CN111220942A - 一种接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法。首先，处于回转台上的接收阵在不同方向采集的入射信号经过聚焦波束形成处理得到一系列的波达方向估计；然后，在频域建立接收信号协方差矩阵，并建立幅相一致性误差估计模型；选取小角度入射角信号，将其邻域角度分别假设为理想入射角，根据幅相一致性误差估计模型估计对应邻域内角度的误差估计结果；最后，根据误差结果补偿阵列，根据试验预设参数选择两已知角度间隔的数据，评估对于角度间隔估计的偏差，根据偏差极小值确定幅相一致性误差，完成校准。本发明能够在不需要辅助信源的情况下提高阵列的幅相一致性及测向性能。

Description

一种接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法
技术领域
本发明涉及的是一种阵列天线的校准和测量方法，具体地说是一种接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法。
背景技术
信号波达方向估计中需要采用波束形成方法对来波方位进行扫描，而一些波束形成算法的测向性能极大依赖于阵元间的幅度相位信息，接收换能器阵列由于长时间使用，阵元加工工艺差异，以及环境变化等会不可避免引发水声换能器阵元间幅度相位的不一致性问题，进一步导致测向精度下降、波束图旁瓣级升高。
现有的接收换能器阵列幅相一致性校准方法通常需要借助辅助信源获得方位信息，并且大多采用平面波假设模型。然而借助辅助信源的被动校准方法更易引入误差，并且平面波的假设模型仅适用于远场，一旦被校准对象孔径较大且阵元数较多，若继续采用平面波模型，则校准方法对校准场地尺寸有着较高的要求，而这通常是难以满足的。此外，由于一个周期内时域信号的采样点数目较多，在涉及协方差矩阵运算时，现有校准方法多在时域进行，运算量较大。
近场聚焦波束形成基于球面波假设能够对声源位置聚焦，相对于平面波假设模型，它可以保证距离发射声源较近时依然具有精确的测向结果，为测量条件提供了便利。尤其是在对孔径较大且阵元数较多的换能器阵列进行校准时，相比于传统校准方法具有天然的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在校准场地尺寸有限且无辅助信源的情况下能够提高接收换能器阵列幅相一致性的接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)建立近场聚焦波束形成模型，处于回转台上的接收阵在不同方向采集的入射信号经过聚焦波束形成处理得到一系列的波达方向估计；
(2)在频域建立接收信号协方差矩阵，并建立幅相一致性误差估计模型；
(3)选取小角度入射角信号，将其邻域角度分别设为理想入射角，根据幅相一致性误差估计模型估计对应邻域内角度的幅相误差；
(4)根据误差结果补偿阵列，根据预设参数选择两已知角度间隔的数据，评估对于角度间隔估计的偏差，根据偏差极小值确定幅相一致性误差，完成校准。
本发明还可以包括：
1.所述的近场聚焦模型为：
Figure BDA0002310787940000021
其中，V(θ)为对应于入射方向θ的波束输出，M为待估计阵列的阵元数，xm为第m个阵元接收到的信号，
Figure BDA00023107879400000211
为在第n个采样时刻下，接收信号在阵元m与参考阵元之间的相位差。
2.步骤(2)具体包括：
建立幅相一致性误差估计模型，Γ和Φ分别作为阵列的幅度相位向量有：
Γ＝diag[ρ1,ρ2,…,ρM]
Figure BDA0002310787940000022
其中ρm和
Figure BDA0002310787940000023
分别为第m个阵元的幅度和相位向量，并且ρ1＝1,
Figure BDA0002310787940000024
则理想接收信号以及存在误差的接收信号表示为：
X0(t)＝AS(t)+N(t)
X(t)＝ΓΦ(AS(t)+N(t))
Figure BDA0002310787940000025
S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sM(t)]T(s1(t)＝s2(t),…,＝sM(t))
N(t)＝[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T
其中，X0(t)和X(t)为以理想接收信号和实际接收信号矩阵；S(t)为信源发射信号组成的发射信号矩阵，N(t)为各阵元接收的噪声组成的噪声矩阵，其中噪声设为高斯白噪声；
将各阵元接收的理想信号X0(t)和实际信号X(t)经过傅里叶变换至频域得到X0 fre(f)和Xfre(f)，分别提取距离零频最近频谱峰值X0 P和XP：
Figure BDA0002310787940000026
Xfre(f)＝[x1(f),x2(f),…,xM(f)]T
