CN111505590A - 一种高频地波雷达通道校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频地波雷达通道校准方法及系统，包括在测量阵列方向图覆盖范围内对雷达数据和AIS信息配准，获取匹配船只回波，并对配准结果进行门限筛选；采用多项式描述天线方向图误差的变化；建立阵元上导向矢量复响应模型；用导向矢量复响应模型拟合配准数据，获得阵列误差参数和测量船只方位上的粗糙的阵流型估计；根据阵列误差参数，在雷达测量覆盖波束范围内，均匀划分波束，并代入建立的导向矢量复响应模型，得到各个方位上的各个阵元上的导向矢量的复响应，组合通道维和方位维的复响应得到精细化的阵流型；采用估计的阵列误差补偿阵列输出信号，得到校准后的阵列信号。本发明可同时校准多种阵列误差，校准效果显著，提高了雷达探测精度。

Description

一种高频地波雷达通道校准方法及系统

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及到高频地波雷达阵列校准的方法，具体是一种高频地波雷达通道校准方法及系统。

背景技术

高频地波雷达工作在3-30MHz，利用垂直极化电磁波沿海洋表面绕射传播时能量衰减小的特点，可实现超视距探测与跟踪，并且其制造和维护成本适中，不受天气影响，可全天候工作。因此，高频地波雷达日益受到各沿海国家的青睐。我国是一个海洋大国，海岸线绵长，因此高频地波雷达对我国维护200海里专属经济区主权和开发权具有十分重要的意义。

高频地波雷达部署到现场后，诸多因素都会产生阵列误差，比如硬件本身的差异，电子元件的老化，接收阵列周围的设施(如房屋、电缆、道路等，尤其是近场范围内半个电磁波波长的垂直金属导体)、以及气候的变化等。依据阵列误差成因，可将其分为天线方向图误差、阵元间互耦、通道幅相误差，和阵元坐标扰动。当雷达系统存在阵列误差时，估计方位的两种技术，波束形成和定向方法，容易产生分辨率降低和估计方位偏差增大的现象，影响雷达提取参数的精确性，甚至使雷达的探测与跟踪失去意义。

最有效的阵列校准方法是使用船载应答器和GPS定位系统进行阵列校准。该方法通常用于天线阵列出厂定标，雷达性能的比测验证等场合。另外两种常用方法是采用船只回波进行阵列校准，其中一种方法是根据AIS信息提供方位已知的船只回波，取5°方位元内大量测量数据的算术平均值实现单极子/交叉环阵列校准，另一种方法船只回波方位未知，采用线性拟合方法联合估计船只方位和阵列相位误差实现相控阵列校准。这种方法由于方位未知，所以其阵列校准精度要低于基于AIS信息和应答器的校准方法，另外该方法只适用于大孔径相控阵雷达系统。应答器校准方法的校准精度最可靠，但需要熟练的技术操作人员以及昂贵的成本。基于AIS信息的校准方法需要大量的船只回波数据，仅能用于海上交通流量大的地理位置。针对接收阵列孔径，海上交通量，和校准精度，目前尚没有一种可以同时解决这些情况的阵列校准方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种高频地波雷达通道校准技术方案，该方法避免了现有方法对实际雷达系统和海上交通量的依赖性，并保证一定的校准精度。

本发明的技术方案提供一种高频地波雷达通道校准方法，包括以下步骤：

步骤1，在测量阵列方向图覆盖范围内对雷达数据和AIS信息配准，获取匹配船只回波，并对配准结果进行门限筛选；

步骤2，基于天线方向图误差是随方位变化的量，采用多项式描述天线方向图误差的变化如下，

式中，θ为信源方位，γ_m(θ)为天线方向图误差的幅度，ψ_m(θ)为天线方向图误差的相位，b₁,…b_n+1和c₁,…c_n+1分别为γ_m(θ)和ψ_m(θ)的多项式系数，n为多项式阶数，m为阵元标号；

