本发明公开了一种耦合阵列的应用方法，其中涉及了一种采用耦合阵列的相关理论推导实现测向应用的方法。
背景技术：
随着射频和基带集成电路的发展，基于阵列天线的微波系统小型化需求逐渐增强。虽然射频前端和基带系统小型化会改善工作性能，但是系统中小型化的阵列天线会导致阵列天线单元间产生强耦合，使得各射频通路电流中具有非独立成分并难以分离，使得系统工作性能极大降低。
阵列天线单元间的耦合关系可利用一个电路阻抗有效表征，但是实际上很难测量该电路阻抗，尤其是对于大尺寸耦合阵列或者与接收机模块相接的耦合阵列。很少有一个有效的模型和方法可以描述耦合阵列的耦合关系以及测量耦合矩阵，因此在未知电路阻抗的情况下利用耦合阵列进行无线应用是十分困难的。
无线电定位测向，目的是为了估计非协作信号源发出的射频或微波信号的入射角。传统的定位方法包括旋转或切换有向天线、watson-watt测向法、到达时差法(tdoa)、和差分析、多普勒分析(doppler)以及应用在更为复杂的相控阵系统和多输入多输出(mimo)系统中的多信号分类(music)、基于旋转不变性的信号参数估计(esprit)、最大似然估计(mle)等波达方向角估计(doa)方法。随着射频、微波和毫米波集成电路的发展，基于阵列天线的小型化测向系统设计需求越来越大，但是阵列天线的小型化会导致强耦合的产生，导致传统的测向方法失效。
技术实现要素：
为了有效解决上述问题，本发明提出了一种耦合阵列的测向应用方法，解决了采用耦合阵列对非协作信号源进行无线微波定位的技术问题。
本发明针对具有强耦合特点的测向应用，本发明中耦合是指阵列天线单元之间的接收电流会相互影响。耦合阵列通常是指多个间距小于二分之一波长的阵列天线单元排布而成的阵列天线结构。本发明中强耦合通常是指耦合阵列上的阵列天线单元接收端口回波损耗由于耦合的影响小于15db的情况。
本发明采用的技术方案是：
方法采用测向系统，所述的测向系统包括一个cmos图像传感器、一个基于耦合阵列的信号相位检测系统、一个信号源和电脑，cmos图像传感器朝向信号源拍摄，信号源位于cmos图像传感器视野范围内，cmos图像传感器输出连接到电脑；基于耦合阵列的信号相位检测系统包括耦合阵列、接收机模块、相位检测模块和单片机；耦合阵列是由l个阵列天线单元(13-18)规则排布构成，接收机模块是由l个接收机构成，相位检测模块(25-29)是由n-1个相位检测芯片电路构成，相位检测芯片电路有2个输入端，阵列天线单元经接收机连接到其余l-1个相位检测芯片电路的输入端，其余l-1个阵列天线单元依次经各自的接收机连接到相位检测芯片电路的另一个输入端，l-1个相位检测芯片电路的输出连接到单片机的输入端，单片机输出端连接到电脑。
针对耦合阵列建立混合等效电路模型，通过cmos图像传感器拍摄信号源的图像并处理后获得入射角信息，同时利用基于耦合阵列的信号相位检测系统实时检测信号源发出的电磁入射波被接收时的接收电流相位差信息；最后利用接收电流信息和入射角信息相结合通过优化算法求解混合等效电路模型，采用混合等效电路模型对待测信号源采集获得的接收电流相位差信息进行处理，获得信号源的位置，实现了信号源的定位测量。
本发明中，每个阵列天线单元包括接收信号、耦合参数、接收电流的多方面因素；耦合参数是指阵列天线单元之间存在的固有的耦合阻抗参数。
所述方法具体为：
1)建立混合等效电路模型
所述的混合等效电路模型中作为入射到阵列天线单元表面时信号源所发射的电磁入射波等效的电压向量v，作为阵列天线单元的耦合参数等效的电路阻抗矩阵z以及作为阵列天线单元接收到信号源所发射电磁入射波的接收电流等效的电路电流向量i，表示为：
v＝(r z)i
上述公式两边均除以v中任意等效电压的模值|v|后表示为：
r＝η/cosθ
其中，r为由r构成的对角矩阵，r为入射到耦合阵列表面时电磁入射波的匹配参数，η为波阻抗，θ和
2)将信号源布置在一个空间位置上，cmos图像传感器拍摄信号源的图像并进行图像分析处理，获得信号源相对于cmos图像传感器图像成像面的视角坐标
