CN113009477B - 一种阵列式高频地波海洋雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列式高频地波海洋雷达系统，能工作在多种频率、同步组网、无人值守的状态，实现天线阵列地貌共形建设，提高了雷达抗干扰能力和探测能力。该系统包括雷达数据中心站和阵列式高频海洋雷达站；在阵列式高频海洋雷达站中，全数字多频MIMO接收机同时产生多个通道不同频率信号，经多频固态发射机放大后，由收发组件分配到天线阵列中不同天线辐射出去；每个天线均接收多个频率的雷达回波信号，经收发组件传递到全数字多频MIMO接收机进行处理；天线阵列布置在海岸沿线，将电磁波辐射到海面；同步组网设备用于实现区域内多个阵列式高频海洋雷达站的雷达主机设备的同步工作。

Description

一种阵列式高频地波海洋雷达系统
技术领域
本发明属于雷达系统技术领域，具体涉及一种阵列式高频地波海洋雷达系统。
背景技术
当前中国经济已发展成为高度依赖海洋的外向型经济，对海洋资源、空间的依赖程度大幅提高，在管辖海域外的海洋权益也需要不断加以维护和拓展。阵列式高频地波海洋雷达系统可以实现海洋环境监测、海洋气象预报、海洋情报收集、海上救援辅助等功能，是建立海洋环境立体监测网的重要组成部分。
现有传统的阵列式高频地波海洋雷达系统，在工作体制上采用单发多收、单站工作的工作模式，抗干扰能力、探测精度无法满足新时期海洋探测的实际需求；而且，传统的阵列式高频地波海洋雷达系统，大多工作频率单一、独立工作，无法与相邻雷达实现任意周期同步组网，在不增加天线数量情况下，难以提高精度。
此外，现有传统的阵列式高频地波海洋雷达系统，不但需要在沿海地区征用大面积场地，而且场地需要平整，场地平整工作破坏了海岛原有的自然生态环境，增加了建设运营成本及建设周期，导致阵列式高频海洋雷达系统在海洋防灾减灾监测推广应用难度大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种阵列式高频地波海洋雷达系统，能工作在多种频率、同步组网、无人值守的状态，实现天线阵列地貌共形建设，提高了雷达抗干扰能力和探测能力，减小天线场地面积，降低雷达站建设难度、周期、成本，同时避免破坏生态环境。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种阵列式高频地波海洋雷达系统，包括：至少1个雷达数据中心站，每个雷达数据中心站连接至少2个阵列式高频海洋雷达站；
所述阵列式高频海洋雷达站包括：全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机、含有多路收发开关的收发组件、天线阵列、工控机、雷达综合管控设备、UPS电源管理系统和同步组网设备；
全数字多频MIMO接收机同时产生多个通道不同频率信号，经多频固态发射机放大后，由收发组件分配到天线阵列中不同天线辐射出去；每个天线均接收各个频率的雷达回波信号，经收发组件传递到全数字多频MIMO接收机进行处理；收发组件通过控制收发开关，实现接收与发送的分时切换；天线阵列布置在海岸沿线，将电磁波辐射到海面；
所述同步组网设备利用内置的全系统多频卫星接收模块跟踪多频率卫星信号，产生1pps信号和报文信号；根据来自全数字多频MIMO接收机的雷达工作周期、所述1pps信号和所述报文信号中的时间报文信息，计算出雷达时序同步信号，发送给全数字多频MIMO接收机，全数字多频MIMO接收机在时序同步信号的上升沿开始工作；同时同步组网设备还根据1pps信号产生高精度驯服时钟驱动全数字多频MIMO接收机；
所述雷达综合管控设备与工控机、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机、UPS电源管理系统相连，进行信息交互和设备状态数据的监测；
所述工控机用于根据雷达回波数据完成设定功能的实现；
所述UPS电源管理系统通过供电线路连接雷达综合管控设备、工控机、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和同步组网设备；
雷达数据中心站与阵列式高频海洋雷达站通过网络或者北斗短报文进行通信；雷达数据中心站实现各阵列式高频海洋雷达站的数据汇总、处理以及远程管控。
优选地，所述同步组网设备包括：全系统多频卫星接收模块、恒温晶振、FPGA数字信号处理器、数字PLL模块和电源模块；
所述全系统多频卫星接收模块，与多频卫星天线相连，用于同时跟踪多频率卫星信号，输出1pps信号和报文信号；该全系统多频卫星接收模块的报文信号引脚直接与FPGA数字信号处理器相连；1pps引脚分两路信号后，其中1路pps信号与FPGA数字信号处理器相连，以提供时间报文信号提供时序，另1路pps信号与数字PLL模块的参考引脚相连，以提供参考输入；
所述数字PLL模块的时钟输入引脚与恒温晶振信号输出相连，在数字PLL模块中输入时钟信号经倍频后，输出至少2路高精度的驯服时钟信号，1路驯服时钟信号驱动FPGA数字处理器，1路驯服时钟信号用于驱动全数字多频MIMO接收机；
所述的FPGA数字信号处理器，通过串口、时序同步控制引脚与全数字多频MIMO接收机相连；全数字多频MIMO接收机通过串口向FPGA数字信号处理器发送包括雷达工作周期Ts的组网时序参数，FPGA数字信号处理器根据1pps信号、报文信号中的时间报文信息和组网时序参数，计算出雷达时序同步信号，发送给全数字多频MIMO接收机，全数字多频MIMO接收机在时序同步信号的上升沿开始工作；
所述电源模块为本同步组网设备中的用电部件提供电源。
优选地，组网的多个阵列式高频海洋雷达站的全数字多频MIMO接收机均以一相同的历史时刻为共同起始时刻，记为T0，所述同步组网设备中的FPGA数字信号处理器的主频为fs、周期为Tfs；则所述同步组网设备对任意工作周期的全数字多频MIMO接收机提供同步组网的方式为：
1)全数字多频MIMO接收机启动时，全数字多频MIMO接收机向同步组网设备的FPGA数字信号处理器下发雷达工作周期Ts；
2)全数字多频MIMO接收机启动后，同步组网设备的FPGA数字信号处理器接收到1pps信号时，将接收时刻作为当前时刻，并等待当前时刻的报文信号，FPGA数字信号处理器接收到全系统多频卫星接收模块的报文信号后，解析出当前时刻Tm；
