一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法

2023-06-02 01:04:41 2

專利名稱：一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用海洋回波對高頻地波雷達進行陣列通道校正的方法。
背景技術：
高頻地波雷達是一種利用高頻(3～30MHz)電磁波沿地球表面繞射來探測遠距離目標(艦船、低空飛機、巡航飛彈、海洋表面等)的新型雷達，具有探測距離遠、反隱身、抗反輻射飛彈、抗低空突防、能探測海洋表面狀態等突出優點(與常規雷達相比)，具有很大的發展潛力。
高頻地波雷達採用相控陣天線，應用數字波束形成和空間譜估計技術對海上目標進行波束掃描和DOA(到達方向)估計，能有效探測風、浪、流等海洋表面狀態及飛機、艦船等運動目標。
由於硬體本身的不一致及天線間互耦效應等多種因素的影響，實際中組成雷達陣列的各個接收通道的幅度特性和相位特性是有差異的，導致回波信號經過不同通道後的幅度和相位變化不一致。這種通道特性的不一致引起波束掃描和DOA估計的誤差增大，甚至完全失效，是影響高頻地波雷達探測性能的關鍵問題之一。為了保證雷達能有效工作，必須採取措施使陣列通道間的不一致性限制在一定的範圍內一方面，通過適當的措施(如元器件篩選)使各通道在製作時儘量保證其一致性；另一方面，可以通過校正進一步縮小通道特性的差異。
現有的陣列通道校正方法可分為無源校正和有源校正兩類。
在無源校正方法中，無需方向準確已知的信號源，直接利用接收的實測數據和一些先驗知識(如陣列形式)計算各通道的幅度和相位誤差，然後進行補償校正。有些無源校正方法還可以實現對信號到達方向和通道誤差的聯合估計。在劉德樹、羅景青等編著的《空間譜估計及其應用》(中國科技大學出版社1997年)一書中對此方法有詳細闡述。
在有源校正方法中，將一已知信號源放至離陣列足夠遠的開闊場地，發射信號，測量各接收通道輸出信號的幅度和相位，扣除陣列空間位置引起的相位差，即可得到通道誤差信息。此校正方法原理簡單，效果良好，在實際中得到了廣泛應用。在高頻地波雷達中，用於校正的信號源是一個放置在陣列前方遠處的應答器，用於將接收的雷達信號放大後發射回去，把應答信號的陣列響應同理想陣列響應相比較，可以得到通道幅相誤差的估計。
在現有通道校正方法中，無源校正需要多次複雜的迭代運算，計算量很大，不一定能滿足實時性要求，且有可能收斂於局部最小值，而不是全局最小值，從而得到錯誤的結果。採用應答器的有源校正雖然原理簡單，效果良好，但在實際場合的應用受到了很多限制應答器在海上放置和維護十分困難，難以長期工作；不易消除島嶼或艦船等引起的多徑效應的影響，等等。
為了更好地對本發明進行說明，下面對高頻地波雷達的工作原理進行介紹。高頻地波雷達採用FMCW(線性調頻連續波)體制，在收發共站的情況下，為解決收發隔離問題加以中斷成為FMICW(線性調頻中斷連續波)體制，Rafaat Khan等人發表的題為「高頻地波雷達目標探測與跟蹤」(Target Detection and Tracking With a High Frequency Ground WaveRadar.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的論文中對此有詳細描述。
雷達信號發生器產生FMCW本振信號，可以表示為 fo為雷達信號載頻，α為掃頻速率，T是掃頻周期，A和分別是信號幅度和初相。本振信號經門控脈衝中斷後成為發射信號ST(t)＝S(t)g(t)(2)門控脈衝g(t)可以表示為g(t)=p=0P-1rect[t-pq-T02T0]---(3)]]>P是掃頻周期T內的門控脈衝個數，T0、q分別為脈衝寬度和周期。 代表寬度為T0，中心在原點的矩形脈衝。