3)将信号源布置在一个空间位置上进行测量，通过基于耦合阵列的信号相位检测系统同步获得相位差信息，信号源发出的电磁入射波被阵列天线单元接收时的接收电流相位为β1,β2,...,βl，l表示基于耦合阵列的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，采用基于耦合阵列的信号相位检测系统实时检测接收电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余l-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为α1＝0,α2＝β2-β1,...,αi＝βi-β1,...,αl＝βl-β1，可作为一组接收电流相位差信息。
4)重复步骤2)和3)多次，将信号源布置在不同空间位置上分别进行测量，获得视角坐标
vn＝(r z)in＝(r z)w[f(σni'n bn)]
其中，σn表示第n组系数矩阵，σn＝[σn1,σn2,...,σnl],σn1为第n组系数矩阵中的第1个元素，σn2为第n组系数矩阵中的第2个元素，σnl为第n组系数矩阵中的第l个元素；w为权值矩阵，bn为第n个偏置常数，f(·)为非线性函数矢量；
本发明中，采用复数形式的批梯度下降法对(r z)w、σn以及bn进行优化，当均方误差最小时即可实现求解。
本发明中，阵列天线单元的数目为l时，需要优化的电路阻抗、系数矩阵、权值和偏置常数的数目为l(3l 1)个。
5)对于待测信号源，重复实施步骤3)获得接收电流相位差信息，将接收电流相位差信息进行构造得到i'n，i'n输入正向等式后在0°至90°范围内以固定步长扫描θ输出多个vn，对每个vn进行计算处理得到多个入射角，将得到的多个入射角中的θ与正向等式计算过程中对应的扫描角进行匹配，入射角中的θ与扫描角相等时的入射角为待测信号源的位置。
所述的优化算法采用包括但不限于全复数反向传播(fcbp)方法、蒙特卡洛算法。
所述的应用方法均可以用硬件描述语言写入fpga或cpld等可编程逻辑器件中实现波束扫描、赋形和测向等正问题应用。
所述的cmos图像传感器和基于耦合阵列的信号相位检测系统相位位置保持固定。
所述的cmos图像传感器与电脑通过usb端口直接相连，单片机通过串口转usb接口与电脑直接相连。
所述的信号源处于阵列天线远场区域范围内。
本发明建立了一种耦合阵列的混合等效电路模型，不同于传统的等效电路模型，该混合等效电路模型包括对阵列天线单元接收到信号源所发射电磁入射波的接收信号、耦合参数和接收电流的建模。在考虑各种因素影响下，根据该混合等效电路模型并求解了关于阵列天线单元间耦合参数的正向等式，基于该正向等式可实现耦合阵列的测向。
本发明的测向方法可延伸应用到波束扫描、赋形和测向等多个领域中。
在多径效应较小的不同场合下，已知混合电路等效模型中的电压向量vn和归一化接收电流向量i'n组成信息，经过方法求解优化均得到模型。
本发明分析了耦合阵列在工作时的物理过程并解决了现存采用耦合阵列进行测向的问题，所具有的有益效果是：
1.该方法可使得耦合阵列在波束扫描、赋形及测向等领域进行应用。
2.相同频率下，实现了使用尺寸更小的耦合阵列进行测向。对于由6个阵列天线单元组成的耦合阵列，每次进行测向的时间仅需50ms。
附图说明
附图1是混合等效电路模型的示意图。
图中：1、2是电磁入射波，3、4是阵列天线单元。
附图2是实施例1中采用的阵列天线单元以及由其构成的耦合阵列。
图中：(a)是阵列天线单元结构，(b)是由阵列天线单元构成的耦合阵列。5表示接收端口，6、7、8、9、10、11表示阵列天线单元。
附图3是实施例1中fcbp算法优化的收敛曲线图。
附图4是实施例1中的测向结果计算值和实际值对比。
附图5是基于耦合阵列的测向软硬件系统及模块示意图。
图中：12表示信号源，13、14、15、16、17、18表示阵列天线单元，19、20、21、22、23、24表示接收机模块，25、26、27、28、29表示相位检测模块，30表示单片机，31表示电脑，32表示cmos图像摄像头
附图6是实施例2中采用的倒f圆极化耦合阵列结构。
图中：33、34、35、36、37、38表示倒f圆极化阵列天线单元。
附图7是实施例2中fcbp算法优化的收敛曲线图。