3)计算同步时刻时间差Tc：完成当前时刻Tm解析后，计划在下一个1pps信号到来后实现同步，将下一个1pps信号的时刻作为同步时刻，即同步时刻为Tm+1，则同步时刻与起始时刻的差值为：
Tc＝Tm+1-T0
4)计算时间差Tc被雷达工作周期Ts所除的余数Ty，商为Nzm；
Nzm＝[Tc/Ts]，[]为取整数符号
Ty＝Tc-Nzm×Ts；
5)计算同步时刻的1pps到来之后，需要的延时时间Td，设FPGA数字信号处理器内部的延时寄存器值X；
Td＝Ts-Ty；
X＝Td/Tfs；
6)等待同步时刻的1pps信号；当同步时刻的1pps信号到来后，FPGA数字信号处理器开始计数，计数值为Y；当计数值Y等于延时寄存器值X时，FPGA数字信号处理器输出时序同步信号给全数字多频MIMO接收机。
优选地，所述雷达综合管控设备包括网络路由器、多通道数据处理终端、空调控制器、北斗短报文终端和温湿度传感器；
网络路由器通过网口与工控机、全数字多频MIMO接收机和多通道数据处理终端相连，并向雷达数据中心站提供网络接口；
多通道数据处理终端通过串口连接空调控制器、北斗短报文终端、温湿度传感器、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和UPS电源管理系统。
优选地，所述网络路由器和北斗短报文终端将来自雷达数据中心站的指令传输给多通道数据处理终端进行解析和分发；
多通道数据处理终端向全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和UPS电源管理系统发送控制信号，从全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和UPS电源管理系统获取状态信息，用于进行故障判断；根据温湿度传感器采集的环境温湿度数据对空调控制器进行设置，从而实现环境温度的控制；
多通道数据处理终端将所述状态信息和环境温湿度数据经由网络路由器发送给工控机，或者根据需要通过北斗短报文终端将状态信息和环境温湿度数据发送给雷达数据中心站；
全数字多频MIMO接收机处理后的雷达回波数据经由网络路由器发送给工控机；
经工控机处理或存储的数据经由网络路由器或北斗短报文终端发送给雷达数据中心站。
优选地，所述天线阵列采用地貌共形的布阵方式，则所述工控机在利用雷达回波数据实现所需功能之前，进一步对雷达回波数据进行基于地貌共形布阵的天线阵列通道无源校准，包括阵列信息校准、幅度校正和相位校准；
所述阵列信息校准为：针对地貌共形布阵的阵列式高频地波雷达的阵列信息进行校准，校准后的导向矢量表达式为：
其中，θ为一到达角，k为波数，M为天线阵列中阵元总数，Δxi、Δyi分别为阵元i与阵元i+1之间的水平间距和垂直间距，i∈[1,M-1]；
所述幅度校正为：对单到达角信号进行分离，利用分离的单到达角信号进行各通道幅度增益gi的求解，将各通道的回波数据除以各自的通道幅度增益gi，完成幅度校正；
所述相位校准为：根据经幅度校正的单到达角信号和校准后的导向矢量，对通道相位误差Φ进行最优估计，进而实现通道相位的校准；最优估计过程中Φ的初始值的确定方式为：
首先取一正整数K，在区间[-π,π)对到达角θ以π/K为步长进行一维搜索；
然后以∠[Φa(θ)]＝∠[ωEs(θ)]作为限制条件，针对搜索确定的每一个θ获取对应的满足所述限制条件的通道相位误差矩阵Φ；其中Es(θ)为候选信号所对应的信号子空间，所述候选信号为校正过的单到达角信号中信噪比最高的信号，复数ω确保的ωEs(θ)第一项为1，∠[]表示取幅角；
最后针对获取的通道相位误差矩阵Φ计算最优估计的代价函数值，当代价函数值取最小值时，对应的Φ为进行二次型迭代搜索的初始值。
优选地，所述工控机在进行天线阵列通道无源校准的过程中，采用如下方式对单到达角信号进行分离：
针对雷达回波的二维谱点，构造阵列接收自相关矩阵，进行特征值分解，求解特征值序列；对特征值序列按照设定的长度阈值N进行截断，保留的特征值序列为S，该长度阈值N取二维回波谱上各个二维谱点所对应的信号源数量的最大值；
当S中存在关系且时，认定当前二维谱点所对应的回波信号为单到达角信号；其中，Sj为序列S中第j个特征值；L为一个给定阈值且L≥1.8。
优选地，所述工控机在进行天线阵列通道无源校准的过程中，采用如下方式确定通道幅度增益gi：
针对单到达角信号中的每一个快拍，求解各个阵元的信号幅度；计算阵元信号幅度同参考阵元信号幅度比值，构成一个M行序列；Q个快拍形成M行Q列的矩阵A；然后对该矩阵A按行求取中位数矩阵，形成一个M行中位数序列；
针对所有的R个单到达角信号，将所有的中位数序列合并为一个新的M行R列的矩阵B；对该矩阵B再次按行求取中位数，形成的M行序列即为各通道的通道幅度增益gi。
优选地，雷达数据中心站与阵列式高频海洋雷达站交互的信息包括：
雷达数据中心站向阵列式高频海洋雷达站发送的远程控制指令；
阵列式高频海洋雷达站向雷达数据中心站上传工控机计算和/或存储的风、浪、流海态数据；
阵列式高频海洋雷达站通过收集状态信息进行的故障判断结果，并将结果发送到雷达数据中心站。
优选地，所述天线采用收发一体化天线，或者发射天线与接收天线组合形式，或者一体化天线与接收天线组合形式；
所述天线布放的几何关系采用双排直线阵、单排直线阵、X型阵、圆形阵或者方形阵，天线数量为4-32根。
优选地，所述工控机内包括雷达数据解算模块、海态解算模块、雷达运行监控模块、数据传输模块和数据库；
雷达数据解算模块，用于经由网络路由器从全数字多频MIMO接收机获取雷达回波数据，存入数据库；
海态解算模块，用于对累积的雷达回波数据反演计算得出风浪流场结果存入数据库；
雷达运行监控模块，用于经由网络路由器从多通道数据处理终端获取设备状态数据、环境温湿度数据，存入数据库；
数据传输模块，用于将数据库存储的数据传输到雷达数据中心站。
优选地，所述雷达数据中心站包括：北斗报文指挥机、数据处理计算机、中心站数据服务器、远程管控客户端以及网络设备；其中，北斗报文指挥机与数据处理计算机通过串口相连，数据处理计算机、中心站数据服务器、远程管控客户端、多个阵列式高频海洋雷达站通过网络设备与专网或互联网互相连接；雷达数据中心站有雷达数据接收、存储、处理功能，还具有设备状态查询功能、设备远程控制功能、设备故障上报判断功能。