若目標在距離r處以徑向速度v(遠離雷達為正)運動，則雷達接收的目標反射信號的時間延遲為=2(r+vt)c]]>其中c是光速。雷達接收信號為SR(t)＝KRST(t-τ)(5)KR為傳播衰減因子。接收信號與本振信號混頻後，經低通濾波解調得到基帶信號為SI(t)=lowpass{S(t)SR(t)}]]>=AIcos(2(t-f0-22))---(6)]]>AI是基帶信號幅度。低通濾波去掉了脈衝調製而使基帶信號成為連續波，因此(6)式中沒有了門控脈衝g(t)這一項。將(4)式代入(6)式後展開，略去一些很小的相位量可得
SI(t)AIcos(2(2(r-f0vc)t+2vct2-2f0rc-2r2c2))=AIcos---(7)]]>基帶信號瞬時頻率為f(t)=12ddt=2rc-2f0vc+4vtc---(8)]]>其中第一項由目標距離引起，第二、三項由目標徑向速度引起。在高頻雷達中|2rc|>>|-2f0vc+4vtc|,]]>因而有f(t)2rc.]]>以上分析表明，對基帶信號A/D變換後進行FFT 得到與距離對應的離散頻譜，這次FFT稱為距離變換，所得距離譜為RI[m]=FFT{SI(t)}]]>=AIFFT{cos(2(t-f0-22))}]]>=AIR[m]---(9)]]>將一個掃頻周期內得到的距離譜作為一行，則連續lmax個掃頻周期得到的距離譜可以構成一個lmax×mmax矩陣 mmax為最遠距離元序數。
現在分析R中每一行的相位隨掃頻周期序數(行序數)l的變化規律。第l個掃頻周期時，目標距離為r1＝r+v(l-1)T (11)則第l個掃頻周期基帶信號相位為l=2(2(r1-f0vc)t+2vct2-2f0rlc-2rl2c2)---(12)]]>在100個掃頻周期內，即lmax≤100時，略去一些小的相位項，連續兩個掃頻周期基帶信號相位差為2(-2f0vc)T---(13)]]>根據這個近似，R中第l行與第1行僅僅相差一個相位因子 可以近似表示為 對(14)式的每一列再進行一次FFT就可以得到與速度對應的都卜勒頻譜，這次FFT稱為都卜勒變換。由此可見，對多個掃頻周期基帶信號採樣後經過兩次FFT處理可得離散二維回波譜Z(m，n)＝FFT{FFT{SI(t)}} (15)其中m為距離維上的離散頻率，n為速度(都卜勒頻率)維上的離散頻率。目標回波在距離維出現峰值的頻率為fτ＝2ar/c，在速度維出現峰值的頻率為fv＝-2f0v/c，對二維回波譜進行峰值檢測即可得到目標距離和速度。
從以上對高頻地波雷達工作原理的論述可知，兩次FFT實際上將不同距離和速度的目標回波信號進行了分離，使之對應於二維回波譜中不同的頻點。高頻地波雷達接收到大量能量很強的海洋回波信號，分散在二維回波譜的很多頻點上，其中必然有一部分只有單個到達方向。通過對特定陣列二維回波譜輸出的統計分析，可以檢測出其中的單到達方向頻點，然後再根據已知反射源回波信息估計出各通道的幅相特性，並進行統計平均以提高精度。

發明內容
針對現有方法的缺陷，本發明的目的是利用高頻地波雷達接收的海洋回波信息，提供了一種實時、準確、廉價和更加穩定可靠的陣列通道校正方法，以減少通道幅相誤差，提高雷達系統性能。
為了實現上述目的，本發明採用的陣列校正方法為用含有至少兩個平移不變的陣元偶的天線陣列接收海洋回波，通過對海洋回波二維譜的統計分析，檢測出其中的單到達方向頻點；對單到達方向頻點對應的回波譜幅度進行統計平均，估計出各通道的幅度特性，實現幅度校正；根據單到達方向頻點對應的回波譜相位和已知反射信號源回波信息，如島嶼、燈塔、鑽井平臺等，採用MUSIC(多重信號分類)算法估計出各通道的相位特性，並對多個結果進行統計平均，實現相位校正。