附图8是实施例2中的测向结果计算值和实际值对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图5所示，方法采用测向系统，测向系统包括一个cmos图像传感器32、一个基于耦合阵列的信号相位检测系统、一个信号源12和电脑31，cmos图像传感器32朝向信号源12拍摄，信号源12位于cmos图像传感器32视野范围内，同时信号源12处于阵列天线远场区域范围内。cmos图像传感器32输出连接到电脑31；基于耦合阵列的信号相位检测系统包括耦合阵列、接收机模块19-24、相位检测模块25-29和单片机30；耦合阵列是由l个阵列天线单元13-18规则排布构成，接收机模块19-24是由l个接收机构成，相位检测模块25-29是由n-1个相位检测芯片电路构成，相位检测芯片电路有2个输入端，经由2个输入端输入到电路中的信号可以经过鉴相得到相位差。阵列天线单元13-18和接收机的数量相同，相位检测芯片电路的数量比阵列天线单元13-18和接收机的数量少一个，阵列天线单元17经接收机连接到其余l-1个相位检测芯片电路的输入端，其余l-1个阵列天线单元13-16、18依次经各自的接收机连接到相位检测芯片电路的另一个输入端，l-1个相位检测芯片电路的输出连接到单片机30的输入端，单片机30输出端连接到电脑31。
cmos图像传感器32和基于耦合阵列的信号相位检测系统中的耦合阵列相位位置保持固定。cmos图像传感器32与电脑31通过usb端口直接相连，单片机30通过串口转usb接口与电脑31直接相连。
信号源12发出电磁波信号，被信号相位检测系统的耦合阵列的阵列天线单元13-18接收，进而经接收机模块19-24的l个接收机和l-1个相位检测模块25-29的相位检测仪器后将信号发送到单片机30，经单片机30发送到电脑31中进行分析处理。
针对耦合阵列建立混合等效电路模型，通过cmos图像传感器32拍摄信号源12的图像并处理后获得入射角信息，同时利用基于耦合阵列的信号相位检测系统实时检测信号源12发出的电磁入射波被接收时的接收电流相位差信息；最后利用接收电流信息和入射角信息相结合通过优化算法求解混合等效电路模型，进而用接收电流信息和入射角信息对信号源12所需的系统内部进行校准，采用混合等效电路模型对待测信号源采集获得的接收电流相位差信息进行处理，获得信号源的位置，实现了信号源的定位测量。
图1所示为两个阵列天线单元3、4接收到电磁入射波1、2时的混合等效电路模型。作为入射到阵列天线单元表面时信号源8所发射的电磁入射波等效的电压向量v＝[v1＝|v|,v2＝|v|e-jkdsinθ]t，作为阵列天线单元的耦合参数等效的电路阻抗矩阵：
以及作为阵列天线单元接收到信号源8所发射电磁入射波的接收电流等效的电路电流向量
本发明方法实施过程可以为：
1)建立混合等效电路模型
混合等效电路模型中作为入射到阵列天线单元表面时信号源12所发射的电磁入射波等效的电压向量v，作为阵列天线单元的耦合参数等效的电路阻抗矩阵z以及作为阵列天线单元接收到信号源12所发射电磁入射波的接收电流等效的电路电流向量i，表示为：
v＝(r z)i
上述公式两边均除以v中任意等效电压的模值|v|后表示为：
r＝η/cosθ
其中，r为由r构成的对角矩阵，r表征入射到耦合阵列表面时电磁入射波的匹配情况，η为波阻抗，θ和
2)将信号源12布置在一个空间位置上，cmos图像传感器32拍摄信号源12的图像并进行图像分析处理，获得信号源12相对于cmos图像传感器32图像成像面的视角坐标
视角坐标
3)将信号源12布置在一个空间位置上进行测量，通过基于耦合阵列的信号相位检测系统同步获得相位差信息，信号源12发出的电磁入射波被阵列天线单元接收时的接收电流相位为β1,β2,...,βl，l表示基于耦合阵列的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，信号源12在每一个位置上时，采用基于耦合阵列的信号相位检测系统实时检测接收电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余l-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为α1＝0,α2＝β2-β1,...,αi＝βi-β1,...,αl＝βl-β1，可作为一组接收电流相位差信息；
4)重复步骤2)和3)多次，将信号源12布置在不同空间位置上分别进行测量，获得视角坐标
