CN114442084B - 便携式高频地波雷达阵列、雷达系统性能分析方法及雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明属于阵列天线技术领域，提供了便携式高频地波雷达阵列、雷达系统性能分析方法及雷达。高频地波雷达阵列的阵元是圆柱状的磁天线，且磁天线内部含有三个磁性天线体组件；高频地波雷达阵列是由多个阵元组成的均匀线阵，且阵列平面的法线与海面垂直。系统性能分析方法包括从目标探测性能和目标估计性能两个方面来分析雷达系统的目标检测性能；目标探测性能的优劣采用磁天线的有效高度来衡量；目标估计性能的优劣采用MUSIC算法的均方根误差以及角度分辨力来衡量。本发明有利于缩小天线体积、降低布阵成本，提高雷达系统的灵活性以及在电子对抗中的生存能力；对于雷达系统来说，能够在仅轻微损失目标估计性能的同时获得更好的目标探测性能。
Description
技术领域
本发明属于阵列天线技术领域，尤其涉及一种基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列、高频地波雷达系统性能分析方法、雷达。
背景技术
我国的国土广袤、海域宽广，坐拥四百余万平方公里的海洋专属经济区以及数万公里的海岸线和众多海岛。为了保证海域的安全，长期以来，众多科学家在对海探测技术方面进行了深入研究。由于垂直极化的高频电磁波(3-30MHz)沿海面绕射传播时衰减小的特性，高频地波雷达的作用距离可达数百公里，在早期预警、海洋遥感等方面具有广泛的应用。受工作频段的限制，其天线单元的尺寸较大(通常半波长偶极子的天线高度可达数十米)，这导致天线的安装和拆卸十分不便，且灵活性也较差。因此，人们希望对天线进行小型化设计，以降低高频地波雷达天线的体积并提高其便携性，使其能够快速的进行阵地转移，从而增强其在电子对抗中的生存能力。
在常用的天线小型化方法中，无论是加载技术、分形天线技术，抑或是有源天线技术，其本质都是对电天线进行改造，即使能够缩小天线体积，但仍受工作频段的限制，天线体积依旧较大。
近年来，得益于铁氧体材料的出现提高了磁天线的性能并减小了天线的尺寸，磁天线以其体积小、灵敏度高的优点成为中短波天线设计的又一选择。但受限于其辐射电阻小、具有方向性的缺点，磁天线在短波通信的中应用较多，而在高频地波雷达中的应用仍有待研究。
因此需要采用磁天线作为天线单元来构建接收阵列，并进一步研究高频地波雷达在该阵列下的系统性能，从而说明磁天线应用于高频地波雷达的可行性，为高频地波雷达天线小型化提供新的方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的高频地波雷达阵列的灵活性差，布阵成本高。
(2)现有的天线小型化方法基本都是对电天线进行改造，受工作频段限制天线体积依旧较大。
(3)现有的小型化磁天线多用于短波通信，在高频地波雷达雷达中的应用较少。
解决以上问题及缺陷的难度为：传统的高频地波雷达阵列采用电天线进行布阵，因为电天线为全向天线，在各个方向上的辐射强度相等，所以在采用电天线构建阵列高频地波雷达阵列时，可以忽略天线自身的方向图，仅考虑阵列方向图，模型比较简单；而磁天线的辐射方向图具有方向性，对阵列的性能会造成较大的影响，因而在基于磁天线构建高频地波雷达阵列时，需要综合考虑磁天线自身的方向图与阵列的方向图，模型较为复杂。
解决以上问题及缺陷的意义为：通过基于磁天线构建高频地波雷达阵列系统，并对该系统进行性能分析，能够验证磁天线应用于高频雷达系统中的可能性，为高频地波雷达天线的小型化提供了新的方法，有利于降低布阵成本，提高雷达系统的灵活性以及在电子对抗中的生存能力。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种便携式高频地波雷达阵列、系统性能分析方法及雷达，具体涉及一种基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列、高频地波雷达系统性能分析方法及雷达。
