法、共轭梯度优化方法、 遗传算法优化方法等消除阵元失效的影响【1 0 2 ，1 4 7 1 5 0 。 有限数据样本误差：当阵列接收数据为非均匀分布，如机载阵列雷达接收数据或 无法获得足够数据样本时，基于迭代算法无法收敛或s m l 算法性能也下降 7 7 1 。目 前有基于对角加载法、结构协方差法等改善阵列性能r 1 5 2 1 5 4 。 波束指向误差：当信号和干扰混合在一起时，波束没有完全对准信号方向，做自适 应对消时会把信号误认为是干扰也对消了。解决的方法是在信号方向作多线性约 束、导数约束或用自适应与超分辨混合处理方法防止信号对消f 9 4 9 6 ，】5 5 。 信号传输媒介非均匀：在水下声纳定位对，海水的非均匀特性引起信号波形的畸变， 给阵列性能带来负面影响。文献 1 5 6 】分析了这方面的影响，并给出解决方案。 中国科学技术大学博士论文：数字天线阵列及其棱正 近场散射误差：天线阵列常常不是工作在理想场所在天线附件会有散射体存在， 入射信号照射到近场散射体后，反射信号被阵列接收，导致阵列无法准确判断目标 方位。关于近场散射误差的影响及消除研究见文献 1 5 7 - 1 5 9 1 。 信号时变误差：当目标高速运动时，阵列接收信号是时变的，采用批处理的自适应 算法将引起误差。人们常采用子空间跟踪、宽零点形成等方法消除时变信号误差 4 1 ，1 6 0 ，1 6 1 】 除了以上提及的阵列误差外，还有许多未知的误差或有些已知但尚未开始解决的阵列误 差存在，另外，空间、时闻有色嗓声引起的误差也值得关注。 1 4 智能天线与m i m o 的异同 近十年来。无线通信领域对于阵列天线研究比较多的两个子课题是智能天线技术和多输 入多输出( m i m o ) 技术。它们有许多异同点，我们在此做一些简单的总结。 相同之处是它们都采用阵列接收、发射信号，利用了信号的空间信息，可以在空间域对 消干扰。这两项技术增大了信号带宽、提高了信号的质量( 信噪比) 、降低了对发射功率的 要求、扩大了通信覆盏范围、减少了用户在蜂窝小区之间的频繁切换1 1 3 3 1 3 5 ，1 6 2 ，1 6 3 1 。 两者又有本质的差异，首先智能天线中空间信息在天线单元之间是相关的利用这些相 关信息我们可以完成自适应信号处理和超角分辨工作，进而能够得到信号的角度信息。 m i m o 中的空间信息在天线阵列之间是不相关的，对m i m o 信息的处理得到的是空间分集 增益，而得不到信号的空间角度信息。其次，智能天线中的多通道系统需要误差校正，而不 考虑信号在空闻传播的变化。m i m o 系统则不需要单独对阵列多通道进行校正，我们将_ ； j 户端到m i m o 之间的空间传播通道和m i m o 多通道作为一个整体考虑，用已知的参考信号 对系统合成输出做最小均方误差处理( m m s e ) 【4 , 9 ，1 6 4 1 6 6 1 。 还有一类信号传播模型叫分布源传播模型，用户周围的散射体多，所有的多径信号分布 在一个比较宽的角度( 可达几十度) 内到达智能天线。虽然这种情况下散射信号数目比天线 单元数目多，但是我们可以用智能天线中的些技术处理这些信号。关于分布源阵列信号处 理最近有不少学者开展研究【1 6 7 ，1 6 8 。 1 5 论文的安排和创新点 1 5 1 论文的安排 数字天线阵列是一个复杂的系统，而它的应用领域众多。在不同领域其研究重点和方向 也不同- 通过本文的研究工作，我们给出了在雷达和通信领域内数字天线阵列的系统设计方 法，并针对阵列多通道存在固有误差的特点，提出了多种信号处理方法实现收发阵列天线及 多通道校正，论文的最后以数字天线阵列的几个应用实例结束，我们用两个实际的阵列系统 7 第一章绪论 和大量的试验、仿真数据验证了所有方法的有效性和实用性，为以后研制高性能的数字天线 阵列打下了坚实的基础。