vn＝(r z)in＝(r z)w[f(σni′n bn)]
其中，σn表示第n组系数矩阵，σn＝[σn1,σn2,...,σnl],σn1为第n组系数矩阵中的第1个元素，σn2为第n组系数矩阵中的第2个元素，σnl为第n组系数矩阵中的第l个元素；w为权值矩阵，bn为第n个偏置常数，f(·)为非线性函数矢量；
5)确定正向等式后，对于待测信号源，重复实施步骤3)获得接收电流相位差信息，将接收电流相位差信息进行构造得到i'n，i'n输入正向等式后在0°至90°范围内以固定步长扫描θ输出多个vn，对每个vn进行计算处理得到多个入射角，将得到的多个入射角中的θ与正向等式计算过程中对应的扫描角进行匹配，入射角中的θ与扫描角相等时的入射角为待测信号源的位置。是指在一定范围内，如0至90°的区间内按照一定步长逐个代入到正向等式中进行计算，求得的角度位置θ与此时用于计算的扫描角θ进行比较，如果相等此时求得的角度位置即为待测信号源的位置。
本发明的实施例如下：
实施例1：
实施例1采用图2所示的阵列天线单元以及由其构成的耦合阵列来证明上述方法。阵列天线单元间距为0.3倍的工作波长，基板介电常数为6.15，基板厚度为1.6mm。
首先根据实际情况自行设定电磁入射波的入射角
fcbp算法优化的收敛曲线如图3所示，fcbp算法在经过5000余次的迭代后达到设定的均方误差mse阈值。
图4将测向结果的计算值和实际值进行了比较，θ的平均绝对误差为0.17°，均方根误差为0.71°；
实施例2：
实施例2采用图5所示的测向软硬件系统对所述方法进行证明。
图5所示，硬件系统包括由阵列天线单元13、14、15、16、17、18构成的耦合阵列，接收机模块19、20、21、22、23、24，相位检测模块25、26、27、28、29、单片机30、电脑31以及cmos图像摄像头32组成。信号源12发出的电磁入射波被阵列天线单元13、14、15、16、17、18接收后，在阵列天线单元上的接收电流通过接收端口输入到接收机模块19、20、21、22、23、24中。以接收机模块23输出的中频信号为参考信号，接收机模块19、20、21、22、24输出的中频信号输入到相位检测模块后，通过鉴相得到接收机模块19、20、21、22、24与接收机模块23输出的中频信号之间的信号相位差信息，相位检测模块的输出信号输入到单片机30中经过ad采样后输出，然后利用串口通信的方式输入到电脑31中，在电脑中可收到相位差的具体数值。cmos图像摄像头32与电脑31连接可以显示信号源12的图像位置，采用坐标变换等方式可以计算得到非协作信号源在耦合阵列坐标系下的角度位置，所得角度位置也是信号源发出的电磁入射波的入射角。
图6所示为实施例中所采用的倒f圆极化耦合阵列结构，阵列天线单元间距为0.3倍波长，其中阵列天线单元33、34、35、36、37、38分别对应图5中的阵列天线单元13、14、15、16、17、18。
首先根据实际情况自行设定信号源12发出的电磁入射波的入射角范围，将已知的入射角进行构造可以得到vn。将信号源放置在cmos图像摄像头视野范围内的多个位置，可以在电脑上测得相位检测模块25、26、27、28、29输出的5组相位差α2,α3,α4,α5,α6，然后基于5组相位差可以构造得到接收到的归一化电流向量i'n。vn与i'n可以共同构成用于fcbp算法优化的先验信息。
fcbp算法优化的收敛曲线如图7所示，fcbp算法在经过17000余次的迭代后达到设定的均方误差mse阈值。
图8将测向结果的计算值和实际值进行了比较，θ的平均绝对误差为0.86°，均方根误差为1.00°；