有益效果：
(1)采用MIMO技术，通过PM根天线可以获得PM*PN组数据，不仅可以提高雷达的精度和抗干扰能力，同时可以减少天线数量，从而减小天线阵占地面积，降低租地难度。
(2)采用地貌共形天线阵技术，在后端采用补偿算法对数据进行修正，不仅可以不用平整场地，避免破坏生态环境，还能有效降低成本，缩短建设周期，从而加快阵列式地波海洋雷达的应用推广。
(3)通过网络和北斗的双通信模式，可以提高雷达无人化值守能力，提高设备的远程维护能力，降低雷达站的运行成本，提高数据采样率。
(4)本发明的雷达数据中心站可以通过网络连接多个雷达站，多站联合进行工作，从而提高系统的抗干扰能力。
(5)本发明的同步方法，采用假定组网的多个雷达系统均以某一相同的历史时刻为共同起始时刻，利用报文信号和1pps信号，计算下一个1pps信号与雷达工作帧周期的时间延时，从而保证每个组网雷达系统的工作周期相互之间实现同步。该方法实现了对雷达工作周期长短没有任何限制，实现了雷达任意工作周期的同步组网，突破了传统方法要求雷达工作周期必须满足1s的整分时间的限制。通过选择合适的器件使得雷达组网的同步时间<10ns，提高了雷达回波信号的相干性，从而增强了收发分站雷达系统、收发共站组网雷达系统的探测精度、性能。
(6)本发明充分考虑到了地形地貌对天线阵的影响，更加精确的导向矢量可以尽量缩小目标的测向误差。同时通过设置高精度的全局相位误差初始值，能够对相位误差进行更加精准快速的估计。相位初始值仅通过一维搜索即可，计算量少，且大大减少了相位误差估计局部最优搜索的迭代次数。其次，本发明单到达角寻找方式简单有效，通过截断处理的特征值梯度法解决了大阵列(超过8元阵)无法正常提取单到达角信号的问题。此外，幅度增益估计方式，运算量小，能满足实时性需求。
附图说明
图1为阵列式高频地波海洋雷达系统组成示意图；
图2为阵列式高频地波海洋雷达系统发射信号和回波信号的信号流示意图；
图3(a)为雷达综合管控设备组成框图；
图3(b)为地貌共形天线阵列示意图；
图3(c)为地形不平整情况下稀疏阵列模型示意图；
图4为雷达综合管控设备示意图；
图5为三防工控机的功能示意图；
图6为同步组网设备的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图1为本发明阵列式高频地波海洋雷达系统的组成示意图，包括：至少1个雷达数据中心站，每个雷达数据中心站连接至少2个阵列式高频海洋雷达站；
阵列式高频海洋雷达站包括全数字多频MIMO接收机、全数字多频频固态发射机、收发组件(含有多路收发开关)、天线阵列、三防工控机、雷达综合管控设备、UPS电源管理系统和同步组网设备。
全数字多频MIMO接收机输出的源信号接口与多频固态发射机的输入信号接口通过射频电缆相连，多频固态发射机放大输出的发射信号接口通过射频电缆与收发组件的射频输入接口相连，收发组件的雷达回波信号接口与全数字多频MIMO接收机的射频输入接口通过射频电缆相连，收发组件的射频输出接口与天线阵列中的天线相连。
其中，全数字多频MIMO接收机优选地采用全数字同时多频组网MIMO接收机(参见申请日为2018-08-10，申请号为201810909222.3的中国公开专利《高频地波雷达同时多频组网MIMO全数字接收机》)。该接收机可以同时处理多频信号(包含不同频率、不同相位)数据，而非分时处理，提高了处理效率。其不仅可以产生多个(2-4个)频率的射频信号，并能接收多个频率雷达海洋回波信号。
多频固态发射机可配置多个频段的发射模块，每个发射模块可以单独放大并输出一种频率的信号。收发天线硬件本体有多种组合形式，可以采用收发一体化天线，或者发射天线与接收天线组合形式，或者一体化天线与接收天线组合形式。收发组件通过控制收发开关，可以实现接收与发送的分时切换。当采用收发一体化天线时，每个发射模块需要配备一个收发组件(收发组件有三个端口，发射时将发射机与发射天线相导通，接收时，将接收机与发射天线相连，此时发射天线当接收天线使用)，每个发射模块的输出端口通过一根射频电缆与收发组件的输入端口相连，收发组件的射频输出端口与收发一体天线相连，收发组件的另一输出端口与全数字多频MIMO接收机相连。当采用发射天线与接收天线组合形式时，发射天线与发射机通过射频电缆相连，接收天线与接收机通过射频电缆相连。
与射频信号相关的工作过程为：全数字多频MIMO接收机可以同时产生PN(PN＝2～4)个通道不同频率信号，经多频固态发射机放大后，由收发组件分配到天线阵列中PM(PM＝2～4)根天线(发射天线/收发一体天线)辐射出去，一根天线辐射一个频率的雷达信号电磁波；经海面反射后，每根天线(接收天线/收发一体天线)均接收PN种频率的电磁波，因此PM根天线可接收PM*PN组信号，经收发组件传递到全数字多频MIMO接收机进行处理。
同步组网设备用于实现区域内多个阵列式高频海洋雷达站的雷达主机设备的同步工作。同步组网设备输出的串口信号及同步信号通过组合电缆与全数字多频MIMO接收机相连。该同步组网设备利用内置的全系统多频卫星接收模块跟踪多频率卫星信号，产生1pps信号和报文信号；根据来自全数字多频MIMO接收机的雷达工作周期、所述1pps信号和所述报文信号中的时间报文信息，计算出雷达时序同步信号，发送给全数字多频MIMO接收机，全数字多频MIMO接收机在时序同步信号的上升沿开始工作；同时同步组网设备还根据1pps信号产生高精度驯服时钟驱动全数字多频MIMO接收机。该同步组网方案对雷达工作周期长短没有任何限制，实现了雷达任意工作周期的同步组网，突破了传统方法要求雷达工作周期必须满足1s的整分时间的限制，可实现共同覆盖区域内的多个阵列式高频海洋雷达站任意工作周期的同步组网工作。
雷达综合管控设备与三防工控机通过网络相连，雷达综合管控设备与全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机、UPS电源管理系统通过串口相连，用于进行信息交互和设备状态数据的监测。
三防工控机用于根据雷达回波数据完成设定功能的实现。
