CN112068086B - 一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法 - Google Patents

一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法 Download PDF

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    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4004—Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system

Abstract

本发明公开了一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法，包括如下步骤：步骤1，开展外定标试验：步骤2，选择需处理的试验数据：步骤3，求解各通道幅相校正复系数：步骤4，各通道加载幅相校正系数：步骤5，脉冲维的幅相校正运算：步骤6，评估幅相校正效。果本发明所公开基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法，系统地给出了岸基多通道雷达幅相校正方法及其评估准则，有效地校正了岸基多通道雷达幅相一致性，为后续有效进行多通道雷达数据处理和分析奠定了基础。

Description

一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法
技术领域
本发明属于海杂波测量领域，特别涉及该领域中的一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法。
背景技术
多通道雷达在进行目标探测时，通道间的幅相误差严重影响合成波束的探测精度，且对有关空域数据处理方面有众多影响。合理有效的多通道雷达幅相校正方法对多通道雷达的探测至关重要。
多通道雷达自身带有收发校正系统，但多通道雷达幅相误差来自收发通道误差、阵列天线误差、雷达周边传播环境误差等，收发通道误差可通过雷达自身校正系统进行校正，而阵列天线误差和雷达周边传播环境等误差无法通过收发校正系统进行校正，需要通过开展外定标试验进行幅相校正，岸基多通道雷达在开展外定标试验过程中面临试验数据处理难等问题，亟需一种简易可操作的方法对试验数据进行处理，达到幅相校正目的。
目前，国内外相关学者大多基于雷达的收发校正系统开展幅相校正研究，无明确文献研究关于外定标试验数据的幅相校正方法，且现有的幅相校正方法仅针对于通道间的幅相校正系数求解，差异性仅在求解方法上，而对多通道雷达在脉冲维的幅度和相位校正方面没有研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，开展外定标试验：
首先，选择杂噪比高的强散射体作为外定标试验的目标体，然后，将强散射体放置在雷达方位波束中心和俯仰波束中心的交点处，最后，多通道雷达采用全阵合成工作模式，录取含有强散射体的外定标试验数据；
步骤2，选择需处理的试验数据：
步骤21，基于步骤1中强散射体和雷达的经纬度，利用mat lab中的di s tance函数，计算出强散射与雷达之间的径向距离R；
步骤22，对试验数据进行脉冲压缩处理；
步骤23，根据雷达工作参数中的采样率fs，计算每个距离采样点对应的距离ΔR，结合雷达标定的距离零点对应的距离单元索引值R0，得出强散射体对应的距离单元索引值Ntarget，具体见下式(1)：
Figure BDA0002729557990000021
步骤24，从完成脉压的试验数据中，根据步骤23中强散射体的距离单元索引值，在各通道数据中，抽选出k个脉冲，组成待处理的数据向量
Figure BDA0002729557990000022
其中上标n代表通道数，强散射体对应的各通道数据向量组成通道脉冲数据矩阵Xs，用于后续数据处理，其中N为总通道数，具体见下式(2)：
Figure BDA0002729557990000023
步骤3，求解各通道幅相校正复系数：
步骤31，对每个通道进行如下操作：首先选择强散射体对应的距离单元
Figure BDA0002729557990000024
然后选择强散射体对应的k个脉冲，组成
Figure BDA0002729557990000025
数据向量，上标n代表通道编号，并对
Figure BDA0002729557990000026
进行快速傅里叶变换运算，得到该通道下强散射体距离单元的多普勒谱
Figure BDA0002729557990000027
上标n代表通道编号，具体见下式(3)：
Figure BDA0002729557990000028
步骤32，比较各个通道中强散射体距离单元多普勒谱
Figure BDA0002729557990000029
的大小，具体见下式(4)，找出峰值Pmax作为幅度校正的标准值，利用零相位作为相位校正的标准值；
Figure BDA00027295579900000210
步骤33，对各通道中强散射体距离单元的多普勒谱
Figure BDA00027295579900000211
以Pmax进行归一化处理，具体见下式(5)，得到各通道的幅度校正系数
Figure BDA00027295579900000212