本发明以小型的磁天线作为天线单元，构建便携式的高频地波雷达接收天线阵列，并基于构建的阵列进一步进行高频地波雷达系统性能分析，以验证磁天线应用于高频地波雷达系统的可行性，为高频天线的小型化设计提供一个新方案。
所述技术方案如下：本发明提供一种基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列，所述阵列的阵元是小型磁天线，且所述小型磁天线由天线体外壳及天线体组件构成；所述天线体外壳采用聚乙烯材料制成，由一个中空圆柱体及上下两块正方体围成；所述天线体组件主体部分为空心的圆柱形铁氧体棒，并在所述铁氧体棒上绕制线圈和加载电容。
进一步，所述天线体外壳中，中空圆柱体的高度为50cm～70cm，底面直径与上下两块正方体的边长相等，为40cm～50cm。
进一步，所述天线体组件个数为三个，且三个组件呈“一”字形平行排列；所述三个天线体组件上的线圈数略有差别，圈数多的天线体工作于较低频段，圈数少的天线体工作于较高频段，三个天线体组件各自输出电信号，信号合成后满足4-9MHz带宽的要求。
进一步，所述阵列是由的阵元数N应大于或等于2，且阵列形式为均匀线阵，并采用半波长布阵方式使相邻阵元的间距为0.5λ，同时阵列的法线方向与海面垂直。
本发明的另一目的在于提供一种高频地波雷达系统性能分析方法，包括对系统的目标探测性能分析和目标估计性能分析两个方面。
进一步，所述目标探测性能的优劣表现为天线接收信噪比的大小，由于信噪比主要取决于天线增益，同时天线的增益与其有效长度(或有效高度)成正比，因此采用磁天线的有效高度he来对目标探测性能进行衡量
其中n为磁芯上的线圈匝数，s为磁芯的横截面积，λ为电磁波的波长，μer为磁芯的有效磁导率，定义为：
其中μ0为磁芯的初始磁导率，d为磁芯的直径，l为磁芯的长度。
进一步，所述目标估计性能的优劣表现为对目标方位信息的估计精度和分辨力大小，采用MUSIC算法的估计误差以及角度分辨力来衡量。
进一步，所述MUSIC算法的估计误差通常采用估计误差的方差进行解析表示，其误差方差为：
在实测时，所述MUSIC算法的估计误差通常用多次实验的均方根误差来衡量。
进一步，所述MUSIC算法的角度分辨力通过“零谱”进行定义，具体为：两信号中点位置处“零谱”的统计均值大于两信号位置处“零谱”的统计均值时，认为两信号可以分辨，即：
E[Z(θm)＞Z(θi)] i＝1,2
其中表示所述MUSIC算法的零谱，定义为导向矢量在噪声子空间上的投影，θm表示两信号中点位置的角度；
将上式进一步展开得到可分辨公式：
其中λ2、u2分别表示小信号所对应的特征值和特征向量，σ2表示噪声方差，am＝a(θm)，ai＝a(θi)；
对于只有两个入射信号的情况，小信号的特征值为
其中P2表示小信号的功率，
因此，所述可分辨公式进一步化简为
当所述可分辨公式得到满足时，两个入射信号能够成功分辨，据此可以衡量所述MUSIC算法的角度分辨力。
本发明的另一目的在于提供一种雷达，所述雷达搭载所述基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明将小型的磁天线与高频地波雷达接收阵列相结合，构建了便携式的高频地波雷达阵列系统，与现有技术相比优点有：在同样的接收增益条件下能够显著降低天线体积、降低布阵成本，提高高频地波雷达阵列的灵活性及在电子对抗过程中的生存能力；同时在雷达系统性能方面能够在仅轻微损失目标估计性能的同时获得更好的目标探测性能。
从图4中可以看出，磁天线的能够在较小的实际尺寸下获得较大的有效高度：当d/l＝1/10时，约0.0115λ长的磁芯就能得到0.25λ(最佳长度)的有效高度；当d/l＝1/20时，获得0.25λ的有效高度也仅需要0.0135λ的磁芯长度；而电天线的实际长度通常要大于其有效长度，即电天线获得0.25λ的有效高度需要＞0.25λ的实际长度；因此，使用磁天线能够显著降低天线体积、降低布阵成本，提高高频地波雷达阵列的灵活性；由于有效高度和探测性能挂钩，因此证明基于磁天线构建高频地波雷达阵列能够提高系统的目标探测性能。
