高頻表面波雷達均勻直線陣接收通道的近場校正方法

2023-09-13 14:32:00

專利名稱：高頻表面波雷達均勻直線陣接收通道的近場校正方法
技術領域：
本發明涉及一種高頻表面波雷達均勻直線天線陣接收通道單輔助源的近場校正方法。
背景技術：
高頻表面波超視距雷達利用垂直極化高頻電磁波在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，能超視距探測海平面視線以下出現的艦船、飛機和飛彈等運動目標。另外，高頻表面波超視距雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階和二階散射機制，從雷達海洋回波中提取風場、浪場、流場等海洋動力學參數，可實現對海洋環境大範圍、高精度和全天候的實時監測。
由於硬體本身的差異和雷達周邊環境影響等多種因素的作用，實際中天線陣列各個通道的幅相特性是有差異的，導致回波信號經過不同通道後的幅度和相位變化不一致，一般稱之為通道失配。通道失配會引起波束掃描和方位估計的誤差增大，甚至完全失效，這是影響高頻表面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，必須採取措施使通道失配限制在一定的範圍內一方面，通過適當的措施(如電子元器件篩選)使各通道在製作時儘量保證其一致性；另一方面，可以對通道失配係數進行測量或估計，然後通過軟體的方法校正以進一步縮小通道特性的差異。
現有的通道校正方法可分為遠場有源和無源兩類。在有源校正方法中，將輔助信號源置於天線陣前方足夠遠的開闊場地發射校正信號，再測量各接收通道的輸出，根據已知信號源方位扣除陣列空間位置引起的相位差，即可得到通道失配參數。在無源校正方法中，無需方位準確已知的輔助信號源，直接利用接收的實測數據和一些先驗知識(如陣列形式)估計通道失配係數，然後進行補償校正。有些無源校正方法還可以實現信號方位和通道失配的聯合估計。在王永良、陳輝等編著的《空間譜估計理論與算法》(清華大學出版社2004年)一書中對一般無源校正方法有比較詳細的論述。
受天雷達體制、現場地環境條件、雷達工作波長、電波傳播、天線陣列、海面硬目標回波、海洋雜波、幹擾噪聲等多種因素的影響，高頻表面波雷達的通道校正實現起來比較困難，現有方法都只能解決部分問題，且費時費力，成本高，代價大，天線陣孔徑接收通道損失大。雷達天線陣前方是海面，如採用有源遠場校正方法則輔助信號源只能放在艦船或島嶼上，其維護十分麻煩而昂貴，難以長期穩定工作。現有的無源校正方法一般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優，而不是全局最優，以致出現完全錯誤的估計值。實際雷達系統與理想模型的差異，也使得一般無源校正方法的適用條件不能得到滿足，難以實用。通道校正已成為制約高頻表面波雷達探測性能並阻礙其實際應用的重大技術難題，必須加以妥善解決。
武漢大學電波傳播實驗室有人曾考慮過將海上已知天然或人工物體對雷達電波的反射信號作為校正信號。只要反射源的距離、速度已知，就可以從回波中檢測出校正信號，然後根據已知反射源方位估計出各通道的失配係數。該方法可利用探測海域內已知的島嶼、燈塔和鑽井平臺等固定反射物，不存在輔助信號源的放置和維護問題，也無需額外的硬體開銷，實現了在線實時自動校正，具有一定的實用價值。但該方法應用範圍和實際效果有限，不適用於沒有已知固定反射物(如島嶼)的海域，且仍然受到噪聲幹擾、艦船回波、多徑效應等不利因素的影響。
武漢大學電波傳播實驗室有人也曾提出利用海洋回波可實現雷達接收通道的校準，但需增加一些輔助天線和輔助通道(即所謂的非線性陣)，但這不僅增加了天線佔地面積，而且犧牲了本來有限的天線孔徑，成本高，代價大。而且完全利用海洋進行校準時，前提是海洋回波特徵必須滿足研究者假設的理論模型，而這些理論與實際模型的關係則不得而知，其通道校正、特別是相位估計值令人難以置信。理論和實踐表明，接收通道相位誤差對高分辨算法影響最大，其估計和校準也最困難。
由於本項發明提出了一種單方位到達角海洋回波的檢測、分離與在天線延長線上的設置近場單輔助源相結合的技術，滿足了本發明提出的均勻直線天線陣接收通道幅相單輔助源近場校正方法的基本要求，因此下面將對其進行重點介紹。