步骤3，以第一个阵元为参考阵元，建立第m个阵元上导向矢量复响应模型如下式，

式中，a_m(θ)表示来自θ方位的信源在第m个阵元上产生的复响应，g_m为第m个阵元上与方位无关的幅度误差，e为数学常量，j为虚数符号，k＝2π/λ为电磁波波数，其中λ为电磁波波长，φ_m为第m个阵元上与方位无关的相位误差；

令ωτ(θ)＝k(u_m·sin(θ)+v_m·cos(θ))，简化为，

式中，ω为电磁波角频率，τ(θ)表示第m个阵元相对于参考阵元的时延，该时延由信源方位和第m个阵元坐标(u_m,v_m)决定；

步骤4，用步骤3建立的导向矢量复响应模型拟合步骤1所得配准数据，获得阵列误差参数(g_m,φ_m,γ_m,ψ_m)和测量船只方位上的粗糙的阵流型估计

其中，γ_m即γ_m(θ)，ψ_m即ψ_m(θ)；

步骤5，根据步骤4得到的阵列误差参数，在雷达测量覆盖波束范围内，均匀划分波束，并代入步骤3建立的导向矢量复响应模型，得到各个方位上的各个阵元上的导向矢量的复响应，组合通道维和方位维的复响应得到精细化的阵流型；

步骤6，采用步骤5估计的阵列误差补偿阵列输出信号，得到校准后的阵列信号。

而且，步骤1中，所述在测量阵列方向图覆盖范围内对雷达数据和AIS信息配准，包括在时间维、距离维和多普勒维进行配准，获取匹配船只回波。

而且，步骤2中，描述天线方向图误差的多项式阶数取为5。

而且，步骤5中，均匀划分波束时，按照0.5°均匀划分。

而且，评估校准性能，实现方式为基于步骤6所得阵列信号和理想阵流型结合多重信号分类方法估计船只方位，统计实际方位和估计方位的偏差和均方根误差评估校准性能。

而且，评估校准性能，实现方式为用未校准的阵列信号和步骤5得到的精细化的阵流型结合多重信号分类方法估计船只方位，统计实际方位和估计方位的偏差和均方根误差评估校准性能。

本发明提供一种高频地波雷达通道校准系统，用于执行如上所述的高频地波雷达通道校准方法。

本发明的优点在于：

1.采用海上运输船舶必备的AIS设备，提取高信噪比船只回波，用于高频地波雷达系统的校准维护，相比于应答器校准方法节约了成本，相比于未知船只方位的校准方法提高了校准精度。

2.根据阵列误差的物理形成机制，对阵列输出进行建模，通过参数估计获得阵列误差，该思想适用于任意高频地波雷达系统，提高了该方法的适用性，换言之，降低了该方法对雷达系统硬件的依赖性。

3.用导向矢量复响应模型拟合配准船只回波样本，采用非线性最小二乘法进行阵列误差参数估计，此时不要求大量的船只回波样本，但要求在雷达照射范围内样本数据符合均匀分布，这个特征降低了雷达站点对高密度交通运输量的依赖性。

4.该阵列校准方法既可以输出阵列误差参数，又可以提供任意分辨率的已校准阵流型，这使得后续阵列信号处理使用数据的方式比较灵活。

5.在进行阵列校准后，提供一种评估校准性能的方法，增强雷达系统日常维护系统的健壮性。

本发明通过以上创新点提出了一种新型高频地波雷达通道校准方案。本发明所述方法基于AIS信息、信号建模、非线性最小二乘拟合、阵列内插实现高频地波雷达通道校准，另外借助多重信号分类法对阵列校准方法的性能进行评估。因此本发明所述方案对雷达信号的实际应用具有重要价值。本发明在实际数据处理中应用效果很好，不仅降低对雷达系统硬件和高密度海上交通运输量的依赖性，还可以低成本方式进行日常阵列校准维护，这增强了雷达系统的健壮性，提高了雷达的探测精度。本发明可同时校准多种阵列误差，在实际数据处理中，也适用于稀疏样本数据，当样本数据在波束覆盖范围内比较均匀时，校准效果显著，提高了雷达探测精度。