UPS电源管理系统通过供电线路连接雷达综合管控设备、三防工控机、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和同步组网设备。
雷达数据中心站与阵列式高频海洋雷达站通过网络或者北斗短报文进行通信；雷达数据中心站实现各阵列式高频海洋雷达站的数据汇总、处理以及远程管控。
如图1所示，UPS电源管理系统输出插座上连接着全数字同时多频组网MIMO接收机、全数字多频频固态发射机、三防工控机、雷达综合管控设备。UPS电源管理系统为这些设备提供稳定的220V交流电源。
如图2所示，该图展示了具有3个收发一体化天线的MIMO阵列式高频海洋雷达系统，系统中的全数字多频MIMO接收机产生3种频率的源信号，经全数字多频固态发射机放大后，每种射频信号通过收发组件中1路独立的收发开关(发射时开关将射频输入与射频输出接口导通)，并传输到与收发开关对应的收发一体天线，3根收发一体化天线向海面辐射3种不同频率的电磁波；电磁波经海面散射后，形成雷达回波，雷达回波被收发一体化天线接收，每根天线可以接收3种不同频率的信号，3根天线可以接收9路雷达回波信号，回波信号通过收发组件中的收发开关后传输到全数字多频MIMO接收机的接收通道，进行解调、计算。
如图3(a)所示，本发明采用了地貌共形天线阵技术，选择一种天线布放形式，根据雷达的工作频段设置天线阵列间距，一般来说天线间距为雷达信号波长的二分之一。天线可以随地形起伏，只需要计算出天线与天线之间的间距在水平面上的投影的具体间距和高程差，并根据位置信息和天线接收的信号进行幅相校准分析。这样，天线阵列可以随地势高低起伏建设，不用开山凿地破坏生态环境，天线阵列与地貌地形有机结合。阵列布放形式包含但不局限于双排直线阵、单排直线阵、X型阵、圆形阵、方形阵等；天线数目根据场地大小、用户需求精度进行设计。
针对于地貌共形，本发明还提供了一种基于地貌共形布阵的多元阵列通道无源校准方法，对基于地貌共形布阵的阵列信息进行校正，以减少通道幅相失配，提高雷达性能。该校准方法布署于三防工控机中，三防工控机对数据进行处理之前，需要进行该校准。
传统高频地波雷达的天线布阵方式，为满足雷达探测性能，需要大面积平整地形。若阵列地形平整，很容易以基准阵元(阵元1)为原点，构建阵列的笛卡尔坐标集：
X＝[x0,x1,…,xM-1]T
Y＝[y0,y1,…,yM-1]T
其中，(x1,y1)为阵元1坐标，即(x1,y1)＝(0,0)，阵元i坐标为(xi,yi)。M为阵元数，1≤i≤M。
任意阵元i相对于阵元1的水平间距为dxi，dxi＝xi-x1。
任意阵元i相对于阵元1的垂直间距为dyi，dyi＝yi-y1。
故对应的导向矢量可以写作
θ为某一特定回波方向，k为波数。
本发明的校准方法包括如下步骤：
步骤101、分别依次测量相邻阵元i+1同阵元i之间的坡度βi以及间距
当采用地貌共形布阵时，测量所得的两根天线之间的有效间距会受到地形的影响，主要受到坡度的影响。如图3(b)所示，相邻两根天线之间(即阵元i同阵元i+1之间)的坡度为βi，测量得到的两根天线之间的间距为对于海面回波而言，有效间距为天线间距在水平平面上的投影距离即：
其中，与笛卡尔直角坐标系x轴之间的夹角记为此时，阵列任意相邻两阵元之间的水平间距Δxi并不相等，任意相邻两阵元之间的垂直间距Δyi也不相等。整个阵列构成一个稀疏阵列模型(如图3(c)所示)，即：
任意阵元i相对于阵元1的水平间距为dxi，任意阵元i相对于阵元1的垂直间距为dyi。即：
需要注意的是，对坡度的测量方法并不唯一，可结合实际的地形情况灵活测量，只需保证最终能推导出任一阵元相对于基准阵元的在水平面上的坐标(dxi,dyi)即可。
步骤102、由步骤101获取阵元的实际坐标后，针对地貌共形布阵的阵列式高频地波雷达的阵列信息进行校准，生成校准后的导向矢量表达式如下式：
其中，θ为一特定回波方向即某个单到达角信号的到达角，k为波数，M为多元阵列中阵元总数。
步骤103、对单到达角信号进行分离。
本步骤中，选取雷达二维回波谱上信噪比大于20的二维谱点，进行单到达角信号分离的操作，构成单到达角回波信号集合。
单到达角信号分离操作包括如下步骤：
针对一个二维谱点，构造阵列接收自相关矩阵，进行特征值分解，求解特征值序列。对特征值序列按照设定的长度阈值N进行截断，保留的特征值序列为S。其中，长度阈值N取二维回波谱上各个谱点所对应的信号源数量的最大值，一般N不超过5。
根据阵列信号原理，阵列接收的单到达角信号的自相关矩阵在进行特征值分解以后，对于高信噪比的单到达角回波而言，即便尚未进行相位误差校准，其也应该具有最大特征值远大于其他特征值的特点。因此，如S存在如下关系，则该二维谱点可以认为是单到达角回波信号，实现了单到达角信号分离：
且
单到达角信号分离以后，即可利用分离的单到达角信号进行通道幅度增益的求解。
阵列式高频地波雷达在某一通道上二维回波谱模型可以简单描述为：
其中，R为雷达二维回波在二维谱点(m,n)上的到达角数目，Sr(m,n)为原始回波信号本身。显然当T为1时，在该频点为一单到达角信号。ai(θ)为Sr(m,n)所对应的信号(到达角为θ)在阵元i上相较于基准阵元(一般为阵元1)所形成的空间相位增益，即只考虑阵型的理论导向矢量。为阵元i相对于基准阵元天线复增益。gi为幅度增益，为相位误差。Ni(m,n)为阵元i对应通道噪声。
在不考虑噪声(即假设Ni(m,n)＝0)，且T＝1的的情况下，不难得出，某一单到达角信号所对应的通道幅度增益为：
但是由于计算的幅度增益并没有考虑噪声，不同的单到达角所计算的gi会有一些波动。因此本发明采用如下步骤104来计算较高精度的gi，并进行步骤105的幅度校准。
步骤104、利用分离的单到达角信号进行各通道幅度增益gi的求解。
本步骤包括以下子步骤：
①对步骤104中一个单到达角信号中的每一次快拍，求解各个阵元所对应幅度。计算该阵元幅度同参考阵元幅度比值，构成一个M行序列(M为阵元数)。
②针对该单到达角信号，在所有快拍中重复第①步过程。然后形成M行Q列的矩阵(M为阵元数，N为快拍数)。然后对该矩阵按行求取中位数矩阵，形成一个M行中位数序列。
③针对所有的单到达角信号，执行第①步和第②步，将所有的序列合并为一个新的M行R列的矩阵。对该矩阵再次按行求取中位数，形成的M行序列即为各通道的幅度增益。