对各通道中强散射距离单元的多普勒谱相位
Figure BDA0002729557990000031
然后取反，得到各通道的相位校正系数
Figure BDA0002729557990000032
Figure BDA0002729557990000033
步骤34，根据式(5)组成各通道的幅相复校正系数Cn：
Figure BDA0002729557990000034
步骤4，各通道加载幅相校正系数：
基于步骤3计算的通道幅相校正复系数，对强散射体对应的通道脉冲矩阵加载幅相校正系数，即对
Figure BDA0002729557990000035
和幅相校正复系数组成的向量C＝[C1,C2,…,CN]进行运算，得到加载后的强散射体对应的通道脉冲矩阵
Figure BDA0002729557990000036
具体见下式(7)：
Figure BDA0002729557990000037
步骤5，脉冲维的幅相校正运算：
步骤51，选用k个抽头，时延为脉冲重复周期的数字FIR滤波器作为对
Figure BDA0002729557990000038
进行幅相校正的滤波器，假定该滤波器权系数为w＝[w0,w1,…,wk-1]T；
步骤52，设滤波器的理想输出值为
Figure BDA0002729557990000039
实际滤波器的输出值为
Figure BDA00027295579900000310
在滤波器输出均方误差最小的条件下，求取滤波器权系数，即在min{E[|y-yref|2]}条件下，求得滤波器权系数w，具体见下式(8)，式中H代表矩阵共轭转置运算；
Figure BDA00027295579900000311
步骤53，基于步骤52中滤波器权系数计算公式，计算
Figure BDA00027295579900000312
的协方差矩阵R和
Figure BDA00027295579900000313
与yref的互协方差矩阵r，得出滤波器权系数w；
步骤54，依照以上步骤，依次对除标准通道外的其它各通道做脉冲维的幅相校正处理，每个通道均有一个脉冲维幅相校正滤波器；
步骤6，评估幅相校正效果：
步骤61，对步骤5中各通道脉冲维幅相校正后输出数据分别作FFT运算，找到FFT运算结果中绝对值最大值对应的复数值，以此复数值的幅度作为该通道的幅度值，记该通道的幅度值为
Figure BDA0002729557990000041
相位作为该通道的相位值，记该通道的相位值为
Figure BDA0002729557990000042
步骤62，选取第1通道的幅相值作为参考通道的幅相值，根据下式(9)计算幅度误差均方根值σa和相位误差均方根值σp；
Figure BDA0002729557990000043
步骤63，判断幅度误差均方根值σa是否小于0.5dB，相位误差均方根值σp是否小于4°，如果满足上述条件，说明幅相校正效果良好，若不满足上述条件，则需重新进行上面操作，直至满足上述条件。
本发明的有益效果是：
本发明所公开基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法，系统地给出了岸基多通道雷达幅相校正方法及其评估准则，有效地校正了岸基多通道雷达幅相一致性，为后续有效进行多通道雷达数据处理和分析奠定了基础。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1所公开方法中步骤3的流程示意图；
图3是本发明实施例1所公开方法中步骤5的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法，包括如下步骤：
步骤1，开展外定标试验：
为获取用于计算通道间幅相校正系数的试验数据，需开展针对此需求的多通道海杂波测量雷达外定标试验。首先，选择杂噪比高的强散射体作为外定标试验的目标体，然后，将强散射体放置在雷达方位波束中心和俯仰波束中心的交点处，最后，多通道雷达采用全阵合成工作模式，录取含有强散射体的外定标试验数据；
步骤2，选择需处理的试验数据：
多通道雷达外定标试验数据中包含强散射体信息，需经过一系列处理才能从试验数据中选择出待处理的强散射体数据，具体步骤为：
步骤21，基于步骤1中强散射体和雷达的经纬度，利用matlab中的distance函数，计算出强散射与雷达之间的径向距离R；
步骤22，对试验数据进行脉冲压缩处理；
步骤23，根据雷达工作参数中的采样率fs，计算每个距离采样点对应的距离ΔR，结合雷达标定的距离零点对应的距离单元索引值R0，得出强散射体对应的距离单元索引值Ntarget，具体见下式(1)：
Figure BDA0002729557990000051
步骤24，从完成脉压的试验数据中，根据步骤23中强散射体的距离单元索引值，在各通道数据中，抽选出k个脉冲，组成待处理的数据向量
Figure BDA0002729557990000052
其中上标n代表通道数，强散射体对应的各通道数据向量组成通道脉冲数据矩阵Xs，用于后续数据处理，其中N为总通道数，具体见下式(2)：
Figure BDA0002729557990000053
步骤3，求解各通道幅相校正复系数：