附图说明

图1为本发明实施例高频地波雷达的工作原理框图；

图2为本发明实施例接收阵列几何结构示意图；

图3为本发明实施例方法流程图；

图4为本发明实施例已校准阵元幅度响应示意图(散点表示船只回波样本数据的幅度，实线代表已校准阵元的幅度响应，虚线表示置信水平95％的置信区间上下限)；

图5为本发明实施例已校准阵元相位响应示意图(散点表示船只回波样本数据的相位，实线代表已校准阵元的相位响应，虚线表示置信水平95％的置信区间上下限)；

图6为本发明实施例雷达不同工作频率下校准前后的船只方位估计示意图，其中，(a)部分展示了7.875MHz频率下没有进行阵列校准的船只方位估计，(b)部分呈现了7.875MHz频率下阵列校准后的船只方位估计，(c)部分展示了8.267MHz频率下阵列校准前的船只方位估计，(d)部分呈现了8.267MHz频率下阵列校准后的船只方位估计，(e)部分展示了19.2MHz频率下阵列校准前的船只方位估计，(f)部分呈现了19.2MHz频率下阵列校准后的船只方位估计。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图，对本发明技术方案作进一步说明。

本发明首先匹配AIS信息和雷达数据获得样本数据，然后利用阵列误差形成的物理机制进行数学建模，并采用非线性最小二乘法进行拟合，获得阵列误差参数，并在雷达测量波束范围内进行方位内插，取得精细化的已校准阵流型，从而实现阵列校准，提高雷达探测精度。

线性调频体制的高频地波雷达的工作原理、数据配准，及阵列误差的特征介绍如下：

高频地波雷达的工作原理框图如图1所示(其中1为接收天线，2为线性扫频的本振信号，3为低通滤波，4为距离解压缩变换，5为多普勒变换)。雷达采用线性调频中断连续波形体制，在每个扫频周期内，回波信号经混频、低通滤波、采样和快时域的离散傅里叶变换得到该扫频周期的距离谱。距离谱中的每个谱点对应于一个距离元的采样点，在多个扫频周期的相干积累时间内，对多个距离谱的采样序列进行慢时域的离散傅里叶变换得到该距离元的多普勒谱。对探测范围内的所有距离元都进行慢时域的离散傅里叶变换，则得到距离-多普勒二维谱。

因为雷达站和AIS基站共址，所以同一条船只相对于雷达站和AIS基站具有相同的到达时间、距离和径向速度。通过设定时间、距离和速度门限快速匹配两种信息，获得同时存在于AIS信息和雷达系统中的船只回波，并保留信噪比高于20dB的数据作为校准参数信息。

以图2中接收阵列几何结构为例，其中有7个阵元。最大阵元间距为5m，显然该值小于高频段的电磁波半波长，因此接收阵列在高频段存在阵元间互耦。在接收阵列一个电磁波波长范围内，非对称金属导体会引起天线响应出现近场失真。当距接收阵列两个电磁波波长外存在障碍物时，其会部分反射和阻塞电磁波传播，由此现象引起的失真，称为天线响应的远场失真。各通道内的硬件随周围环境变化引起阵元响应的幅相变化，此类误差在短时内视为标量。对于阵列天线，阵元坐标扰动量引起阵元响应的相位变化，其相位变化量为k(Δu·cos(θ)+Δv·sin(θ))，式中k为电磁波波数，(Δu,Δv)为阵元坐标扰动量，θ为信源方位。

按照阵列误差与方位的相关性，在信号建模过程中，与方位相关的量视为一个信源方位函数，用多项式(1)描述，与方位无关的量视为标量，各阵元上的此类误差用g_m和φ_m表示。

基于AIS信息、信号建模、非线性最小二乘拟合、阵列内插实现高频地波雷达通道校准，另外借助多重信号分类法对阵列校准方法的性能进行评估。

本发明正是利用AIS信息提供准确的信源方位、阵列误差的形成机制，对阵列信号进行建模，并进行拟合和内插，获得阵列误差参数和已校准阵流型，并提供了简单有效的校准性能评估方法。实施例提供的一种高频地波雷达通道校准方法，使用AIS信息和雷达数据配准得到的船只回波作为校准源，根据阵列误差形成的物理机制，建立实际导向矢量的复响应模型，并用该模型去拟合样本数据解出阵列误差参数和粗糙的阵流型，然后在雷达测量覆盖波束范围内，按0.5度间隔划分波束，将其逐一代入导向矢量的复响应模型中求解，组合通道维和方位维的导向矢量复响应获得精细化的阵流型。实施例具体实施流程步骤参见图3：