步骤105、估计出各通道幅度增益gi后，将各通道的回波数据除以各自的gi，即可实现幅度校正。
步骤106、利用已经过幅度校正的单到达角回波信号和校正过的阵列信息基于代价函数MU估计通道相位误差Φ。当QMU取得最小值时，对应的Φ即为通道相位误差的最优估计。通道相位误差的估计采用二次型迭代搜索方法。
其中，θr为单到达角信号r的到达角，为单到达角信号r所对应的噪声子空间。R为单到达角信号总数。a(θr)为单到达角信号r所对应的导向矢量。Φ为通道相位误差矩阵。
QMU最小值的求解，本质上是二次型最优解的求解过程。合适的Φ初始值将促使更加准确快速的相位误差估计，并大大减少QMU的迭代次数。因此本发明设计了一种Φ初始值的确定方案：
对所有校正过的单到达角回波信号按照SNR进行排序，取SNR最大的信号作为候选信号。假设候选信号的到达角为θ，则该到达角θ所对应的导向矢量a(θ)满足下式
Es(θ)＝Φa(θ)+n
其中，Es(θ)为候选信号所对应的信号子空间，为M×1维向量(M为通道数)。Φ为通道相位误差，n为噪声。
当θ已知的情况下，上述表达式为一有源校准模型。理论上可以根据到达角θ确定相位误差Φ(因为噪声的存在，实际较难准确确定)。显然，Φ可以使最优估计代价函数取到最小值。
进一步的，可以理解为，当取得准确的θ值，并假设n＝0时，可以通过上式取得一个接近真实通道相位误差的Φ。
进一步的可以理解为，可以对θ进行一维搜索，将相对应的Φ带入代价函数QMU。当代价函数QMU取得最小值时，对应的Φ即为相位误差的一个近似值。
因此，不妨增加限制条件
s.t.∠[Φa(θ)]＝∠[ωEs(θ)]
其中，复数ω确保的ωEs(θ)第一项为1。
则确定最优估计过程中Φ的初始值的过程为：
①取一正整数K，在区间[-π,π)对θ以π/K为步长进行一维搜索遍历，将每次遍历到的角度值带入下述限制条件：
s.t.∠[Φα(θ)]＝∠[ωEs(θ)]
②根据限制条件，每一次遍历都会有一个相对应Φ。将这个Φ作为通道相位误差，将R个单到达角信号都带入MUSIC表达式进行到达角的估计。即假设相位误差为上述Φ的情况下，利用下式逐一估计出所有单到达角。
此时，再将上述的Φ和估计出的所有单到达角带入代价函数QMU，计算QMU的值。显然，对候选信号的到达角θ搜索遍历到的任一角度值，都有一个相对应的Φ，最终都会有一个相对应的QMU。
③当QMU取得最小值时，对应的[θ,Φ]即为合适的初始值。其中Φ为下一步进行二次型迭代搜索的初始值。当取得合适的初始值Φ以后，仅需要少量迭代，可以很容易求得Φ更精确的估计值。
步骤107、利用步骤106确定的通道相位误差Φ实现相位的校准。
至此，校正过程结束。
如图4所示，雷达综合管控设备是由多通道数据处理终端、北斗短报文终端、空调控制器、温湿度传感器、网络路由器(一个WAN口，4个LAN口)组成；多通道数据处理终端一共有24个输入采集通道(8个RS232接口、8个485接口、8个模拟接口)，一个输入/输出RJ45网口；其中，北斗短报文终端(RS232)、空调控制器(RS232)、温湿度传感器(RS485)均通过串口与多通道数据处理终端相连，网络路由器通过其中一个LAN口(LAN1)与多通道数据处理终端的RJ45网口相连。
雷达综合管控设备中的多通道数据处理终端还提供RS232接口与全数字同时多频组网MIMO接收机、全数字多频频固态发射机、UPS电源管理系统的RS232接口通过信号线连接；网络路由器的另外两个LAN口(LAN2和LAN3)与全数字同时多频组网MIMO接收机、三防工控机的RJ45接口通过网线连接。
通过以上连接关系，可以实现以下数据的流通：
(1)雷达回波数据：全数字多频MIMO接收机处理后的雷达回波数据经由网络路由器发送给三防工控机；
(2)指令：网络路由器/北斗短报文终端作为两个对外接口，当其接收到来自雷达数据中心站的指令，将指令传输给多通道数据处理终端进行解析和分发；多通道数据处理终端根据指令对象，将其分发到全数字多频MIMO接收机、全数字多频固态接收器、或UPS电源管理系统。还可以通过网络路由器将指令传递到三防工控机。
所述指令例如关机、重启、故障检测等命令，通过控制UPS电源管理系统的各设备电源输出，来实现控制全数字同时多频组网MIMO接收机、全数字多频频固态发射机、三防工控机等设备关机、重启功能。所述指令还可以用于控制设备参数的设定。
(3)状态数据：多通道数据处理终端通过RS232接口采集全数字多频MIMO接收机、全数字多频频固态发射机、UPS电源管理系统的状态数据，实现状态监控。
多通道数据处理终端还通过RS485接口实时采集室内的温度湿度，并根据多通道数据处理终端中的设置，控制空调控制器设置空调温度，保证设备工作环境温湿度处于正常范围。
多通道数据处理终端将采集的设备状态数据、温湿度数据通过网口传输到网络路由器最后传输到三防工控机上；
多通道数据处理终端还可以将采集的设备状态数据、温湿度数据通过北斗短报文终端，向雷达数据中心站内的北斗指挥机发送数据，北斗指挥机将接收的数据传输给雷达数据中心站内的中心站数据服务器上。多通道数据处理终端还能够利用设备状态数据来实现故障检测功能，并将故障检测结果，通过网络/北斗短报文上传到雷达数据中心站实现故障上报功能。
可见，雷达站与外部之间包括网络和北斗两条数据传输通道。在网络正常的情况下，用户可以通过网络与雷达综合管控设备中的网络设备通信，在无网络或网络故障情况下，用户通过北斗短报文设备与无线运控设备中的网络设备通信。用户可以使用电脑/手机客户端在雷达数据中心站上登录，从而实现对雷达站的管控。
如图5所示，三防工控机通过网口与雷达综合管控设备中的网络路由器相连。全数字多频MIMO接收机处理后的雷达回波数据通过网络路由器传输到三防工控机上。三防工控机包括雷达数据解算模块、海态解算模块、雷达运行监控模块、数据传输模块、数据库。雷达数据解算模块将接收机解调、计算后的雷达回波数据存入数据库；在雷达回波数据积累到一定程度时，海态解算模块从数据库中，读取积累的雷达回波数据，并反演计算处理得出风浪流场结果，并将结果数据存入数据库。雷达运行监控模块通过网络路由器从多通道数据处理终端获取设备状态数据、环境温湿度数据，并将数据存入数据库。最后，数据传输模块将风浪流结果数据、设备状态数据、室内温湿度数据，通过网络传输到雷达数据中心站内的中心站数据服务器上。