论文的具体安排如下： 第二章首先介绍了数字天线阵列的一些基本概念，如不同阵列结构下的方向图合成方 法、阵列波束形成的实现方式。然后以一部实用的收发全d b f 新型相控阵雷达为例，详细 地描述了数字天线阵列的结构及工作原理。并给出了各分系统的一些关键测试数据。本章的 擐后简要地讨论了阵列误差对阵列方向图等的影响。 天线单元引入误差的机理及接收状态下的阵列天线误差校正的各种方法在第三章讨论。 以前大量的文献研究集中在阵列互耦产生和校正的研究上，我们进一步考虑更深层次的误差 产生机理，如阵列的有限接地效应、阵列的机械误差效应等。首次提出了基于局部优化的空 间均衡方法，提供了与该方法相配合使用的超角分辨和自适应零点形成算法，并进行了性能 分析。此外，本章还介绍了几种阵列互耦校正方法以及精确阵列流形计算的多线性插值方法。 阵列互耦误差和多通道幅相误差同样存在于发射阵列中，由于发射组件和接收组件的阻 抗特性不一致接收阵列下的阵列互耦系数不能用在发射阵列中。第四章给出了发射多通道 的幅相误差校正方法。以及两种发射阵列互耦校正方法和仿真结果。 第五章介绍和提出了几种干扰情况下的阵列校正方法。当存在单干扰源时，我们给出了 阵列多通道均衡方法，从基于外辐射源阵列雷达上采集的数据验证了该方法的有效性。当存 在多个独立的干扰源时，我们提出了一种改进误差模型的阵列自校正方法。当存在分布干扰 源时，我们介绍了最大似然阵列校正方法，详细推导基于牛顿迭代法的误差求解方法。针对 阵列一般用内部校正方法实现多通道校正，此时存在多干扰源，内部校正方法将失效，我们 首次提出了一种混合校正方法，并给出了仿真结果。 最后，第六章介绍了数字天线阵列在雷达和通信中的应用。在雷达领域，第一个应用实 例是我们给出了一部收发全d b f 新型相控阵雷达的各种自适应零点形成方向图测试结果和 目标探测结果，推导了发射零点形成算法。第二个实例是我们提出了一套适合非合作双基地 雷达的信号处理算法，从基于外辐射源阵列雷达上采集的数据的分析结果验证了该方法的良 好性能。我们还推导了合作式双基地雷达的方向图损失，得出了一些定量的结果。本章的最 后简单的说明了数字天线阵列在通信中的应用以及对误码率的改善。 1 5 2 创新点 前面几节系统地介绍了数字天线阵列的优点和相关的各种信号处理方法，所有的阵列系 统设计和阵列信号处理目的只有一个提高系统性能。理想的、没有阵列误差状态下，只 要信噪比足够大，阵列的性能就可以无限制地提高。实际上，阵列的误差总是存在，而数字 天线阵列的优势是易于实现阵列的误差校正，放宽了对阵列多通道一致性的要求。本文正是 抓住如何消除阵列误差这个核心闯题，开展研究，有些研究的成果已经应用到三部阵列雷达 中，有些研究成果将会得到应用。简丽言之，论文的创新性体现在如下几个方面； 给出了一部设计合理的收发全d b f 新型相控阵雷达系统，介绍了其工作原理及部 8 中国科学技术大学博士论文：数字天线阵列及其校正 分信号处理方法，通过大量的试验数据验证了该雷达的优异性能，这是第一部见诸 报道的、完成目标探测的全数字相控阵雷达系统 2 2 ，5 8 】： 论文首次提出空间均衡的概念和算法，推导了相应的自适应零点形成、超角分辨算 法，试验数据验证了空间均衡方法在自适应零点形成和超角分辨方面的照好性能 【1 6 9 1 7 1 ，2 3 8 ； 首次提出了有虚单元时的阵列互耦校正方法，试验数据验证了互耦误差校正的有效 性 1 7 2 ； 绘出了发射阵列互耦校正方法和良好的发射阵列互耦误差校正和低副瓣发射方向 图的仿真结果e 1 7 3 ，1 7 4 】； 首次提出了种基于内部校正源和干扰源的混合阵列校正方法，仿真结果证明了该 方法在阵列多通道幅相误差校正上的良好性能【2 3 9 】； 论文提出了一套非常适用于非合作式双基地雷达的信号处理方法，从基于外辐射