1.一种基于耦合阵列的测向方法，其特征在于：方法采用测向系统，所述的测向系统包括一个cmos图像传感器(32)、一个基于耦合阵列的信号相位检测系统、一个信号源(12)和电脑(31)，cmos图像传感器(32)朝向信号源(12)拍摄，信号源(12)位于cmos图像传感器(32)视野范围内，cmos图像传感器(32)输出连接到电脑(31)；基于耦合阵列的信号相位检测系统包括耦合阵列、接收机模块(19-24)、相位检测模块(25-29)和单片机(30)；耦合阵列是由l个阵列天线单元(13-18)规则排布构成，接收机模块(19-24)是由l个接收机构成，相位检测模块(25-29)是由n-1个相位检测芯片电路构成，相位检测芯片电路有2个输入端，阵列天线单元(17)经接收机连接到其余l-1个相位检测芯片电路的输入端，其余l-1个阵列天线单元(13-16、18)依次经各自的接收机连接到相位检测芯片电路的另一个输入端，l-1个相位检测芯片电路的输出连接到单片机(30)的输入端，单片机(30)输出端连接到电脑(31)；针对耦合阵列建立混合等效电路模型，通过cmos图像传感器(32)拍摄信号源(12)的图像并处理后获得入射角信息，同时利用基于耦合阵列的信号相位检测系统实时检测信号源(12)发出的电磁入射波被接收时的接收电流相位差信息；最后利用接收电流信息和入射角信息相结合通过优化算法求解混合等效电路模型，采用混合等效电路模型对待测信号源采集获得的接收电流相位差信息进行处理，获得信号源的位置，实现了信号源的定位测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合阵列的测向方法，其特征在于：所述方法具体为：
1)建立混合等效电路模型
所述的混合等效电路模型中作为入射到阵列天线单元表面时信号源(12)所发射的电磁入射波等效的电压向量v，作为阵列天线单元的耦合参数等效的电路阻抗矩阵z以及作为阵列天线单元接收到信号源(12)所发射电磁入射波的接收电流等效的电路电流向量i，表示为：
v＝(r z)i
上述公式两边均除以v中任意等效电压的模值|v|后表示为：
r＝η/cosθ
其中，r为由r构成的对角矩阵，r为入射到耦合阵列表面时电磁入射波的匹配参数，η为波阻抗，θ和
2)将信号源(12)布置在一个空间位置上，cmos图像传感器(32)拍摄信号源(12)的图像并进行图像分析处理，获得信号源(12)相对于cmos图像传感器(32)图像成像面的视角坐标
3)将信号源(12)布置在一个空间位置上进行测量，通过基于耦合阵列的信号相位检测系统同步获得相位差信息，信号源(12)发出的电磁入射波被阵列天线单元接收时的接收电流相位为β1,β2,...,βl，l表示基于耦合阵列的信号相位检测系统中的阵列天线单元的总数，采用基于耦合阵列的信号相位检测系统实时检测接收电流间的相位差信息，以第1个阵列天线单元为参考时，其余l-1个阵列天线单元上的接收电流相位均与第1个阵列天线单元上的接收电流相位进行相减归一化，得到的相位差分别为α1＝0,α2＝β2-β1,...,αi＝βi-β1,...,αl＝βl-β1，可作为一组接收电流相位差信息；
4)重复步骤2)和3)多次，将信号源(12)布置在不同空间位置上分别进行测量，获得视角坐标
vn＝(r z)in＝(r z)w[f(σni'n bn)]
其中，σn表示第n组系数矩阵，σn＝[σn1,σn2,...,σnl],σn1为第n组系数矩阵中的第1个元素，σn2为第n组系数矩阵中的第2个元素，σnl为第n组系数矩阵中的第l个元素；w为权值矩阵，bn为第n个偏置常数，f(·)为非线性函数矢量；
5)对于待测信号源，重复实施步骤3)获得接收电流相位差信息，将接收电流相位差信息进行构造得到i'n，i'n输入正向等式后在0°至90°范围内以固定步长扫描θ输出多个vn，对每个vn进行计算处理得到多个入射角，将得到的多个入射角中的θ与正向等式计算过程中对应的扫描角进行匹配，入射角中的θ与扫描角相等时的入射角为待测信号源的位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合阵列的测向方法，其特征在于：
所述的优化算法采用包括但不限于全复数反向传播(fcbp)方法、蒙特卡洛算法。
4.根据权利要求1所述的一种基于耦合阵列的测向方法，其特征在于：
所述的cmos图像传感器(32)和基于耦合阵列的信号相位检测系统相位位置保持固定。
5.根据权利要求1所述的一种基于耦合阵列的测向方法，其特征在于：
所述的cmos图像传感器(32)与电脑(31)通过usb端口直接相连，单片机(30)通过串口转usb接口与电脑(31)直接相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于耦合阵列的测向方法，其特征在于：
所述的信号源(12)处于阵列天线远场区域范围内。
技术总结