高頻表面波超視距雷達一般採用調頻中斷連續波(Frequency Modulated InterruptedContinuous Wave，縮寫為FMICW)體制。Rafaat Khan等人發表的題為「高頻表面波雷達目標探測與跟蹤」(Target Detection and Tracking With a High Frequency Ground Wave Radar，IEEE Journal of Oceanic Engi neering，1994，19(4)540～548)的論文中對此有較詳細的描述。在該波形體制下，海洋回波(包括海面回波和海面硬目標回波)進入接收機後，經混頻、低通濾波、A/D變換和二維FFT可得距離-都卜勒(速度)二維回波譜(如圖1表示高頻地波雷達系統原理圖；如圖2是利用高頻地波雷達實測海洋回波譜圖，其中橫軸表示都卜勒頻率，縱軸表示雷達探測距離)。在二維回波譜中，雷達接收的大量海洋回波按距離和速度進行了分離，分散在很多譜點上。當第二次FFT(都卜勒變換)相干積累時間較長(約10分鐘左右)時，雷達可獲得很高的速度分辨力，二維回波譜中與海洋回波對應的譜點可達數百個、甚至千個以上，很適合利用統計方法將其中的單方位到達角海洋回波檢測與分離出來。

發明內容
針對現有方法的局限性，本發明的目的是利用高頻表面波雷達接收的單方位到達角海洋回波和在天線陣延長線的近場區域設置單輔助信號源，提供一種高頻表面波雷達均勻直線天線陣接收通道單輔助源的近場校正方法，以減少通道幅相失配，提高雷達系統性能。這裡的直線陣列是指所有陣元都位於同一直線上的陣列。
為了實現上述目的，本發明採用的高頻表面波雷達均勻直線天線陣接收通道單輔助源的近場校正方法為將天線陣列設置為均勻直線形式；通過雷達天線陣列的位置信息和高頻海態雷達海洋回波特徵檢測出具有單方位到達角的海洋回波；利用單方位到達角海洋回波和多重信號分類算法(MUltiple SIgnal Classification，縮寫為MUSIC)估計通道幅度失配係數，實現幅度校正；通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角近場來波信號、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和MUSIC算法，估計得到通道相位的失配係數，實現相位校正。
具體說，本發明可先從任意相鄰天線中選出3個陣元，再選出1個單方位到達角回波，利用多重信號分類算法用於通道幅度誤差估計。
為了提高接收通道幅度誤差估計精度，可先從任意相鄰天線中選出3個陣元，再選出多個單方位到達角回波，分別利用多重信號分類算法用於通道幅度誤差估計，然後將估計的通道幅度誤差求平均值。
本發明還可以利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息，通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源。利用已經過幅度校正的單方位到達角海洋回波、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和MUSIC算法，估計得到通道相位的失配係數 實現相位校正。其中，θi為單方位到達角信號源的到達角，n為陣元n的通道相位失配係數，(xn，yn)為陣元位置坐標，陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)，λ為回波信號波長，∠vn為vn的相角。
本發明的優勢在於其出色的實用性能進行通道幅度較準時只利用了單方位到達角海洋回波，不存在有源通道校正方法面臨的船隻回波幹擾、多徑效應等棘手問題，也不存在為了單純的通道校正需要人為構成非線性陣而增加輔助天線和接收通道，以至於額外增加雷達天線佔地面積且犧牲天線孔徑與等問題；利用了大量(可達100個以上)高強度單方位到達角海洋回波，信息利用率較高，具有良好的精度和穩健性；進行相位校正時，通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角海洋回波、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和MUSIC算法，估計得到通道相位的失配係數；無需增加接收通道，近場設置信號源，天線佔非常地少；天線孔徑無損失；採用一些特殊處理時運算量較小，能滿足實時性要求；由於海洋回波總是大量存在，該方法能長期不間斷穩定工作；在提高探測性能的同時，大幅降低了雷達的研製成本和維護費用。