在同样的接收增益条件下能够显著降低天线体积、降低布阵成本，提高高频地波雷达阵列的灵活性及在电子对抗过程中的生存能力；同时在雷达系统性能方面能够在仅轻微损失目标估计性能的同时获得更好的目标探测性能。
从图5可以看出，对于两个角距离为15°的信号，基于磁天线构建的阵列和基于电天线构建的阵列都能分辨出两个信号；二者的谱峰位置相同，证明此时两阵列的估计精度相同；磁天线的谱峰幅度比电天线略低，说明其估计性能略低于电天线。
从图6中可以看出，在阵列法线方向附近内，基于磁天线构建的阵列和基于电天线构建的阵列具有相差不大的均方根误差；越偏离法线方向，二者差别越大；但即使在边缘角度上，磁天线阵的均方根误差也仅比电天线阵大0.3°左右；因此证明，采用磁天线布阵仅轻微损失MUSIC算法的估计精度。
从图7中可以看出，在阵列法线方向附近内，基于磁天线构建的阵列和基于电天线构建的阵列具有差别不大的分辨力性能，均能够分辨约12°的分辨力；随着角度偏离法线方向，电天线阵的性能略有下降而磁天线阵的性能下降较多；但即使在边缘角度处，磁天线阵的分辨力也仅比电天线阵低3°；因此证明，采用磁天线布阵仅轻微损失MUSIC算法的角度分辨力。
故联合图5-图7可得出结论，基于磁天线构建高频地波雷达阵列仅轻微损失系统的目标估计性能。
上述表明在同样的接收增益条件下能够显著降低天线体积、降低布阵成本，提高高频地波雷达阵列的灵活性及在电子对抗过程中的生存能力；同时在雷达系统性能方面能够在仅轻微损失目标估计性能的同时获得更好的目标探测性能。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列示意图。
图2是本发明实施例提供的搭载所述基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的雷达系统示意图。
图3是本发明实施例提供的磁天线组成图。
图4是本发明实施例提供的磁天线有效高度曲线图。
图5是本发明实施例提供的磁/电天线阵列空间谱曲线图。
图6是本发明实施例提供的磁/电天线阵列均方根误差曲线图。
图7是本发明实施例提供的磁/电天线阵列分辨阈值曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明提供一种基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列，所述阵列的阵元是小型磁天线，且所述小型磁天线由天线体外壳及天线体组件构成；所述天线体外壳采用聚乙烯材料制成，由一个中空圆柱体及上下两块正方体围成；所述天线体组件主体部分为空心的圆柱形铁氧体棒，并在所述铁氧体棒上绕制线圈和加载电容。
在本发明中，所述天线体外壳中，中空圆柱体的高度为50cm～70cm，底面直径与上下两块正方体的边长相等，为40cm～50cm。所述阵列是由的阵元数N应大于或等于2，且阵列形式为均匀线阵。
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步描述。
实施例，本发明提供的基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列基本结构如图1所示，其组成包括：8副磁天线水平排列组成的接收天线阵组成均匀线阵，并采用半波长的布阵方式，相邻阵元的间距为0.5λ。同时阵列的法线方向与海面垂直。
图2给出了本发明提高的雷达系统框图，该系统搭载了图1所示的阵列。该系统首先通过8个磁天线分别接收雷达回波中垂直极化的磁分量信号，经过阻抗匹配后通过50欧姆馈线将信号送入雷达接收机，雷达接收机对8个通道的信号进行放大、混频后得到基带信号并将其送入雷达信号处理机，信号处理机对基带信号进行二维傅里叶变换得到RD谱(距离-速度谱)，进一步再利用MUSIC算法对RD谱的数据进行处理得到信号的方位信息。