如图2所示，对步骤2中得出的通道脉冲矩阵按照维处理，即对各通道对应的脉冲进行快速傅里叶变换(FFT)，找到各通道数据中FFT之后的峰值，并以该峰值作为各通道的幅度值，以该峰值对应的相位值作为各通道的相位值；然后，比较各通道对应的峰值，以最大峰值作为参考通道幅度值，其余通道幅度值与参考通道幅度值作比，得到幅度校正系数，而以零相位作为标准相位，各通道相位值取反，得到相位校正系数；最后，将各通道的幅度校正系数和相位校正系数合成复数，得到各通道对应的幅相校正复系数，具体步骤为：
步骤31，对每个通道进行如下操作：首先选择强散射体对应的距离单元
Figure BDA0002729557990000061
然后选择强散射体对应的k个脉冲，组成
Figure BDA0002729557990000062
数据向量，上标n代表通道编号，并对
Figure BDA0002729557990000063
进行快速傅里叶变换运算，得到该通道下强散射体距离单元的多普勒谱
Figure BDA0002729557990000064
上标n代表通道编号，具体见下式(3)：
Figure BDA0002729557990000065
步骤32，比较各个通道中强散射体距离单元多普勒谱
Figure BDA0002729557990000066
的大小，具体见下式(4)，找出峰值Pmax作为幅度校正的标准值，利用零相位作为相位校正的标准值；
Figure BDA0002729557990000067
步骤33，对各通道中强散射体距离单元的多普勒谱
Figure BDA0002729557990000068
以Pmax进行归一化处理，具体见下式(5)，得到各通道的幅度校正系数
Figure BDA0002729557990000069
对各通道中强散射距离单元的多普勒谱相位
Figure BDA00027295579900000610
然后取反，得到各通道的相位校正系数
Figure BDA00027295579900000611
Figure BDA00027295579900000612
步骤34，根据式(5)组成各通道的幅相复校正系数Cn：
Figure BDA00027295579900000613
步骤4，各通道加载幅相校正系数：
基于步骤3计算的通道幅相校正复系数，对强散射体对应的通道脉冲矩阵加载幅相校正系数，即对
Figure BDA00027295579900000614
和幅相校正复系数组成的向量C＝[C1,C2,…,CN]进行运算，得到加载后的强散射体对应的通道脉冲矩阵
Figure BDA00027295579900000615
具体见下式(7)：
Figure BDA00027295579900000616
步骤5，脉冲维的幅相校正运算：
如图3所示，在步骤4的基础上，在加载后的强散射体对应的通道脉冲矩阵
Figure BDA00027295579900000617
中选择第1列向量作为脉冲维幅相校正的参考通道，即选择
Figure BDA0002729557990000071
作为参考通道，对其余各通道进行脉冲维幅相校正处理：选用一定阶数的FIR(有限长单位冲激响应)滤波器，在输出误差的均方值最小的条件下，获取FIR滤波器的权系数，然后对各通道的脉冲维数据进行滤波，校正其幅相值。具体步骤为：
步骤51，选用k个抽头，时延为脉冲重复周期的数字FIR滤波器作为对
Figure BDA0002729557990000072
进行幅相校正的滤波器，假定该滤波器权系数为w＝[w0,w1,…,wk-1]T；
步骤52，设滤波器的理想输出值为
Figure BDA0002729557990000073
实际滤波器的输出值为
Figure BDA0002729557990000074
在滤波器输出均方误差最小的条件下，求取滤波器权系数，即在min{E[|y-yref|2]}条件下，求得滤波器权系数w，具体见下式(8)，式中H代表矩阵共轭转置运算；
Figure BDA0002729557990000075
步骤53，基于步骤52中滤波器权系数计算公式，计算
Figure BDA0002729557990000076
的协方差矩阵R和
Figure BDA0002729557990000077
与yref的互协方差矩阵r，得出滤波器权系数w；
步骤54，依照以上步骤，依次对除标准通道外的其它各通道做脉冲维的幅相校正处理，每个通道均有一个脉冲维幅相校正滤波器；
步骤6，评估幅相校正效果：
基于上述通道间幅相校正和脉冲维幅相校正处理，以幅度误差均方根值和相位误差均方根值对幅相校正效果进行评估，若两者满足条件，则多通道雷达的幅相校正效果良好，若不满足条件，则需重新进行校正，使得校正结果满足条件。具体步骤为：
步骤61，对步骤5中各通道脉冲维幅相校正后输出数据分别作FFT运算，找到FFT运算结果中绝对值最大值对应的复数值，以此复数值的幅度作为该通道的幅度值，记该通道的幅度值为
Figure BDA0002729557990000078
相位作为该通道的相位值，记该通道的相位值为
Figure BDA0002729557990000079
步骤62，选取第1通道的幅相值作为参考通道的幅相值，根据下式(9)计算幅度误差均方根值σa和相位误差均方根值σp；
Figure BDA0002729557990000081
步骤63，判断幅度误差均方根值σa是否小于0.5dB，相位误差均方根值σp是否小于4°，如果满足上述条件，说明幅相校正效果良好，若不满足上述条件，则需重新进行上面操作，直至满足上述条件。

