CN110286370B - 航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法 - Google Patents

Abstract

航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，包括船载地波雷达各通道回波谱时域数据进行波束形成处理，计算船载平台实时航行速度或一个积累周期内的平均航行速度，计算各波束、各时刻回波信号相位偏移量，从而利用计算得到的相位偏移量进行船载地波雷达各波束回波信号的相位补偿处理，最后对补偿后各波束数据进行全空间合成并获得补偿后各通道回波谱数据。本发明充分利用了船载地波雷达回波信号和相对应的姿态信息，进行了无姿态数据及有姿态数据下的运动补偿处理，并利用岸基及船载地波雷达海杂波雷达散射截面积方程的差异推导出了各波束、各时刻船载地波雷达回波信号相位偏移量的计算表达式，克服了无姿态信息时无法进行回波信号补偿处理的缺陷。

Description

航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法

技术领域

本发明涉及一种船载地波雷达运动补偿方法,具体涉及一种航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法。

背景技术

高频地波雷达是海上目标大范围实时监视监测的主要手段。相对于岸基地波雷达，船载地波雷达具有平台机动灵活性、不受场地制约的特点，可进一步扩展地波雷达的探测范围，能够对更大片的海域进行实时监视监测。

虽然船载地波雷达较岸基地波雷达具有明显的优势，但由于船载地波雷达平台的六自由度运动导致回波谱杂波及噪声增大。其中，船载平台航行运动主要引起海杂波回波谱展宽，周期性摇摆运动导致海杂波回波谱产生虚假尖峰，从而严重影响船载地波雷达目标检测。而在实际应用中，通常通过一定的航行速度，保持船载平台的稳定，减小船体摇摆运动产生的影响。因此航行运动为影响船载地波雷达回波谱的主要因素，令大部分目标都淹没在展宽的海杂波内，引起目标检测的困难。而传统的地波雷达目标检测方法(如CFAR检测)主要适合于岸基地波雷达且非展宽海杂波外的目标检测，对于船载地波雷达的展宽海杂波信号内目标，如果不做特殊处理直接进行检测，无法达到岸基地波雷达检测的效果。因此，在开展目标检测之前，消除由于船载平台航行运动引起的海面回波谱频率展宽显得非常重要。而目前的船载地波雷达处理海杂波干扰时主要采用杂波抑制方法，其未考虑船载平台六自由度运动引起的影响；吴雄斌、徐兴安等人提出了基于姿态信息的浮标式地波雷达运动补偿方法，由于浮标位置相对固定，其只存在周期性摇摆的问题，不具备解决船载平台航行运动引起的海杂波回波谱展宽的问题，且未考虑缺失姿态信息情况下的补偿处理；Gill、Ma Y等人提出了利用船载地波雷达与岸基地波雷达一阶海杂波雷达散射截面积方程的不同，再通过解卷积的方式完成浮标式地波雷达运动补偿，该方法同样存在吴雄斌论文中的问题。相关的参考文献如下：[1]Ji Z,Duan Z,Xie J,et al.STAP process ofshipborne HFSWR motion compensation[C].IEEE,International Conference onSignal Processing.IEEE,2012:1856-1860.(STAP处理的船载HFSWR运动补偿)

[2]Xie J,Sun M,Ji Z.First-order ocean surface cross-section forshipborne HFSWR[J].Electronics Letters,2013,49(16):1025-1026.(船载高频地波雷达一阶海杂波雷达散射截面积)

[3]Gill E W,Ma Y,Huang W.Motion compensation for high-frequencysurface wave radar on a floating platform[J].Iet Radar Sonar&Navigation,2018,12(1):37-45.(浮动平台高频地波雷达运动补偿)

[4]Ma Y,Huang W,Gill E W.Motion compensation for platform-mountedhigh frequency surface wave radar[C].Radar Symposium.IEEE,2017:1-7.(平台式高频地波雷达运动补偿)

发明内容

本发明的目的是提供一种航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，该方法综合考虑了有船载平台姿态信息及无姿态信息的情况，能够充分利用船载平台航行的姿态信息和雷达回波信息，估算由于船载平台航行速度导致的相位误差，消除船载平台航行导致的海杂波展宽，实现航行状态下的船载地波雷达运动补偿处理。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，包括以下步骤：