雷达数据中心站包括北斗报文指挥机、数据处理计算机、中心站数据服务器、远程管控客户端。北斗报文指挥机与数据处理计算机通过串口相连，数据处理计算机、中心站数据服务器、远程管控客户端、多个阵列式高频海洋雷达站通过专网或互联网相连。雷达数据中心站有雷达数据接收、存储、处理功能，例如根据来自2个不同阵列式高频海洋雷达站的海流速度径向数据，进行速度矢量的合成。雷达数据中心站还具有设备状态查询功能，设备远程控制功能，设备故障上报判断功能等。
通过以上连接关系，可以实现以下功能：
(1)海洋雷达站数据接收：雷达数据中心站通过互联网或专网接收到阵列式高频海洋雷达站的风浪流结果数据、设备状态数据、室内温湿度数据后，将上述数据存储到中心站数据服务器上；
(2)中心站数据处理：数据处理计算机从中心站数据服务器上读取多个阵列式高频海洋雷达站的数据，进行数据融合、分析、质控处理得到结果数据，并将结果数据存储到中心站数据服务器；
(3)设备状态查询：用户可以使用手机/计算机等远程管控客户端登录连接中心站数据服务器，而远端阵列式高频海洋雷达站中的雷达综合管控设备，会定时通过网络/北斗报文向服务器上报雷达站各设备的运行数据，这些数据会保存在服务器中，供用户查询，设备状态查询功能包括各设备状态功能包括设备温度、设备运行参数、设备电压电流等状态参数。
(4)远程控制雷达设备：用户需要远程控制雷达设备时，需要在客户端向服务器发送不同的操作指令请求，服务器会将对应的查询/控制指令，通过网络/北斗指挥机向需要控制的远端阵列式高频海洋雷达站中的雷达综合管控设备(其中的多通道数据处理终端)转发指令，最后实现对应的控制操作，设备远程控制功能包括设备复位、设备断电、设备重启等功能。
(5)设备故障上报：设备故障上报功能主要是根据阵列式高频海洋雷达站各设备的故障代码判断设备的故障问题，辅助用户根据故障代码分析故障原因。
如图6所示，同步组网设备包括全系统多频卫星接收模块、恒温晶振、FPGA数字信号处理器、数字PLL模块和电源模块。在本优选实施例中，全系统多频卫星接收模块采用和芯星通科技有限公司的UT4B0高精度授时模块，数字PLL模块采用ADI公司的AD9548，FPGA数字信号处理器采用的是Xilinx公司的Xilinx Spartan-7系列XC7S6-1CSGA225I芯片，高精度恒温晶振采用的是Abracon公司的AOCJY-20MHz。
全系统多频卫星接收模块，与多频卫星天线相连，用于同时跟踪多频率卫星信号，输出1pps信号和报文信号；该全系统多频卫星接收模块的报文信号引脚直接与FPGA数字信号处理器相连；1pps引脚分两路信号后，其中1路pps信号与FPGA数字信号处理器相连，以提供报文信号时序，另1路pps信号与数字PLL模块的参考引脚相连，以提供参考输入。本优选实施例的全系统多频卫星接收模块可同时跟踪BDS、GPS、GLONASS、Galileo多频卫星信号，实现输出高精度1pps信号，实时输出报文信号。
数字PLL模块的时钟输入引脚与恒温晶振信号输出相连，参考输入为1pps信号，在内部的PLL控制环路、鉴频鉴相器的控制下，在数字PLL模块中输入时钟信号经倍频后，可以输出多路高精度、高稳定度的驯服时钟信号，1路驯服时钟信号驱动FPGA数字处理器，1路驯服时钟信号用于驱动全数字多频MIMO接收机。本优选实施例的数字PLL模块采用的AD9548是一款配有直接数字频率合成器(DDS)的数字PLL芯片。
FPGA数字信号处理器，通过串口、时序同步控制引脚与全数字多频MIMO接收机相连；全数字多频MIMO接收机通过串口向FPGA数字信号处理器发送组网时序参数(脉冲周期、雷达工作周期Ts)，FPGA数字信号处理器根据1pps信号、报文信号中的时间报文信息和组网时序参数，计算出雷达时序同步信号，发送给全数字多频MIMO接收机，全数字多频MIMO接收机在时序同步信号的上升沿开始工作。
电源模块为本组网设备的用电设备提供电源。
利用本发明同步组网设备进行多站全数字多频MIMO接收机同步组网工作的方法，包括如下步骤:
首先假定组网的多个全数字多频MIMO接收机均以某一相同的历史时刻为共同起始时刻，记为T0，同步组网设备中的FPGA数字信号处理器的主频为fs、周期为Tfs。
步骤201、全数字多频MIMO接收机启动时，全数字多频MIMO接收机向同步组网设备的FPGA数字信号处理器下发雷达工作周期Ts(单位s)。
步骤202、雷达系统启动后，同步组网设备的FPGA数字信号处理器接收到1pps信号时，将接收时刻作为当前时刻，并等待当前时刻的时间报文信号(时间报文信号与对应的1pps信号有一定的延迟，延迟时间<100ms)，FPGA数字信号处理器接收到全系统多频卫星接收模块的时间报文信号后，解析出当前时刻Tm；
步骤203、计算同步时刻时间差Tc：完成步骤202后，计划在下一个1pps信号到来后实现同步，将下一个1pps信号的时刻作为同步时刻，即同步时刻为Tm+1，则同步时刻与起始时刻的差值为：
Tc＝Tm+1-T0
步骤204、计算时间差Tc被雷达工作周期Ts所除的余数Ty，商为Nzm；
Nzm＝[Tc/Ts]，[]为取整数符号
Ty＝Tc-Nzm×Ts；
步骤205、计算同步时刻的1pps到来之后，需要的延时时间Td，设FPGA数字信号处理器内部的延时寄存器值X；
Td＝Ts-Ty；
X＝Td/Tfs；
上述步骤中，步骤203、步骤204、步骤205参数的计算，必须在同步时刻的1pps到来之前完成。通过步骤203-205，将不同工作周期的全数字多频MIMO接收机的延迟时间进行了各自计算。
步骤206、等待同步时刻的1pps信号；当同步时刻的1pps信号到来后，FPGA数字信号处理器开始计数，计数值为Y；当计数值Y等于延时寄存器值X时，FPGA数字信号处理器输出时序同步信号给全数字多频MIMO接收机。
全数字多频MIMO接收机按照时序同步信号，在上升沿开始工作，即完成了组网同步。
完成同步后，为防止系统时钟的积累误差，雷达同步组网模块会每间隔1小时会自动同步一次。因此可以每隔1小时执行一次步骤202-206。