圖1高頻表面波雷達工作原理圖；圖2高頻表面波雷達實測地距離-都卜勒二維回波譜；圖3高頻表面波雷達近場校準原理圖；圖4高頻表面波雷達均勻接收天線陣與近場校準輔助信號；圖5表示設置近場信號的頻譜圖；圖6用於檢測單方位到達角回波的陣列示意圖；圖7滿足單方位到達角條件的7個單方位到達角譜點。
圖8(a)接收通道校準前的空間譜；圖8(b)接收通道校準後的空間譜；圖9(a)理想情況下的波束形成圖；
圖9(b)接收通道校準前形成的波束；圖9(c)接收通道校準後形成的波束。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明作更加詳細的說明。
本發明的關鍵在於通過建立均勻直線陣列接收的單方位回波信號模型，將通道校正問題轉化成了參數估計問題，並由此得到了較為精確的通道失配估計。
如圖3所示，發射天線的輻射信號經海面散射後，海面回波和近場輔助源信號進入接收機後，經混頻、低通濾波、A/D變換和二維FFT可得距離-都卜勒(速度)二維回波譜。在二維回波譜中，雷達接收的大量海洋回波按距離和速度進行了分離，分散在很多譜點上。當第二次FFT(都卜勒變換)相干積累時間較長(約10分鐘左右)時，雷達可獲得很高的速度分辨力，二維回波譜中與海洋回波對應的譜點可達數百個、甚至千個以上，很適合利用統計方法將其中的單方位到達角海洋回波檢測與分離出來。通過雷達天線陣列的位置信息和高頻海態雷達海洋回波特徵檢測出具有單方位到達角的海洋回波；利用單方位到達角海洋回波和MUSIC算法估計通道幅度失配係數，實現幅度校正；通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角近場來波信號、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和MUSIC算法，估計得到通道相位的失配係數，實現相位校正。
在上述方法中，利用單方位到達角海洋回波通過多重信號分類算法，得到通道幅度失配係數的估計值~n=1Di=1D|vn(i)|,]]>實現幅度校正；其中， 為陣元n的通道幅度失配係數估計值，vn為陣列輸出協方差矩陣最大特徵值對應的特徵向量，n＝1，2，…，M，M為陣元個數，i＝1，2，…，D，D為單方位回波個數。
本發明可以利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息，通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源(如圖4表示近場輔助源與接收天線陣的空間位置關係)。利用已經過幅度校正的單方位到達角海洋回波、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和MUSIC算法，估計得到通道相位的失配係數 實現相位校正。其中，θi為單方位到達角信號源的到達角，n為陣元n的通道相位失配係數，(xn，yn)為陣元位置坐標，陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)，λ為回波信號波長，∠vn為vn的相角。如圖5表示在近場設置一個輔助信號源獲得的頻譜圖(從此圖明顯可見輔助信號在頻譜中的位置)。
考慮圖4所示的M元任意均勻直線陣列的情況，以下分步驟對本發明在該情況下的具體
(一)信號模型設有M個天線元構成的陣列。有D個窄帶信號處於天線陣的遠場區。在理想情況下，接收通道的輸出向量可寫成
X(t)＝AS(t)+N(t) (1)其中，xm(t)=i=1Dsi(t)am(i)+nm(t)m=1,2,...,M]]>X(t)＝[x1(t)，x2(t)，...，xM(t)]TS(t)＝[s1(t)，s2(t)，...，sD(t)]TN(t)＝[n1(t)，n2(t)，...，nM(t)]Tnm(t)為第m個陣元的加性噪聲，這裡我們考慮的是零均值高斯白噪聲，si(t)為第i個信號源到達天線陣參考點的復包絡，am(θi)為第m個陣元對第i個信號的響應。a(θ)為天線陣的方向向量。
