CN107643514B - 一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法，浮标基/船载雷达工作在组网方式，取固定站的直达波作为校准源，根据两站之间的距离关系和距离偏置设置从距离谱中找到直达波所在距离元；结合传感器所得到的姿态数据，对一个相干积累时间内，根据平台晃动情况进行分段；在每个小段内进行相干积累，找到直达波信号，利用直达波并结合浮标基/船载雷达接收天线方向图，进行分段方向图畸变补偿和幅相校准，从而得到各小段内通道的校准系数；综合所得各小段内通道的校准系数，得到一个相干积累时间内的通道校准系数，从而完成阵列校准。该校准方法算法简单，易于实现，可以实时得到准确的幅相校准值。

Description

一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法。

背景技术

高频地波雷达利用高频(3～30MHz)电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，采用垂直极化天线辐射电波，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机和导弹等运动目标。同时，高频地波雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，能从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海态信息。将高频地波雷达部署在海面平台，如浮标、舰船等，通过自发自收以及岸发船收等方式工作，突破了海岸线复杂的地形地貌限制，一方面能够实现平台周边海域的探测，另一方面其灵活部署的特点能够为网络化探测提供更多有效的探测节点。

对于地波雷达来说，各接收通道幅相一致性是影响其雷达方位测量性能的关键因素。浮标基/船载雷达大都工作在组网模式，像岸基雷达一样采用基于其他站直达波作为校准源进行阵列幅相误差校准是一种成本低、易实现的方式。然而，浮标基/船载雷达在雷达实际运行环境中也出现了了一些新的问题。其一，对于岸基雷达来说，接收阵列的位置固定，不随时间而变，来自其他地波雷达站的直达波来波方向就不会改变，可以利用直达波进行校准，通过数分钟的相干积累得到距离多普勒谱，取出直达波所在谱点利用天线位置关系进行校准。但对于浮标基/船载雷达，由于接收端在浮标基或船体(未行驶状态下)这种会随风浪流等影响而晃动的平台(横摇、纵摇、艏摇等)上，数分钟相干积累时间内艏摇而产生的偏航角波动较大，这样接收天线阵的法线方向不停变化，造成其所收到的直达波来波方位变化较大，因此无法按照岸基雷达的处理方式直接进行校准。其二，浮标、舰船大多是拥有众多通信和无线导航系统的复杂平台，其电磁环境异常复杂，其雷达接收天线并不一定像岸基雷达的接收天线那样接近理论的方向图，而有可能在各个方向上有着很强的各向异性，因此在校准的过程中，还要考虑天线方向图的问题，对天线方向图畸变进行补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种能去除因平台晃动及天线方向图畸变造成的影响，得到准确的幅相校准值，提高雷达系统性能的校准方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法，包括以下步骤：

步骤1、浮标基/船载雷达工作在组网方式，取固定站的直达波作为校准源，根据两站之间的距离关系和距离偏置设置从距离谱中找到直达波所在距离元；

步骤2、结合传感器所得到的姿态数据，对一个相干积累时间内，根据平台晃动情况由步骤1所得到的直达波所在距离元数据进行分段，并得到每小段内直达波相对于浮标基/船载雷达接收阵列的到达角变化情况；

步骤3、利用步骤2所得的分段方式，在每个小段内进行相干积累，找到直达波信号，利用直达波并结合浮标基/船载雷达接收天线方向图，进行分段方向图畸变补偿和幅相校准，从而得到各小段内通道的校准系数；

步骤4，综合步骤3所得各小段内通道的校准系数，得到一个相干积累时间内的通道校准系数，从而完成阵列校准。

在上述的基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法中，步骤2所述的根据平台晃动情况进行数据分段，包括平台转动引起的阵列法线的变化情况，使分段后每一小段内直达波的到达角的波动小于雷达方位分辨率。

在上述的基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法中，步骤3所述的直达波信号是指该小段数据经过相干积累后得到的多普勒谱的最强点，多个接收通道收到的直达波表示为S，S为一个M×N的复矩阵，M为通道个数，N为分段个数。

在上述的基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法中，步骤3所述的分段方向图畸变补偿和幅相校准是指根据直达波到达角、每根接收天线的实际方向图和天线间的位置关系来获得导向矢量A＝[a₁,a₂,...,a_M]，即考虑其方向图畸变；取某一根天线i为基准，这样第j小段内通道的校准系数Coef _j＝S(:,j)./A/(S(i,j)/A(i)).。