步骤0：利用地波雷达接收系统实时获取航行状态下的船载地波雷达回波数据；如果同时存在船载平台的姿态信息，则也一并获取；

步骤1：对原始的船载地波雷达回波数据进行一次傅里叶变换(FFT)，得到船载地波雷达各通道时域数据X_i(t)，对该数据进行空间波束形成处理，得到多个不同方位的波束时域数据

其中i＝1,....,M,M为通道数，t为时间，θ_j∈[-90°,90°]为波束方向，j＝1,...,N,N为波束数；

其特征是还包括以下步骤：

步骤2：利用所述姿态信息来估计运动平台的航行速度，记为v_p(t)，或利用所述时域数据来估计运动平台的航行速度，记为v_p，其中：

若有姿态信息，则直接利用船载平台的姿态信息中大地坐标系里的正北方向或正东方向速度，计算航行方向上的实际速度v_p(t)；

若没有同步的姿态信息，则从时域数据中选取一个积累周期内的数据做FFT处理得到其频域的回波谱数据，记为Y(t)，然后利用信噪比方法检测出回波谱数据的一阶海杂波区域，进而估算一阶海杂波的展宽大小，然后估计船载平台一个积累周期内平均航行速度v_p；

步骤3：若有姿态信息，则利用船载平台实时航速估算各波束方向各时刻的相位偏移量：

其中：

为波束方向与船载平台运动方向之间的夹角，λ为雷达波长，v_p(t)为船载平台实时航行速度；

若无姿态信息，则利用一阶海杂波展宽大小求出的一个积累周期内的平均航速估算各波束方向平均相位偏移量：

其中：θ为波束方向与阵列法线方向之间的夹角，λ为雷达波长，v_p为利用一阶海杂波展宽大小估计的平均航行速度；

步骤4：利用步骤3求出的不同时刻、不同方位的回波信号相位偏移量，对不同方位的船载地波雷达回波信号

进行相位补偿处理，获得相位补偿后的回波谱时间-波束数据即T-B数据，记为

步骤5：对步骤4得到的相位补偿后的回波谱时间-波束数据(即T-B数据)，做全空间的合成，得到补偿后的各通道回波谱数据，记为S(t)。

上述步骤2：利用所述时域数据来估计运动平台的航行速度，具体如下：

对于岸基地波雷达而言，当与雷达平台做相对运动的海浪波长满足L＝λ/2时(λ为雷达波长)，产生Bragg谐振散射现象，将入射到的高频电磁波进行散射，形成海杂波布拉格峰。因此，满足Braag谐振散射条件的海浪对应的运动速度可表示为

由此可知，满足上述波长的海浪所引起的回波信号多普勒频率表示为：

当雷达平台具有航行运动时，假设其航行速度为v_p，回波方向与阵列法线方向之间的夹角θ，则其回波多普勒频率可表示为：

其中，λ为雷达波长；

因此船载地波雷达一阶海杂波展宽大小可表示为：

Δf_d＝4v_psin(θ)/λ (4)

所以在海杂波雷达散射截面展宽大小Δf_d、雷达波长λ，雷达最大探测角度θ已知条件下，就可求出船载平台运动速度：

v_p＝Δf_dλ/(4sinθ) (5)。

上述步骤3：船载平台航行速度非0时的一阶海杂波散射截面积方程以及航行速度为0时(岸基)的一阶海杂波散射截面积方程可分别表示为式(6)、式(7)，

其中，ω_d表示雷达回波多普勒频率，k₀为雷达波数，S(·)表示海浪谱，m＝-1表示负布拉格频率，m＝+1表示正布拉格频率，

为海浪波矢量，δ(·)为Dirac delta函数，g为重力加速度，

为雷达回波方向与船载平台运动方向之间的夹角，v_p为船载平台航行速度；

通过比较式(6)和(7)，可以确定岸基地波雷达一阶海杂波散射截面积方程与船载地波雷达一阶海杂波散射截面积方程之间的关系，表示为式(8)，

其中，

而式(8)的时域形式如式(9)所示

其中，j表示虚数；

因此船载航行运动引起的各时刻相位偏移量表示为式(10)：

上述步骤4：将步骤3求出的各波束方向各时刻的相位偏移量

进行相位补偿处理，具体是将

带入回波谱相位补偿公式：

其中，

为相位补偿后回波信号。

上述步骤5：全空间合成得到补偿后的各通道回波谱数据S(t)，具体如下：

对于等距天线阵，目标反射的信号到达每一接收天线的时间存在一个固定的延迟，假设信号回波到达接收天线2比到达接收天线1的时间超前：

τ＝Δd/c＝dsinθ/c (12)