A(θ)＝[a1(θ)，a2(θ2)，...，aM(θD)] (2)在直角坐標系中an(θi)＝exp{-jk[xncos(θi)+ynsin(θi)]} (3)陣列的協方差矩陣為Rxx=s2AAH+n2---(4)]]>典型的MUSIC算法就是根據上式的相關矩陣Rxx作特徵值分解，估計出來波信號的方向θPMUSIC=1aHENENHa---(5)]]>其中，EN＝[vD+1，vD+2，...，VM]為噪聲子空間矩陣。當接收通道存在幅相誤差時，陣列的信號模型在可表示為X(t)＝ΓAS(t)+N(t) (6)其中，Γ接收通道的幅相誤差 ρn表示第n各通道的幅度誤差，n表示第n各通道的相位誤差。
比較(1)、(3)兩式，令B＝ΓA(θ) (8)其中，B＝[b1，b2，...，bM]T， (9)比較(2)、(3)和(8)式bn＝ρnexp(jn)exp{-jk[xncos(θi)+ynsin(θi)] (10)此時陣列的協方差矩陣為
R~xx=s2AAHH+n2---(11)]]>由此可見，當接收通道存在幅相誤差時，Rxx的協方差矩陣發生了變化，噪聲子空間也將發生變化。誤差的相位分量將導致譜峰偏移，幅度分量主要導致譜的幅度變化。這將對基於子空間的DOA估計產生重要的影響。
對Rxx進行特徵量分解，對應於最大特徵值的特徵向量設為vm，假設只有一個信號源工作，且信號源相對於天線陣的夾角為θi，則有vmax＝A(θi) (12)或者vmax＝[v1，v2，...，vM]由以上各式得vn＝ρnexp(jn)exp{-jk[xncos(θi)+ynsin(θi)]}(13)由此得接收通道的幅相分別為ρn＝|vn|(14)n＝∠vn-k[xncos(θi)+ynsin(θi)]其中，∠vn＝n+k[xncos(θi)+ynsin(θi)] (15)當存在D≥2個校準信號時，接收通道幅相誤差的優化估計為~n=1Di=1D|vn(i)|---(16)]]> 從(14)式可見，利用此方法估計的通道幅度誤差與信號方向無關，因此這樣得到的通道幅度誤差是應該是非常準確的。
雖然本發明描述的通道校正方法首先在高頻表面波雷達上獲得了成功，但從本質上講，該方法也有可能應用於其它接收了大量單方位信號的探測系統或通信系統。
(二)單方位到達角譜點估計要實現雷達接收通道幅度的有效校準，關鍵之一是從雷達回波譜中檢測與分離出存在單方位到達角的回波譜點，以進行通道幅度校準。不失一般性，設接收陣中相鄰三天線單元分別記作A、B、C(如圖6)，其中天線B和C距天線A的距離分別為d1和d2，設某一頻率的信號從θ方向達到天線陣面，以A天線為參考，則A、B、C天線接收信號的相位分別為A=0B=B+kd1cosC=C+kd2cos---(18)]]>由此得
B-B=kd1cosC-C=kd2cos---(19)]]>將以上兩式相比B-BC-C=d1d2,]]>或B-B=d1d2(C-C)---(20)]]>進一步有φB-θC＝(ΔφB-ΔφC) (21)上式說明，如果雷達接收通道幅相不隨信號源的到達角而變化，在相干積累時間內各接收通道的幅相保持不變，當某一頻率的信號僅對應一個到達角時，相鄰兩天線接收信號的相位差就與到達角方向和頻率無關(或相鄰兩天線接收信號的相位差為常數)。
經過理論分析和大量實際觀測數據分析表明，對於高頻表面波雷達，在大信噪比(如大於30dB)條件下，採用此方法能從海洋回波中檢測出相當多的(有時甚至可達百個以上)滿足一定精度要求的單方位到達角，信息量非常大，且信噪比越大，能檢測的單方位到達角回波越多，並且估計出的通道幅誤差的均方差越小。同時，為了減少參數估計誤差，利用上述方法可以對不同距離元、不同頻率的信號進行統計分析，從而確定單方位到達角所對應的信號頻率。如圖7表示從都卜勒頻譜中截取的一小部分滿足單方位到達角條件譜點，從此圖可見，即使在很窄的一個頻率範圍內，海洋單方位到達角譜點就達7個(圖7中1-7表示單方位到達角譜點)。
完成單方位回波的分離與檢測之後，就可以利用(14)式和上述檢測得到的單方位到達角回波信號估計通道幅度失配係數，進行通道幅度校正。為了減少誤差，按上述方法，可選出多個單方位到達角回波，利用(16)式估計通道幅度失配係數，進行通道幅度校正。