在上述的基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法中，步骤4所述的完成阵列校准是在得到各小段时间内的通道校准系数后，通过取中值或者取最平稳值等方式来获得一个相干积累时间内的通道校准系数，用各通道实际数据除以校准系数即完成阵列校准。

本发明的有益效果是：不需要额外设置信号源，充分利用平台的姿态数据和站间直达波即可完成浮标基/船载雷达的阵列幅相校准，克服了因平台晃动及天线方向图畸变造成对传统的雷达通道校准方法的影响，算法简单，易于实现，可以实时得到准确的幅相校准值，有利于浮标基/船载雷达这种按照在晃动海上平台的雷达系统探测性能的提升。

附图说明

图1是本发明一个实施例实施过程示意图。

图2是本发明一个实施例船载雷达在一个相干积累时间内收到的站间直达波来波方向变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例是采用以下技术方案来实现的，一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法，包括以下步骤：

步骤1、浮标基/船载雷达工作在组网方式，取固定站的直达波作为校准源，根据两站之间的距离关系和距离偏置设置从距离谱中找到直达波所在距离元；

步骤2、结合传感器所得到的姿态数据，对一个相干积累时间内，根据平台晃动情况由步骤1所得到的直达波所在距离元数据进行分段，并得到每小段内直达波相对于浮标基/船载雷达接收阵列的到达角变化情况；

步骤3、利用步骤2所得的分段方式，在每个小段内进行相干积累，找到直达波信号，利用直达波并结合浮标基/船载雷达接收天线方向图，进行分段方向图畸变补偿和幅相校准，从而得到各小段内通道的校准系数；

步骤4，综合步骤3所得各小段内通道的校准系数，得到一个相干积累时间内的通道校准系数，从而完成阵列校准。

进一步，步骤2所述的根据平台晃动情况进行数据分段，包括平台转动引起的阵列法线的变化情况，使分段后每一小段内直达波的到达角的波动小于雷达方位分辨率。

进一步，步骤3所述的直达波信号是指该小段数据经过相干积累后得到的多普勒谱的最强点，多个接收通道收到的直达波表示为S，S为一个M×N的复矩阵，M为通道个数，N为分段个数。

进一步，步骤3所述的分段方向图畸变补偿和幅相校准是指根据直达波到达角、每根接收天线的实际方向图和天线间的位置关系来获得导向矢量A＝[a₁,a₂,...,a_M]，即考虑其方向图畸变；取某一根天线i为基准，这样第j小段内通道的校准系数Coef _j＝S(:,j)./A/(S(i,j)/A(i)).。

更进一步，步骤4所述的完成阵列校准是在得到各小段时间内的通道校准系数后，通过取中值或者取最平稳值等方式来获得一个相干积累时间内的通道校准系数，用各通道实际数据除以校准系数即完成阵列校准。

具体实施时，以船载地波雷达为例对本发明进行详细说明，如图1所示。在该实施例中，船载地波雷达位于离岸30km的海中，处于抛锚状态，受风浪流的影响而晃动。船载雷达与岸基雷达利用GPS工作于组网状态，可以接收到岸基固定站的直达波以及岸基发射后被海面散射的电磁波。岸基固定站和船载雷达组网工作模式下，船载雷达收到了自发自收回波信号(距离元0-20部分)以及岸基发射后经海面反射的回波(距离元38以上部分)，其中船载雷达收到的岸基发射信号回波谱图中0Hz附近信号较强的部分即为岸基固定站的直达波。

本实施例所采用的校准方法具体步骤包括：

第1步、浮标基/船载雷达工作在组网方式，取固定站的直达波作为校准源，根据两站之间的距离关系和距离偏置设置从距离谱中找到直达波所在距离元。直达波位于第38个距离元，直达波所在距离元的回波强度比较大。

第2步、结合传感器所得到的姿态数据，对一个相干积累时间内，根据平台晃动情况对第1步所得到的直达波所在距离元数据进行分段，并得到每小段内直达波相对于浮标基/船载雷达接收阵列的到达角变化情况；