上述同步组网方案利用报文信号和1pps信号，计算下一个1pps信号与雷达工作帧周期的时间延时，从而保证每个组网雷达系统的工作周期相互之间实现同步。该方法实现了对雷达工作周期长短没有任何限制，实现了雷达任意工作周期的同步组网，突破了传统方法要求雷达工作周期必须满足1s的整分时间的限制。其次，本发明的同步装置采用了可同时跟踪BDS、GPS、GLONASS、Galileo多频卫星信号的接收模块，不仅可以提高同步组网的精度，而且在特殊时期(战争)失去GPS等信号时，仍可以利用我国的北斗BDS授时，保证系统组网精度。此外，本发明的优选实施方式，基于本发明的同步方法和装置，通过选择合适的器件使得雷达组网的同步时间<10ns，提高了雷达回波信号的相干性，从而增强了收发分站雷达系统、收发共站组网雷达系统的探测精度、性能。
综上所述，本发明通过MIMO多发多收的技术、地貌共形天线阵技术，提高探测精度，减小天线场地面积，加快阵列式高频海洋雷达系统监测应用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (12)

1.一种阵列式高频地波海洋雷达系统，其特征在于，包括：至少1个雷达数据中心站，每个雷达数据中心站连接至少2个阵列式高频海洋雷达站；
所述阵列式高频海洋雷达站包括：全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机、含有多路收发开关的收发组件、天线阵列、工控机、雷达综合管控设备、UPS电源管理系统和同步组网设备；
全数字多频MIMO接收机同时产生多个通道不同频率信号，经多频固态发射机放大后，由收发组件分配到天线阵列中不同天线辐射出去；每个天线均接收各个频率的雷达回波信号，经收发组件传递到全数字多频MIMO接收机进行处理；收发组件通过控制收发开关，实现接收与发送的分时切换；天线阵列布置在海岸沿线，将电磁波辐射到海面；
所述同步组网设备利用内置的全系统多频卫星接收模块跟踪多频率卫星信号，产生1pps信号和报文信号；根据来自全数字多频MIMO接收机的雷达工作周期、所述1pps信号和所述报文信号中的时间报文信息，计算出雷达时序同步信号，发送给全数字多频MIMO接收机，全数字多频MIMO接收机在时序同步信号的上升沿开始工作；同时同步组网设备还根据1pps信号产生高精度驯服时钟驱动全数字多频MIMO接收机；
所述雷达综合管控设备与工控机、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机、UPS电源管理系统相连，进行信息交互和设备状态数据的监测；
所述工控机用于根据雷达回波数据完成设定功能的实现；
所述UPS电源管理系统通过供电线路连接雷达综合管控设备、工控机、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和同步组网设备；
雷达数据中心站与阵列式高频海洋雷达站通过网络或者北斗短报文进行通信；雷达数据中心站实现各阵列式高频海洋雷达站的数据汇总、处理以及远程管控。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步组网设备包括：全系统多频卫星接收模块、恒温晶振、FPGA数字信号处理器、数字PLL模块和电源模块；
所述全系统多频卫星接收模块，与多频卫星天线相连，用于同时跟踪多频率卫星信号，输出1pps信号和报文信号；该全系统多频卫星接收模块的报文信号引脚直接与FPGA数字信号处理器相连；1pps引脚分两路信号后，其中1路pps信号与FPGA数字信号处理器相连，以提供时间报文信号提供时序，另1路pps信号与数字PLL模块的参考引脚相连，以提供参考输入；
所述数字PLL模块的时钟输入引脚与恒温晶振信号输出相连，在数字PLL模块中输入时钟信号经倍频后，输出至少2路高精度的驯服时钟信号，1路驯服时钟信号驱动FPGA数字处理器，1路驯服时钟信号用于驱动全数字多频MIMO接收机；
所述的FPGA数字信号处理器，通过串口、时序同步控制引脚与全数字多频MIMO接收机相连；全数字多频MIMO接收机通过串口向FPGA数字信号处理器发送包括雷达工作周期Ts的组网时序参数，FPGA数字信号处理器根据1pps信号、报文信号中的时间报文信息和组网时序参数，计算出雷达时序同步信号，发送给全数字多频MIMO接收机，全数字多频MIMO接收机在时序同步信号的上升沿开始工作；
所述电源模块为本同步组网设备中的用电部件提供电源。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，组网的多个阵列式高频海洋雷达站的全数字多频MIMO接收机均以一相同的历史时刻为共同起始时刻，记为T0，所述同步组网设备中的FPGA数字信号处理器的主频为fs、周期为Tfs；则所述同步组网设备对任意工作周期的全数字多频MIMO接收机提供同步组网的方式为：
1)全数字多频MIMO接收机启动时，全数字多频MIMO接收机向同步组网设备的FPGA数字信号处理器下发雷达工作周期Ts；
2)全数字多频MIMO接收机启动后，同步组网设备的FPGA数字信号处理器接收到1pps信号时，将接收时刻作为当前时刻，并等待当前时刻的报文信号，FPGA数字信号处理器接收到全系统多频卫星接收模块的报文信号后，解析出当前时刻Tm；
3)计算同步时刻时间差Tc：完成当前时刻Tm解析后，计划在下一个1pps信号到来后实现同步，将下一个1pps信号的时刻作为同步时刻，即同步时刻为Tm+1，则同步时刻与起始时刻的差值为：
Tc＝Tm+1-T0
4)计算时间差Tc被雷达工作周期Ts所除的余数Ty，商为Nzm；
Nzm＝[Tc/Ts]，[]为取整数符号
Ty＝Tc-Nzm×Ts；
5)计算同步时刻的1pps到来之后，需要的延时时间Td，设FPGA数字信号处理器内部的延时寄存器值X；
Td＝Ts-Ty；
X＝Td/Tfs；
6)等待同步时刻的1pps信号；当同步时刻的1pps信号到来后，FPGA数字信号处理器开始计数，计数值为Y；当计数值Y等于延时寄存器值X时，FPGA数字信号处理器输出时序同步信号给全数字多频MIMO接收机。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达综合管控设备包括网络路由器、多通道数据处理终端、空调控制器、北斗短报文终端和温湿度传感器；