本發明的優勢在於沒有採用複雜的迭代運算，計算量不大，可以滿足通道校正實時性的要求；對大量回波信號採用了統計方法，提高了通道校正的準確性；利用大量的持續不斷的海洋回波和已知反射源信息，避開了應答器的放置和維護問題，使通道校正更加廉價，並且可以長期穩定可靠地進行；採用了可進行多源DOA估計的MUSIC算法，消除了多徑效應的影響。
下面結合附圖和實施例，對本發明作更加詳細的說明。


圖1高頻地波雷達工作原理2高頻地波雷達二維回波譜示意3用於檢測二維回波譜中單到達方向頻點的特定陣列示意4均勻線性陣列示意圖具體實施方式
本發明的關鍵在於檢測出二維回波譜中單到達方向頻點，這需要天線陣列中含有特定的陣列形式，如圖3所示。
假設高頻地波雷達有M個天線單元，坐標為(xi，yi)，i＝1，2，…M。用於檢測單到達方向回波譜頻點的特定陣列由陣元1～4構成，其中1和2構成了陣元偶A1，3和4構成了陣元偶A2。A1與A2之間具有平移不變性，即A1平移後可與A2完全重合，則有(x2，y2)＝(x1+d，y1)，(x4，y4)＝(x3+d，y3)。設陣元i的通道復增益為giejφi，以陣元1為坐標原點，則陣列二維回波譜為Zi(m,n)=gieji[k=1KSk(m,n)ej2(xisink+yicosk)+Ni(m,n)]---(16)]]>其中，Sk(m，n)為陣元1接收的第k個回波信號(到達方向為θk)的二維回波譜，Ni(m，n)為陣元i的二維回波譜中噪聲成分，λ為信號波長，K為回波信號到達方向個數。
令1=Z2(m,n)Z3(m,n)Z1(m,n)Z4(m,n),]]>當K＝1且Ni(m，n)＝0時，有1=g2g3g1g2ej(2+3-1-4),]]>這表明對於二維回波譜中某一頻點(m，n)，在只有一個到達方向且無噪聲成分的理想情況下，η1是一個只與通道復增益有關的固定量。實際系統中噪聲是不可避免的，相應的η1分布在這一固定量附近。通過簡單分析可知，到達方向個數K≥2的頻點對應的η1是一個與回波強度和到達方向有關的變化量，在複平面上呈現分散狀態，而到達方向個數K＝1的頻點對應的η1則聚集在複平面上某一點附近。將二維回波譜中所有超過一定信噪比門限的頻點對應的η1標在複平面上，則有且僅有一個區域出現η1聚集的現象，其中大多數η1值對應的頻點只有一個到達方向。
令2=Z2(m,n)Z1*(m,n)Z4(m,n)Z3*(m,n),]]>與前面同樣的分析可知，η2在複平面上也會出現聚集區域，其中大多數η2值對應的頻點只有一個到達方向。由於單到達方向頻點對應的η1和η2均集中在各自的聚集區內，而多到達方向頻點對應的η1和η2是分散分布的，同時落在聚集區內的可能性很小，因此可以用η1和η2是否同時落入聚集區作為檢測單到達方向頻點的判據。
由以上分析可知，只要天線陣列中含有至少兩個平移不變的陣元偶，就能檢測出二維回波譜中的單到達方向頻點。本發明的通道校正方法所適用的陣列均含有這種特定陣列形式。
假設單到達方向頻點為(m′，n′)，又有K＝1，代入(16)式可得這一頻點對應的二維回波譜輸出Zi(m,n)=gieji[S1(m,n)ej2(xisin1+yicos1)+Ni(m,n)]---(17)]]>當Ni(m′，n′)＝0時，有gi＝|Zi(m′，n′)|/|S1(m′，n′)| (18)以陣元1的接收通道為基準，則g1＝1，|S1(m′，n′)|＝|Z1(m′，n′)|，代入(18)式得到gi＝|Zi(m′，n′)|/|Z1(m′，n′)| (19)實際的二維回波譜是有噪聲的，根據不同的單到達方向頻點求得的gi會有一些隨機波動，可進行統計平均提高估計精度。估計出通道幅度增益gi後，將各通道的回波數據除以各自的gi，即可實現幅度校正。