其中，d为相邻两个天线之间的距离，θ为回波方向与接收阵列法线方向之间的夹角，c表示光速；

同理：信号回波到达接收天线N比到达接收天线1的时间超前：

τ＝(M-1)Δd/c＝(M-1)dsinθ/c (13)

其中，M为通道数；

因此记船载地波雷达阵列导向矢量：

α(θ)＝[1 e^{j2πdsin(θ)/λ} … e^{j2πdsin(θ)(M-1)/λ}] (14)

其中，通式表示为e^{j2πdsin(θ)(M-1)/λ}，而天线1的导向矢量为e^{j2πdsin(θ)(1-1)/λ}＝e⁰＝1；

而补偿后各阵元通道输出表示为：

其中，θ为回波方向与接收阵列法线方向之间的夹角，N为方位向的个数，即波束数。

与现有技术相比，本发明的创新之处体现在以下方面：

本发明主要对回波信号影响最严重的船载地波雷达航行运动引起的海杂波展宽问题，提出了船载地波雷达运动补偿处理方法。而本方法综合利用船载平台姿态信息和雷达回波谱信号来估计船载平台的航行速度以及导致的相位误差，从而实现回波信号的补偿处理。

本发明中，通过自适应的船速估计方法，获得船载平台实时航行速度。其中，当船载地波雷达回波信号存在相对应的姿态数据时，通过大地坐标系中的正东、正北方向的航速，计算出船载平台实际航行速度；当回波信号无对应的姿态信息时，则利用船载地波雷达一阶海杂波回波谱展宽量估计一个积累周期内的平均航行速度。从而克服了在无姿态数据时无法获得航行速度的缺陷。

通过船载地波雷达非补偿通道信号，来计算不同方位的各波束回波信号，并在完成补偿后最终给出补偿后的通道数据，可为进一步的空域处理、目标检测及测向处理提供基础数据。

附图说明

图1为本发明的基本流程示意图。

图2补偿处理前的船载地波雷达回波谱。

图3补偿处理后的船载地波雷达回波谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的方法做进一步说明：

如图1所示，船载地波雷达航行状态下的运动补偿方法，主要对船载地波雷达回波谱时域数据进行波束形成，判断是否具有对应的姿态信息，利用展宽海杂波估计的船载平台航行速度或利用相对应实时航行速度，计算相位偏移量并进行船载地波雷达运动补偿，根据补偿后波束数据计算各通道回波谱。其具体步骤如下：

步骤1：将船载地波雷达8个通道回波谱时域数据X_i(t)(图2所示)按步长1°，在-90°～90°进行波束形成处理，得到不同方位的波束时域数据

即回波谱时间-波束数据(T-B)二维数据；其中波束步长可根据自身需要选取，步长越小精度越高；

步骤2：判断回波数据是否具有对应的姿态数据；若没有回波谱对应的姿态信息则利用海杂波展宽大小求出船载平台航行速度v_p，如图2所示，其展宽大小为0.3195Hz，则根据展宽海杂波估计得到的速度为5.09m/s；与实际仿真的航行速度5m/s基本一致。

步骤3：利用船载平台航行速度或估算的平均航行速度求解各波束方向各时刻回波信号相位偏移量，相位偏移量

步骤4：利用步骤3求出的各波束方向回波谱的相位偏移量

对船载地波雷达回波谱进行运动补偿处理，获得补偿后各波束方向回波数据

步骤5：对步骤4得到的补偿后各波束方向回波数据

对其各方向回波谱数据乘于相对应的阵列导向矢量，并对各波束进行求和形成各通道回波谱数据

并进行傅里叶变换后获得回波谱各通道回波数据，如图3所示。由图可看出补偿后将目标凸显出来，提高目标检测性能。

Claims (4)