姿态数据包括时间信息、横滚角、俯仰角、偏航角、速度等信息，平台转动即艏摇引起偏航角变化，从而使雷达接收天线阵列法线跟着变化。姿态数据中包含时间信息，雷达接收数据和姿态数据是可以通过时间对齐的。根据平台晃动情况进行数据分段，主要基于阵列法线的变化，即偏航角变化情况，使分段后每一小段内直达波的到达角的波动小于雷达方位分辨率，也就是说该小段时间内可认为平台是不转的。统计偏航角的变化规律，得到该相干积累时间内偏航角变化角度值低于雷达方位分辨率的最短时间间隔，依据该时间间隔和雷达的扫频周期即可进行分段。实例中，雷达方位分辨率为2°，假设统计得到的最短时间间隔为4s，雷达扫频周期为500ms，则每一小段长度应为8，在保证雷达接收数据和姿态数据对齐的基础上，取出直达波所在距离元的数据，按照每8个数据为一组进行分段，对于10分钟的相干积累时间，可分为150小段，使得每一小段时间内偏航角的波动都小于2°。

固定站的直达波来波方向本身是不变的，直达波相对于浮标基/船载雷达接收阵列到达角的变化由平台转动引起的阵列法线的变化决定，根据姿态数据得到雷达接收阵列法线变化，从而计算出直达波相对于浮标基/船载雷达接收阵列到达角的变化，得到每一小段直达波的到达角。如图2所示，给出了一个相干积累时间内收到的站间直达波来波方向变化图，每一小段一个值，共150个值，可以看到该10分钟内对于船载雷达来说，直达波来波方向波动了70°左右。

第3步、利用第2步所得的分段方式，在每个小段内进行相干积累，找到直达波信号，利用直达波并结合浮标基/船载雷达接收天线方向图，进行分段方向图畸变补偿和幅相校准，从而得到各小段内通道的校准系数；

对直达波所在距离元每一小段内数据进行相干积累，经过相干积累后得到的多普勒谱的最强点即为直达波信号，可以通过谱峰搜索得到。M个接收通道所收到的岸基站直达波信号可用一个M×N的复矩阵S表示，M为通道个数，N为分段个数。与岸基雷达不同的是，这里的导向矢量计算中要考虑天线的幅度畸变和相位畸变，根据直达波到达角、每根接收天线的实际方向图和天线间的位置关系来获得导向矢量A＝[a₁,a₂,...,a_M]，每根接收天线的方向图根据现场测量得到。通过查表得到各天线在直达波来波方向的幅度畸变和相位畸变，添加到导向矢量的求取中。接着，取某一根天线i为基准，这样第j小段内的校准系数Coef _j＝S(:,j)./A/(S(i,j)/A(i)).。

第4步、综合第3步所得各小段内通道的校准系数，得到一个相干积累时间内的通道校准系数，从而完成阵列校准。

在得到各小段时间内的通道校准系数后，可以通过取中值或者取最平稳值等方式来获得一个相干积累时间内的通道校准系数，各通道实际数据除以校准系数就完成了阵列校准。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种基于直达波的浮标基/船载雷达的阵列校准方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、浮标基/船载雷达工作在组网方式，取固定站的直达波作为校准源，根据两站之间的距离关系和距离偏置设置从距离谱中找到直达波所在距离元；

步骤2、结合传感器所得到的姿态数据，对一个相干积累时间内，根据平台转动引起的阵列法线的变化情况，对步骤1所得到的直达波所在距离元数据进行分段，使分段后每一小段内直达波的到达角的波动小于雷达方位分辨率，并得到每小段内直达波相对于浮标基/船载雷达接收阵列的到达角变化情况；

步骤3、利用步骤2所得的分段方式，在每个小段内进行相干积累，找到直达波信号，直达波信号是指该小段数据经过相干积累后得到的多普勒谱的最强点，多个接收通道收到的直达波表示为S，S为一个M×N的复矩阵，M为通道个数，N为分段个数，利用直达波并结合浮标基/船载雷达接收天线方向图，进行分段方向图畸变补偿和幅相校准，从而得到各小段内通道的校准系数；分段方向图畸变补偿和幅相校准是指根据直达波到达角、每根接收天线的实际方向图和天线间的位置关系来获得导向矢量A＝[a₁,a₂,...,a_M]，其中，M为通道个数，即考虑其方向图畸变；取某一根天线i为基准，这样第j小段内通道的校准系数Coef_j＝S(:,j)/A/(S(i,j)/A(i))；S(i,j)和S(:,j)均为多个接收通道收到的直达波复矩阵S的元素；

步骤4，综合步骤3所得到各小段时间内的通道校准系数后，通过取中值或者取最平稳值的方式来获得一个相干积累时间内的通道校准系数，用各通道实际数据除以校准系数从而完成阵列校准。