經過幅度校正後，通道幅度增益gi＝1，根據(17)式，當Ni(m′，n′)＝0時有eji=[Zi(m,n)/S1(m,n)]e-j2(xisin1+yicos1)---(20)]]>以陣元1的接收通道為基準，其位置為坐標原點，即eJ1=1,]]>(x1，y1)＝(0，0)，則有S1(m′，n′)＝Z1(m′，n′)，代入(20)式得到eji=[Zi(m,n)/Z1(m,n)]e-j2(xisin1+yicos1)---(21)]]>將(16)式寫成矩陣形式Z(m，n)＝GAS(m，n)+GN(m，n)(22)其中，Z(m，n)＝[Z1(m，n)，Z2(m，n)，…，ZM(m，n)]TG=diag(g1ej1,g2ej2,,gMejM)]]>A＝[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θK)]a=[ej2(x1sin+y1cos),ej2(x2sin+y2cos),,ej2(xMsin+yMcos)]T]]>S(m，n)＝[S1(m，n)，S2(m，n)，…，SK(m，n)]TN(m，n)＝[N1(m，n)，N2(m，n)，…，NM(m，n)]T通道經過幅度校正後gi＝1，即G=diag(ej1,ej2,,ejM).]]>假設二維回波譜中的信號和噪聲成分是各態歷經的零均值平穩隨機過程，信號與噪聲相互獨立，各個通道的噪聲互不相關，且為具有相同方差σ2的白高斯過程，則二維回波譜的陣列協方差矩陣為
RZZ＝E[Z(m，n)ZH(m，n)]＝GARSSAHGH+σ2I (23)其中，RSS＝E[S(m，n)SH(m，n)]。對RZZ進行特徵值分解可得RZZ＝UDUH(24)D是由RZZ的特徵值構成的對角陣D＝diag(λ1，λ2，…，λM)λ1≥λ2≥…≥λM(25)U是由與特徵值λi對應的特徵矢量構成的矩陣U＝[μ1，μ2，…，μM]＝[US，UN] (26)其中，US＝[μ1，μ2，…，μK]與代表信號的K個特徵值相對應，其列向量張成的空間稱作信號子空間；UN＝[μK+1，μK+2，…，μM]與代表噪聲的M-K個特徵值相對應，其列向量張成的空間則稱作噪聲子空間。
採用Schmidt提出的MUSIC算法(R.O.Schmidt，Multiple emitter location and signalparameter estimation，IEEE Trans.Antennas Propagation，1986，Vol.34，pp.276-280.)得到DOA估計的空間譜函數為PMU=1[Ga]H[Ga]---(27)]]>其中，II⊥為噪聲子空間上的投影算子=UNUNH=I-A(AHA)-1AH---(28)]]>令(22)式中的Z(m，n)為已知反射源回波對應頻點的二維譜陣列輸出(根據反射源的距離、速度等信息可在二維回波譜中檢測出)，由此可以得到II⊥。由(21)式可知，G實際上是θ1的函數，可表示成G(θ1)，反射源回波到達方向θ＝θ0已知，則PMU成為θ1的函數PMU(1)=1[G(1)a(0)]H[G(1)a(0)]---(29)]]>將PMU(θ1)譜峰對應的θ1值作為二維回波譜中單到達方向頻點的DOA估計，代入(21)式可得通道相位增益ejφi。實際回波譜中是有噪聲的，根據不同單到達方向頻點求得的ejφi並不相同，可進行統計平均以提高估計精度。估計出通道相位增益後，將各通道的回波數據除以各自的相位增益，即可實現通道相位校正。