1.一种航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，包括以下步骤：

步骤0：利用地波雷达接收系统实时获取航行状态下的船载地波雷达回波数据；如果同时存在船载平台的姿态信息，则也一并获取；

步骤1：对原始的船载地波雷达回波数据进行一次傅里叶变换，得到船载地波雷达各通道时域数据X_i(t)，对该数据进行空间波束形成处理，得到多个不同方位的波束时域数据

其中i＝1,....,M,M为通道数，t为时间，θ_j∈[-90°,90°]为波束方向，j＝1,....,N，N为波束数；

其特征是还包括以下步骤：

步骤2：利用所述姿态信息来估计船载平台实时航行速度，记为v_p(t)，或利用所述时域数据来估计船载平台一个积累周期内平均航行速度，记为v_p，其中：

若有姿态信息，则直接利用船载平台的姿态信息中大地坐标系里的正北方向或正东方向速度，计算船载平台实时航行速度v_p(t)；

若没有同步的姿态信息，则从时域数据中选取一个积累周期内的数据做FFT处理得到其频域的回波谱数据，记为Y(t)，然后利用信噪比方法检测出回波谱数据的一阶海杂波区域，进而估算一阶海杂波的展宽大小，然后估计船载平台一个积累周期内平均航行速度v_p；

步骤3：若有姿态信息，则利用船载平台实时航速估算各波束方向在各时刻的相位偏移量：

其中：η为波束方向与船载平台运动方向之间的夹角，λ为雷达波长，v_p(t)为船载平台实时航行速度；

若无姿态信息，则利用一阶海杂波展宽大小求出的一个积累周期内的平均航速估算各波束方向平均相位偏移量：

其中：θ为波束方向与阵列法线方向之间的夹角，λ为雷达波长，v_p为利用一阶海杂波展宽大小估计的船载平台一个积累周期内平均航行速度；T为积累周期；

步骤4：利用步骤3求出的不同时刻、不同方位的回波信号相位偏移量，对不同方位的船载地波雷达回波信号

进行相位补偿处理，获得相位补偿后的回波谱时间-波束数据即T-B数据，记为

步骤5：对步骤4得到的相位补偿后的回波谱时间-波束数据，做全空间的合成，得到补偿后的各通道回波谱数据，记为S(t)。

2.如权利要求1所述的航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，其特征是上述步骤2：利用所述时域数据来估计船载平台一个积累周期内平均航行速度，具体如下：

将满足Braag谐振散射条件的海浪对应的运动速度表示为

L为海浪波长，g为重力加速度；

由此，满足上述波长的海浪所引起的回波信号多普勒频率表示为：

当雷达平台具有航行运动时，假设其船载平台一个积累周期内平均航行速度为v_p，波束方向与阵列法线方向之间的夹角θ，则其回波多普勒频率可表示为：

其中，λ为雷达波长；

因此船载地波雷达一阶海杂波展宽大小表示为：

Δf_d＝4v_psin(θ)/λ (4)

所以在海杂波雷达散射截面展宽大小Δf_d、雷达波长λ，波束方向与阵列法线方向之间的夹角即雷达最大探测角度θ已知条件下，就可求出船载平台一个积累周期内平均航行速度：

v_p＝Δf_dλ/(4sinθ) (5)。

3.如权利要求1所述的航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，其特征是上述步骤4：将步骤3求出的各波束方向各时刻的相位偏移量

进行相位补偿处理，具体是将

带入回波谱相位补偿公式：

其中，

为相位补偿后回波信号。

4.如权利要求1所述的航行状态下的船载地波雷达运动补偿方法，其特征是上述步骤5：全空间合成得到补偿后的各通道回波谱数据S(t)，具体如下：

对于等距天线阵，目标反射的信号到达每一接收天线的时间存在一个固定的延迟，假设信号回波到达接收天线2比到达接收天线1的时间超前：

τ＝Δd/c＝dsinθ/c (12)

其中，d为相邻两个天线之间的距离，θ为波束方向与接收阵列法线方向之间的夹角，c表示光速；

同理：信号回波到达接收天线N比到达接收天线1的时间超前：

τ＝(M-1)Δd/c＝(M-1)dsinθ/c (13)

其中，M为通道数；

因此记船载地波雷达阵列导向矢量：

α(θ)＝[1 e^{j2πdsin(θ)/λ} … e^{j2πdsin(θ)(M-1)/λ}] (14)

其中，通式表示为e^{j2πdsin(θ)(M-1)/λ}，而天线1的导向矢量为e^{j2πdsin(θ)(1-1)/λ}＝e⁰＝1；

而补偿后各阵元通道输出表示为：

其中，θ为波束方向与接收阵列法线方向之间的夹角，N为方位向的个数，即波束数。

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