Figure BDA0002310787940000027
XP＝[P1,P2,…,PM]T
并构建理想协方差矩阵和实际协方差矩阵
Figure BDA0002310787940000028
和RX：
Figure BDA0002310787940000029
Figure BDA00023107879400000210
幅相一致性误差矩阵Ω和各阵元幅相一致性误差ρ和
Figure BDA0002310787940000031
为：
Figure BDA0002310787940000032
Figure BDA0002310787940000033
Figure BDA0002310787940000034
3.步骤(3)中，选择小角度的入射角为θ0的接收信号，在角度范围为ε的邻域中对邻域内K个角度遍历，使得理想角度θs满足θs(k)∈(θ0-ε,θ0+ε)，计算对应邻域内各个角度的幅相一致性误差Ω(k)。
4.步骤(4)具体为：
对k组各通道幅度误差ρm(k)和相位误差
Figure BDA0002310787940000035
分别补偿阵列，选择两入射角间隔为Δθ的接收信号，其中参数Δθ0根据回转台获得，分别估计这两组信号的波达方向并计算其角度间隔Δθ(k)，考察对角度间隔估计的偏差e(k)＝|Δθ0-Δθ(k)|，若在角度邻域(θ0-ε,θ0+ε)内存在唯一极小值,则
Figure BDA0002310787940000036
理想角度为
Figure BDA0002310787940000037
换能器阵列各阵元的幅相误差为
Figure BDA0002310787940000038
和
Figure BDA0002310787940000039
与现有技术相比，本发明的有益效果是：无需辅助信源而采用回转台提供的角度间隔信息进行校准，试验简便且更易实际操作。相比于平面波假设模型，采用基于球面波假设的近场聚焦波束形成处理方法估计结果更精确，能够克服传统校准方法对于校准场地的尺寸难以满足的问题，通用性强。此外，本发明的校准方法在频域中的一次快拍即可完成协方差矩阵的构建，有效减少了计算量，并且频域处理使得信号在解调频后无需低通滤波环节就能提取有效信息。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为角度间隔估计偏差示意图；
图3a为阵元间幅度校准前后示意图；
图3b为阵元间相位校准前后示意图；
图4为幅相一致性误差校准前后的波束形成图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1至图4，本发明的接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法主要包括以下几个步骤：
(1)处于回转台上的接收阵在不同方向采集的入射信号经过聚焦波束形成处理得到一系列的波达方向估计；
(2)在频域建立接收信号协方差矩阵，并建立幅相一致性误差估计模型；
(3)选取小角度入射角信号，将其邻域角度分别假设为理想入射角，根据幅相一致性误差估计模型估计对应邻域内角度的幅相误差；
(4)根据误差结果补偿阵列，根据试验预设参数选择两已知角度间隔的数据，评估对于角度间隔估计的偏差，根据偏差极小值确定幅相一致性误差，完成校准。
回转台作为待校准接收阵的载体能够采集不同方向上入射的信号，能够获得任意两组采样数据的入射角度间隔，通过聚焦波束形成估计多组数据的波达方向，选择具有小角度入射的数据遍历其角度邻域，采用协方差矩阵算法计算幅相误差，考察补偿后的阵列对具有两已知入射角间隔的数据的估计偏差，通过偏差极小值存在情况，调节邻域范围，最终确定幅相一致性误差，校准的流程如图1所示。
步骤(1)中涉及的近场聚焦模型为：
Figure BDA0002310787940000041
其中，V(θ)为对应于入射方向θ的波束输出，M为待估计阵列的阵元数，xm为第m个阵元接收到的信号，
Figure BDA0002310787940000042
为在第n个采样时刻下，接收信号在阵元m与参考阵元之间的相位差；
上述建立的近场聚焦模型基于球面波假设，与平面波不同的是需要对接收信号的每一个采样时刻进行相位补偿以实现聚焦，
Figure BDA0002310787940000043
为：
Figure BDA0002310787940000044
其中dm为第m个阵元相对于参考阵元的间距，λ为声波的波长，rn表示在第n个采样时刻下对应的聚焦距离。
步骤(2)建立幅相一致性误差估计模型，Γ和Φ分别作为阵列的幅度相位向量有：
Γ＝diag[ρ1,ρ2,…,ρM]
Figure BDA0002310787940000045
其中ρm和
Figure BDA0002310787940000046
分别为第m个阵元的幅度和相位向量，并且有ρ1＝1,
Figure BDA0002310787940000047
则理想接收信号以及存在误差的接收信号可以表示为：
X0(t)＝AS(t)+N(t)