理論和實踐表明，利用上述方法估計接收通道的幅度誤差可達到相當高的精度，但利用此方法估計相位誤差則不然。因此，在利用海洋回波完成接收通道幅度校準同時，為了提高接收通道相位誤差估計的精度，可在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角近場來波信號、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和MUSIC算法，估計得到通道相位的失配係數，實現相位校正。如圖8(a)表示接收通道校準前的空間譜；如圖8(b)表示接收通道校準後的空間譜(其中譜峰對應信號到達方位角)。從此實驗結果很容易看出，通到校準前，完全不能分辨信號到達角方位，但經過通到校準後，信號到達角方位可以非常準確分辨。
如圖9(a)表示4元線陣在理想情況下的波束形成圖；如圖9(b)表示接收通道校準前形成的波束；如圖9(c)表示接收通道校準後形成的波束。從這些實驗結果不難看出，通到校準前，波束遠遠偏離理論設計值，但經過通到校準後，天線形成的波束非常接近理論設計值。同時也說明了本發明的有效性和實用性。
權利要求
1.一種高頻表面波雷達均勻直線天線陣接收通道單輔助源的近場校正方法，其特徵在於將天線陣列設置為均勻直線形式；通過雷達天線陣列的位置信息和高頻海態雷達海洋回波特徵檢測出具有單方位到達角的海洋回波；利用單方位到達角海洋回波和多重信號分類算法估計通道幅度失配係數，實現幅度校正；通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角近場來波信號、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和多重信號分類算法，估計得到通道相位的失配係數，實現相位校正。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於利用單方位到達角海洋回波通過多重信號分類算法，得到通道幅度失配係數的估計值實現幅度校正；其中， 為陣元n的通道幅度失配係數估計值，vn為陣列輸出協方差矩陣最大特徵值對應的特徵向量，n＝1，2，…，M，M為陣元個數，i＝1，2，…，D，D為單方位回波個數。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於先從任意相鄰天線中選出3個陣元，再選出1個單方位到達角回波，利用多重信號分類算法用於通道幅度誤差估計。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於先從任意相鄰天線中選出3個陣元，再選出多個單方位到達角回波，分別利用多重信號分類算法用於通道幅度誤差估計，最後將估計的通道幅度誤差求平均值。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角近場來波信號、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和多重信號分類算法，得到通道相位的失配係數 實現相位校正；其中，θ0＝90°為近場信號源的到達角，n為陣元n的通道相位失配係數，(xn，yn)為陣元位置坐標，陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)，λ為回波信號波長，∠vn為vn的相角。
全文摘要
高頻表面波雷達均勻直線天線陣接收通道單輔助源的近場校正方法，通過雷達天線陣列的位置信息和高頻海態雷達海洋回波特徵檢測出具有單方位到達角的海洋回波；利用單方位到達角海洋回波和多重信號分類算法估計通道幅度失配係數，實現幅度校正；通過在天線陣延長線上設置近場單輔助信號源，利用已經過幅度校正的單方位到達角近場來波信號、陣列單元天線的位置信息、近場輔助源的方位信息和多重信號分類算法，估計得到通道相位的失配係數，實現相位校正。本發明無需增加額外的接收機通道，天線佔地少；無天線孔徑損失；運算較小，幅相校準精度更高；能長期不間斷穩定工作；在提高雷達探測性能的同時，大幅度降低了雷達的研製成本和維護費用。
文檔編號G01S13/00GK1740812SQ200510018938
公開日2006年3月1日 申請日期2005年6月17日 優先權日2005年6月17日
發明者高火濤, 張小林 申請人:武漢大學