Claims (1)

1.一种基于外定标试验数据的岸基多通道雷达幅相校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，开展外定标试验：
首先，选择杂噪比高的强散射体作为外定标试验的目标体，然后，将强散射体放置在雷达方位波束中心和俯仰波束中心的交点处，最后，多通道雷达采用全阵合成工作模式，录取含有强散射体的外定标试验数据；
步骤2，选择需处理的试验数据：
步骤21，基于步骤1中强散射体和雷达的经纬度，利用matlab中的distance函数，计算出强散射与雷达之间的径向距离R；
步骤22，对试验数据进行脉冲压缩处理；
步骤23，根据雷达工作参数中的采样率fs，计算每个距离采样点对应的距离ΔR，结合雷达标定的距离零点对应的距离单元索引值R0，得出强散射体对应的距离单元索引值Ntarget，具体见下式(1)：
Figure FDA0003479002370000011
步骤24，从完成脉压的试验数据中，根据步骤23中强散射体的距离单元索引值，在各通道数据中，抽选出k个脉冲，组成待处理的数据向量
Figure FDA0003479002370000012
其中上标n代表通道数，强散射体对应的各通道数据向量组成通道脉冲数据矩阵Xs，用于后续数据处理，其中N为总通道数，具体见下式(2)：
Figure FDA0003479002370000013
步骤3，求解各通道幅相校正复系数：
步骤31，对每个通道进行如下操作：首先选择强散射体对应的距离单元
Figure FDA0003479002370000014
然后选择强散射体对应的k个脉冲，组成
Figure FDA0003479002370000015
数据向量，上标n代表通道编号，并对
Figure FDA0003479002370000016
进行快速傅里叶变换运算，得到该通道下强散射体距离单元的多普勒谱
Figure FDA0003479002370000017
上标n代表通道编号，具体见下式(3)：
Figure FDA0003479002370000021
步骤32，比较各个通道中强散射体距离单元多普勒谱
Figure FDA0003479002370000022
的大小，具体见下式(4)，找出峰值Pmax作为幅度校正的标准值，利用零相位作为相位校正的标准值；
Figure FDA0003479002370000023
步骤33，对各通道中强散射体距离单元的多普勒谱
Figure FDA0003479002370000024
以Pmax进行归一化处理，具体见下式(5)，得到各通道的幅度校正系数
Figure FDA0003479002370000025
对各通道中强散射距离单元对应的多普勒谱相位
Figure FDA0003479002370000026
进行取反运算，得到各通道的相位校正系数
Figure FDA0003479002370000027
Figure FDA0003479002370000028
步骤34，根据式(5)组成各通道的幅相复校正系数Cn：
Figure FDA0003479002370000029
步骤4，各通道加载幅相校正系数：
基于步骤3计算的通道幅相校正复系数，对强散射体对应的通道脉冲矩阵加载幅相校正系数，即对
Figure FDA00034790023700000210
和幅相校正复系数组成的向量C＝[C1,C2,…,CN]进行运算，得到加载后的强散射体对应的通道脉冲矩阵
Figure FDA00034790023700000211
具体见下式(7)：
Figure FDA00034790023700000212
步骤5，脉冲维的幅相校正运算：
步骤51，选用k个抽头，时延为脉冲重复周期的数字FIR滤波器作为对
Figure FDA00034790023700000213
进行幅相校正的滤波器，假定该滤波器权系数为w＝[w0,w1,…,wk-1]T；
步骤52，设滤波器的理想输出值为
Figure FDA00034790023700000214
实际滤波器的输出值为
Figure FDA00034790023700000215
在滤波器输出均方误差最小的条件下，求取滤波器权系数，即在min{E[|y-yref|2]}条件下，求得滤波器权系数w，具体见下式(8)，式中H代表矩阵共轭转置运算；
Figure FDA0003479002370000031
步骤53，基于步骤52中滤波器权系数计算公式，计算
Figure FDA0003479002370000032
的协方差矩阵R和
Figure FDA0003479002370000033
与yref的互协方差矩阵r，得出滤波器权系数w；
步骤54，依照以上步骤，依次对除标准通道外的其它各通道做脉冲维的幅相校正处理，每个通道均有一个脉冲维幅相校正滤波器；
步骤6，评估幅相校正效果：
步骤61，对步骤5中各通道脉冲维幅相校正后输出数据分别作FFT运算，找到FFT运算结果中绝对值最大值对应的复数值，以此复数值的幅度作为该通道的幅度值，记该通道的幅度值为
Figure FDA0003479002370000034
相位作为该通道的相位值，记该通道的相位值为
Figure FDA0003479002370000035
步骤62，选取第1通道的幅相值作为参考通道的幅相值，根据下式(9)计算幅度误差均方根值σa和相位误差均方根值σp；
Figure FDA0003479002370000036
步骤63，判断幅度误差均方根值σa是否小于0.5dB，相位误差均方根值σp是否小于4°，如果满足上述条件，说明幅相校正效果良好，若不满足上述条件，则需重新进行上面操作，直至满足上述条件。
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