步骤1，在测量阵列方向图覆盖范围内对雷达数据和AIS信息配准：在时间维、距离维和多普勒维进行配准，获取匹配船只回波。进一步地，对配准结果进行门限筛选：在配准数据当中，舍弃低于20dB的船只回波信号，保留信噪比高于20dB的数据，转到步骤2；

实施例中，雷达数据和AIS信息的配准结果的筛选阈值优选设为20dB，即只保留高信噪比样本数据，这是为了保证阵列校准的准确度。另外，对于雷达数据和AIS信息的配准结果而言，既可作为阵列内插样本数据，又可作为测向估计样本数据，需要注意的是，用于阵列内插的样本数据和测向估计的样本数据既可以是同一批数据，也可以不是同一批数据。

步骤2，天线方向图误差是一个随方位变化的量，因此，采用多项式描述天线方向图误差的变化；此步骤表达为：

式中，θ为信源方位，γ_m(θ)为天线方向图误差的幅度，ψ_m(θ)为天线方向图误差的相位，b₁,…b_n+1和c₁,…c_n+1分别为γ_m(θ)和ψm(θ)的多项式系数，n为多项式阶数，m为阵元标号；

各通道电缆、电子元器件、阵元之间互耦等误差视为误差标量，用g_m和φ_m分别表示此类误差标量的幅度和相位，即g_m为第m个阵元上与方位无关的幅度误差，φ_m为第m个阵元上与方位无关的相位误差。

优选地，描述天线方向图误差的多项式阶数取为5，此时导向矢量复响应模型的拟合结果适用于高频地波雷达接收阵列数据，且运算量适中。

步骤3，实际应用中，除阵元间距引起阵元响应的相位变化外，还需要考虑步骤2中误差。第一个阵元视为参考阵元，建立第m个阵元上导向矢量复响应模型，如下式：

式中，a_m(θ)表示来自θ方位的信源在第m个阵元上产生的复响应，g_m为第m个阵元上与方位无关的幅度误差，e为数学常量，j为虚数符号，k＝2π/λ为电磁波波数，其中λ为电磁波波长，φ_m为第m个阵元上与方位无关的相位误差。

令ωτ(θ)＝k(u_m·sin(θ)+v_m·cos(θ))，简化上式为：

式中，ω为电磁波角频率，τ(θ)表示第m个阵元相对于参考阵元的时延，该时延由信源方位和第m个阵元坐标(u_m,v_m)决定。

步骤4，用步骤3建立的模型去拟合步骤1中的配准数据，获得阵列误差参数(g_m,φ_m,γ_m,ψ_m)和测量船只方位上的粗糙的阵流型估计

其中，γ_m即前文γ_m(θ)，ψ_m即前文ψ_m(θ)。

具体实施时，所述步骤4中，在雷达覆盖范围内，配准船只回波样本量不一定要有大量的数据，但是要求数据符合全方位均匀分布特征。

步骤5，将步骤4得到的误差参数代入步骤3的模型。具体为，在雷达测量覆盖波束范围内，按照0.5°均匀划分此波束，并将其代入步骤3的模型，得到各个方位上的各个阵元上的导向矢量的复响应。于是组合通道维和方位维的复响应可得到精细化的阵流型。

具体实施时，阵流型内插分辨率设定越高，阵流型越光滑，在使用超分辨方法时，方位分辨率越好，但是该分辨率设定越高，计算量越大。实施例优选取0.5°的分辨率，既能满足实际系统需求，又能简化方法实现难度并加快阵列校准方法的运行速度。