圖4是高頻地波雷達常用的均勻線性陣列示意圖，在這種情況下，對回波譜中單到達方向頻點的檢測將更加準確，以上有源相位校正方法也可以簡化。
M元均勻線性陣列可劃分為M-1個平移不變的陣元偶A1-AM，其中任意兩個組合在一起都可以用於檢測單到達方向頻點，得到相應的集合。將是否落入多個這種集合的交集作為判據，使單到達方向頻點的檢測更加準確。
均勻線性陣列各陣元的坐標為(xi，yi)＝((i-1)d，0)，代入(21)式可得ej1=[Zi(m,n)/Z1(m,n)]e-j2(i-1)dsin1---(30)]]>當i＝2時，ej2dsin1=[Z2(m,n)/Z1(m,n)]e-j2,]]>代入上式可得eji=Zi(m,n)[Z2(m,n)]1-i[Z1(m,n)]i-2ej(i-1)2=Biej(i-1)2---(31)]]>其中，Bi=Zi(m,n)[Z2(m,n)]1-i[Z1(m,n)]i-2=ej[i-(i-1)2],]]>是一個與單到達方向頻點對應的回波方位無關的量。實際系統中含有噪聲和擾動，根據不同的單到達方向頻點求得的Bi並不相同，可進行統計平均得到Bi代入(31)式有eji=Biej(i-1)2---(32)]]>根據上式可知，G是φ2的函數，可表示成G(φ2)，反射源回波到達方向θ＝θ0，則PMU成為φ2的函數PMU(2)=1[G(2)a(0)]H[G(2)a(0)]---(33)]]>將PMU(φ2)譜峰對應的φ2值作為陣元2的通道相位誤差(以陣元1為基準)的估計，代入(32)式可得通道相位增益ejφi。
這種針對均勻線性陣列的有源相位校正方法只進行了一次譜搜索，統計平均置於譜搜索之前，因而計算量較小。
權利要求
1.一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法，其特徵在於用含有至少兩個平移不變的陣元偶的天線陣列接收海洋回波，通過對海洋回波二維譜的統計分析，檢測出其中的單到達方向頻點；對單到達方向頻點對應的回波譜幅度進行統計平均，估計出各通道的幅度特性，實現幅度校正；根據單到達方向頻點對應的回波譜相位和已知反射信號源回波信息，如島嶼、燈塔、鑽井平臺等，採用MUSIC(多重信號分類)算法估計出各通道的相位特性，並對多個結果進行統計平均，實現相位校正。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於天線陣列為均勻線性陣列，M元均勻線性陣列可劃分為M-1個平移不變的陣元偶A1～AM，其中任意兩個組合在一起都可以用於檢測單到達方向頻點，得到相應的集合，將是否落入多個這種集合的交集作為判據。
全文摘要
一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法，其特徵在於用含有至少兩個平移不變的陣元偶的天線陣列接收海洋回波，通過對海洋回波二維譜的統計分析，檢測出其中的單到達方向頻點；對單到達方向頻點對應的回波譜幅度進行統計平均，估計出各通道的幅度特性，可實現幅度校正；根據單到達方向頻點對應的回波譜相位和已知反射信號源回波信息，如島嶼、燈塔、鑽井平臺等，採用MUSIC(多重信號分類)算法估計出各通道的相位特性，並對多個結果進行統計平均，可實現相位校正。
文檔編號G01S13/00GK1566983SQ03128238
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月30日 優先權日2003年6月30日
發明者吳雄斌, 程豐 申請人:武漢大學