网络路由器通过网口与工控机、全数字多频MIMO接收机和多通道数据处理终端相连，并向雷达数据中心站提供网络接口；
多通道数据处理终端通过串口连接空调控制器、北斗短报文终端、温湿度传感器、全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和UPS电源管理系统。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述网络路由器和北斗短报文终端将来自雷达数据中心站的指令传输给多通道数据处理终端进行解析和分发；
多通道数据处理终端向全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和UPS电源管理系统发送控制信号，从全数字多频MIMO接收机、多频固态发射机和UPS电源管理系统获取状态信息，用于进行故障判断；根据温湿度传感器采集的环境温湿度数据对空调控制器进行设置，从而实现环境温度的控制；
多通道数据处理终端将所述状态信息和环境温湿度数据经由网络路由器发送给工控机，或者根据需要通过北斗短报文终端将状态信息和环境温湿度数据发送给雷达数据中心站；
全数字多频MIMO接收机处理后的雷达回波数据经由网络路由器发送给工控机；
经工控机处理或存储的数据经由网络路由器或北斗短报文终端发送给雷达数据中心站。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线阵列采用地貌共形的布阵方式，则所述工控机在利用雷达回波数据实现所需功能之前，进一步对雷达回波数据进行基于地貌共形布阵的天线阵列通道无源校准，包括阵列信息校准、幅度校正和相位校准；
所述阵列信息校准为：针对地貌共形布阵的阵列式高频地波雷达的阵列信息进行校准，校准后的导向矢量表达式为：
其中，θ为一到达角，k为波数，M为天线阵列中阵元总数，Δxi、Δyi分别为阵元i与阵元i+1之间的水平间距和垂直间距，i∈[1,M-1]；
所述幅度校正为：对单到达角信号进行分离，利用分离的单到达角信号进行各通道幅度增益gi的求解，将各通道的回波数据除以各自的通道幅度增益gi，完成幅度校正；
所述相位校准为：根据经幅度校正的单到达角信号和校准后的导向矢量，对通道相位误差Φ进行最优估计，进而实现通道相位的校准；最优估计过程中Φ的初始值的确定方式为：
首先取一正整数K，在区间[-π,π)对到达角θ以π/K为步长进行一维搜索；
然后以∠[Φa(θ)]＝∠[ωEs(θ)]作为限制条件，针对搜索确定的每一个θ获取对应的满足所述限制条件的通道相位误差矩阵Φ；其中Es(θ)为候选信号所对应的信号子空间，所述候选信号为校正过的单到达角信号中信噪比最高的信号，复数ω确保的ωEs(θ)第一项为1，∠[]表示取幅角；
最后针对获取的通道相位误差矩阵Φ计算最优估计的代价函数值，当代价函数值取最小值时，对应的Φ为进行二次型迭代搜索的初始值。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述工控机在进行天线阵列通道无源校准的过程中，采用如下方式对单到达角信号进行分离：
针对雷达回波的二维谱点，构造阵列接收自相关矩阵，进行特征值分解，求解特征值序列；对特征值序列按照设定的长度阈值N进行截断，保留的特征值序列为S，该长度阈值N取二维回波谱上各个二维谱点所对应的信号源数量的最大值；
当S中存在关系j＝2…N-1，且时，认定当前二维谱点所对应的回波信号为单到达角信号；其中，Sj为序列S中第j个特征值；L为一个给定阈值且L≥1.8。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述工控机在进行天线阵列通道无源校准的过程中，采用如下方式确定通道幅度增益gi：
针对单到达角信号中的每一个快拍，求解各个阵元的信号幅度；计算阵元信号幅度同参考阵元信号幅度比值，构成一个M行序列；Q个快拍形成M行Q列的矩阵A；然后对该矩阵A按行求取中位数矩阵，形成一个M行中位数序列；
针对所有的R个单到达角信号，将所有的中位数序列合并为一个新的M行R列的矩阵B；对该矩阵B再次按行求取中位数，形成的M行序列即为各通道的通道幅度增益gi。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，雷达数据中心站与阵列式高频海洋雷达站交互的信息包括：
雷达数据中心站向阵列式高频海洋雷达站发送的远程控制指令；
阵列式高频海洋雷达站向雷达数据中心站上传工控机计算和/或存储的风、浪、流海态数据；
阵列式高频海洋雷达站通过收集状态信息进行的故障判断结果，并将结果发送到雷达数据中心站。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线采用收发一体化天线，或者发射天线与接收天线组合形式，或者一体化天线与接收天线组合形式；
所述天线布放的几何关系采用双排直线阵、单排直线阵、X型阵、圆形阵或者方形阵，天线数量为4-32根。
11.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述工控机内包括雷达数据解算模块、海态解算模块、雷达运行监控模块、数据传输模块和数据库；
雷达数据解算模块，用于经由网络路由器从全数字多频MIMO接收机获取雷达回波数据，存入数据库；
海态解算模块，用于对累积的雷达回波数据反演计算得出风浪流场结果存入数据库；
雷达运行监控模块，用于经由网络路由器从多通道数据处理终端获取设备状态数据、环境温湿度数据，存入数据库；
数据传输模块，用于将数据库存储的数据传输到雷达数据中心站。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达数据中心站包括：北斗报文指挥机、数据处理计算机、中心站数据服务器、远程管控客户端以及网络设备；其中，北斗报文指挥机与数据处理计算机通过串口相连，数据处理计算机、中心站数据服务器、远程管控客户端、多个阵列式高频海洋雷达站通过网络设备与专网或互联网互相连接；雷达数据中心站有雷达数据接收、存储、处理功能，还具有设备状态查询功能、设备远程控制功能、设备故障上报判断功能。
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