步骤6，采用步骤5估计的阵列误差补偿阵列输出信号，得到校准后的阵列信号。

步骤7，评估校准性能的方法有两种，一是用步骤6的阵列信号和理想阵流型，二是用未校准的阵列信号和步骤5得到的精细化阵流型。二者结合多重信号分类方法估计船只方位，即单信源方位，并统计实际方位和估计方位的偏差和均方根误差评估校准性能。在应用多重信号分类法时，需要对样本数据协方差矩阵进行特征值分解获得噪声子空间矢量

并将其和阵列方向图矩阵

代入空间谱

实现船只方位估计。

图4和图5为已校准各阵元(阵元2-7)的幅相响应，由离散的船只回波数据拟合、内插得到光滑的阵元响应。

图6为阵列校准前后船只回波方位估计对比，校准后方位估计的均方根误差得到明显改善。

具体实施时，以上流程可采用计算机软件技术实现自动运行，运行方法的系统装置也应当在本发明的保护范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高频地波雷达通道校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在测量阵列方向图覆盖范围内对雷达数据和AIS信息配准，获取匹配船只回波，并对配准结果进行门限筛选；

步骤2，基于天线方向图误差是随方位变化的量，采用多项式描述天线方向图误差的变化如下，

式中，θ为信源方位，γ_m(θ)为天线方向图误差的幅度，ψ_m(θ)为天线方向图误差的相位，b₁,…b_n+1和c₁,…c_n+1分别为γ_m(θ)和ψ_m(θ)的多项式系数，n为多项式阶数，m为阵元标号；

步骤3，以第一个阵元为参考阵元，建立第m个阵元上导向矢量复响应模型如下式，

式中，a_m(θ)表示来自θ方位的信源在第m个阵元上产生的复响应，g_m为第m个阵元上与方位无关的幅度误差，e为数学常量，j为虚数符号，k＝2π/λ为电磁波波数，其中λ为电磁波波长，φ_m为第m个阵元上与方位无关的相位误差；

令ωτ(θ)＝k(u_m·sin(θ)+v_m·cos(θ))，简化为，

式中，ω为电磁波角频率，τ(θ)表示第m个阵元相对于参考阵元的时延，该时延由信源方位和第m个阵元坐标(u_m,v_m)决定；

步骤4，用步骤3建立的导向矢量复响应模型拟合步骤1所得配准数据，获得阵列误差参数(g_m,φ_m,γ_m,ψ_m)和测量船只方位上的粗糙的阵流型估计

其中，γ_m即γ_m(θ)，ψ_m即ψ_m(θ)；

步骤5，根据步骤4得到的阵列误差参数，在雷达测量覆盖波束范围内，均匀划分波束，并代入步骤3建立的导向矢量复响应模型，得到各个方位上的各个阵元上的导向矢量的复响应，组合通道维和方位维的复响应得到精细化的阵流型；

步骤6，采用步骤5估计的阵列误差补偿阵列输出信号，得到校准后的阵列信号。

2.根据权利要求1所述高频地波雷达通道校准方法，其特征在于：步骤1中，所述在测量阵列方向图覆盖范围内对雷达数据和AIS信息配准，包括在时间维、距离维和多普勒维进行配准，获取匹配船只回波。

3.根据权利要求1所述高频地波雷达通道校准方法，其特征在于：步骤2中，描述天线方向图误差的多项式阶数取为5。

4.根据权利要求1所述高频地波雷达通道校准方法，其特征在于：步骤5中，均匀划分波束时，按照0.5°均匀划分。

5.根据权利要求1或2或3或4所述高频地波雷达通道校准方法，其特征在于：评估校准性能，实现方式为基于步骤6所得阵列信号和理想阵流型结合多重信号分类方法估计船只方位，统计实际方位和估计方位的偏差和均方根误差评估校准性能。

6.根据权利要求1或2或3或4所述高频地波雷达通道校准方法，其特征在于：评估校准性能，实现方式为用未校准的阵列信号和步骤5得到的精细化的阵流型结合多重信号分类方法估计船只方位，统计实际方位和估计方位的偏差和均方根误差评估校准性能。

7.一种高频地波雷达通道校准系统，其特征在于：用于执行如权利要求1-6所述的高频地波雷达通道校准方法。

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