X(t)＝ΓΦ(AS(t)+N(t))
Figure BDA0002310787940000051
S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sM(t)]T(s1(t)＝s2(t),…,＝sM(t))
N(t)＝[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T
其中X0(t)和X(t)为以理想接收信号和实际接收信号矩阵。S(t)为信源发射信号组成的发射信号矩阵，N(t)为各阵元接收的噪声组成的噪声矩阵，其中噪声假设为高斯白噪声；
将各阵元接收的理想信号X0(t)(各阵元幅相一致性误差一致)和实际信号X(t)经过傅里叶变换至频域得到X0 fre(f)和Xfre(f)，分别提取距离零频最近频谱峰值X0 P和XP：
Figure BDA0002310787940000052
Xfre(f)＝[x1(f),x2(f),…,xM(f)]T
Figure BDA0002310787940000053
XP＝[P1,P2,…,PM]T
并构建理想协方差矩阵和实际协方差矩阵
Figure BDA0002310787940000054
和RX：
Figure BDA0002310787940000055
Figure BDA0002310787940000056
幅相一致性误差矩阵Ω和各阵元幅相一致性误差ρ和
Figure BDA0002310787940000057
为：
Figure BDA0002310787940000058
Figure BDA0002310787940000059
Figure BDA00023107879400000510
步骤(3)中选择小角度的入射角为θ0的接收信号，在角度范围为ε的邻域中对邻域内K个角度遍历，使得理想角度θs满足θs(k)∈(θ0-ε,θ0+ε)，计算对应邻域内各个角度的幅相一致性误差Ω(k)。
步骤(4)对k组各通道幅度误差ρm(k)和相位误差
Figure BDA00023107879400000511
分别补偿阵列，选择两入射角间隔为Δθ的接收信号，其中参数Δθ0根据回转台获得，分别估计这两组信号的波达方向并计算其角度间隔Δθ(k)，考察对角度间隔估计的偏差e(k)＝|Δθ0-Δθ(k)|，若在角度邻域(θ0-ε,θ0+ε)内存在唯一极小值,则
Figure BDA00023107879400000512
理想角度为
Figure BDA00023107879400000513
换能器阵列各阵元的幅相误差为
Figure BDA0002310787940000061
和
Figure BDA0002310787940000062
对接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法进行了仿真试验分析，待校准的阵列为一阵元数为M＝100的均匀线列阵，阵元间距d＝3.75mm，由于阵列安装在回转台上使得各数据间入射角度间隔为已知，回转台设定旋转范围为-90°～90°，回转速度为0.6°/s，信号源与接收阵距离为10m处于近场范围，发射高频窄带脉冲信号，其中发射信号中心频率为200kHz，脉冲宽度为0.1ms，信号发射的同时接收阵接收，周期均为1s,则共有300组接收信号，且每相邻两组数据的角度间隔为0.6°，其中以第150组数据的入射角度为理想的参考值，设为0.8°。引入幅度相位误差，各阵元幅度误差满足ρ～N(1,0.32)，相位误差满足
Figure BDA0002310787940000063
存在幅相一致性误差情况下使得第150组数据的波束图的旁瓣级升高并导致波达方向估计偏差为0.9°。以0.9°对附近邻域进行搜索，由于设定的理想值为0.8°，则选择邻域为0.7°～0.9°进行遍历，每次遍历增量为0.01°，共21个角度，通过幅相一致性误差估计模型计算得到21组阵元间幅度相位误差，根据21组幅相误差对阵列补偿前，为结果更加明显应选择入射角较大的数据，适当选择两角度间隔为24°的两组数据，选择第100组数据和第140组数据，在每一组幅相误差补偿后，记录对两组数据的波达方向估计结果。经过处理，得到对应不同组数据的角度间隔估计误差。由图2可知，第11组幅相误差对阵列补偿后具有最佳的估计结果，对应的入射角度为0.8°与理想角度参考值一致，并且在邻域内具有唯一的极小值，因此阵列的幅度相位误差可以确定，幅相误差真实值与估计值的对比如图3a和图3b，阵列校准前后对第150组数据进行处理得到的波束图如图4。经过校准，阵列的测向精度得到了提高，波束图的旁瓣得到了抑制。
综上,本发明提供了一种接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法。无需辅助信源即可完成校准，尤其是在对孔径较大且阵元数较多的换能器阵列进行校准时，采用的基于近场球面波模型能够克服校准场地尺寸难以满足测量要求的现状。在频域中构造协方差矩阵简化了解调频步骤和计算复杂度，本发明提高了阵列的幅相一致性及测向性能，操作简便，适合工程应用。

Claims (5)

1.一种接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法，其特征是包括如下步骤：
(1)建立近场聚焦波束形成模型，处于回转台上的接收阵在不同方向采集的入射信号经过聚焦波束形成处理得到一系列的波达方向估计；
(2)在频域建立接收信号协方差矩阵，并建立幅相一致性误差估计模型；
(3)选取小角度入射角信号，将其邻域角度分别设为理想入射角，根据幅相一致性误差估计模型估计对应邻域内角度的幅相误差；
(4)根据误差结果补偿阵列，根据预设参数选择两已知角度间隔的数据，评估对于角度间隔估计的偏差，根据偏差极小值确定幅相一致性误差，完成校准。
2.根据权利要求1所述的接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法，其特征是所述的近场聚焦模型为：
Figure FDA0002310787930000011
其中，V(θ)为对应于入射方向θ的波束输出，M为待估计阵列的阵元数，xm为第m个阵元接收到的信号，
Figure FDA0002310787930000016
为在第n个采样时刻下，接收信号在阵元m与参考阵元之间的相位差。
3.根据权利要求2所述的接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法，其特征是步骤(2)具体包括：
建立幅相一致性误差估计模型，Γ和Φ分别作为阵列的幅度相位向量有：
Γ＝diag[ρ1,ρ2,…,ρM]
Figure FDA0002310787930000012
其中ρm和
Figure FDA0002310787930000013
分别为第m个阵元的幅度和相位向量，并且ρ1＝1,
Figure FDA0002310787930000014
则理想接收信号以及存在误差的接收信号表示为：
X0(t)＝AS(t)+N(t)
X(t)＝ΓΦ(AS(t)+N(t))
Figure FDA0002310787930000015
S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sM(t)]T(s1(t)＝s2(t),…,＝sM(t))
N(t)＝[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T
其中，X0(t)和X(t)为以理想接收信号和实际接收信号矩阵；S(t)为信源发射信号组成的发射信号矩阵，N(t)为各阵元接收的噪声组成的噪声矩阵，其中噪声设为高斯白噪声；
将各阵元接收的理想信号X0(t)和实际信号X(t)经过傅里叶变换至频域得到X0 fre(f)和Xfre(f)，分别提取距离零频最近频谱峰值X0 P和XP：
Figure FDA0002310787930000021
Xfre(f)＝[x1(f),x2(f),…,xM(f)]T
Figure FDA0002310787930000022
XP＝[P1,P2,…,PM]T
并构建理想协方差矩阵和实际协方差矩阵
Figure FDA0002310787930000023
和RX：
Figure FDA0002310787930000024
Figure FDA0002310787930000025
幅相一致性误差矩阵Ω和各阵元幅相一致性误差ρ和
Figure FDA0002310787930000026
为：
Figure 1
4.根据权利要求3所述的接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法，其特征是步骤(3)中，选择小角度的入射角为θ0的接收信号，在角度范围为ε的邻域中对邻域内K个角度遍历，使得理想角度θs满足θs(k)∈(θ0-ε,θ0+ε)，计算对应邻域内各个角度的幅相一致性误差Ω(k)。
5.根据权利要求4所述的接收换能器阵列幅相一致性近场校准方法，其特征是步骤(4)具体为：
对k组各通道幅度误差ρm(k)和相位误差
Figure FDA0002310787930000028
分别补偿阵列，选择两入射角间隔为Δθ的接收信号，其中参数Δθ0根据回转台获得，分别估计这两组信号的波达方向并计算其角度间隔Δθ(k)，考察对角度间隔估计的偏差e(k)＝|Δθ0-Δθ(k)|，若在角度邻域(θ0-ε,θ0+ε)内存在唯一极小值,则
Figure FDA0002310787930000029
理想角度为
Figure FDA00023107879300000210
换能器阵列各阵元的幅相误差为
Figure FDA00023107879300000211
和
Figure FDA00023107879300000212
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