图3给出了磁天线的组成框图。其中的天线体部分是一个由短波铁氧体棒围成的中空圆柱(短波铁氧体棒通过专门的厂家订制完成)，通过在该中空圆柱上绕制线圈并进行电容加载可以得到一个天线体组件。一个磁天线中含有三个天线体组件，而且每个组件上的线圈数略有差别，圈数多的天线体组件工作于较低频率段；圈数少的天线体组件工作于较高频率段。三个天线体组件呈“一”字形平行排列，三个天线体组件各自输出电信号，在经过阻抗匹配后耦合到输出馈线上，三路信号合成后满足4-9MHz带宽的要求。
雷达系统的性能主要从其探测性能和估计性能两个方面来评价。通常，其探测性能可以通过接收信噪比来衡量，在不考虑后续信号处理算法的情况下，它主要取决于接收天线的增益。由于天线的增益与其有效长度le成正比，因此在本发明一优选实施例中通过有效长度来衡量其探测性能。对于磁天线来说，常采用有效高度he来替代有效长度这一概念。
其中n为磁芯上的线圈匝数，s为磁芯的横截面积，λ为电磁波的波长，μer为磁芯的有效磁导率，定义为
其中μ0为磁芯的初始磁导率，d为磁芯的直径，l为磁芯的长度。
在本发明一优选实施例中，所述目标估计性能的优劣表现为对目标方位信息的估计精度和分辨力大小，采用MUSIC算法的估计误差以及角度分辨力来衡量。
在本发明一优选实施例中，所述MUSIC算法的估计误差通常采用估计误差的方差进行解析表示，其误差方差为：
在实测时，所述MUSIC算法的估计误差通常用多次实验的均方根误差来衡量。
在本发明一优选实施例中，所述MUSIC算法的角度分辨力通过“零谱”进行定义，具体为：两信号中点位置处“零谱”的统计均值大于两信号位置处“零谱”的统计均值时，认为两信号可以分辨，即：
E[Z(θm)＞Z(θi)] i＝1,2
其中表示所述MUSIC算法的零谱，定义为导向矢量在噪声子空间上的投影，θm表示两信号中点位置的角度；
将上式进一步展开得到可分辨公式：
其中λ2、u2分别表示小信号所对应的特征值和特征向量，σ2表示噪声方差，am＝a(θm)，ai＝a(θi)；
对于只有两个入射信号的情况，小信号的特征值为
其中P2表示小信号的功率，
因此，所述可分辨公式进一步化简为
当所述可分辨公式得到满足时，两个入射信号能够成功分辨，据此可以衡量所述MUSIC算法的角度分辨力。
下面结合仿真实验对本发明的积极效果作进一步描述。
图4为通过有效高度he的表达式给出的不同磁芯长度以及不同径长比(直径与长度之比)下的磁天线有效高度，其中磁芯材料选取初始磁导率为400的锰锌铁氧体，图中黑色虚线表示有效高度为0.25λ(最佳天线长度)。
图4中：l为磁天线磁芯的长度，λ为波长，he为磁天线有效高度，故l/λ为磁芯长度与波长的比值，he/λ为有效高度与波长的比值；标签中，d为磁天线磁芯的直径，故d/l为磁芯直径与波长的比值。
图5为同等条件下磁/电天线阵列的空间谱对比图，可以粗略说明MUSIC算法在磁天线阵列下的性能。对于图1所示的磁天线阵列，选取1号磁天线作为相位参考点，其阵列方向图为
a(θ)＝sinθ[1 ejkdcosθ … ejk(N-1)dcosθ]T
其中k＝2π/λ表示波数，d为相邻阵元的间距，θ为信号的入射角度，N＝8表示阵元个数。
考虑M个远场信号入射到该天线阵列的情况，第n个阵元的接收数据为
其中sm(t)表示第m个入射信号，θm为第m个信号的入射角度，nn(t)为第n个阵元接收到的噪声。将整个阵列的接收数据写成矢量形式有
X(t)＝AS(t)+N(t)
进一步构建接收数据的协方差矩阵R＝E[XXH]并对其进行特征分解，得到信号子空间US和噪声子空间UN，然后基于二者的正交性构建空间谱PMU
对空间谱PMU进行谱峰搜索，得到的M个谱峰对应的角度即为M个信号的估计角度
图6为同等条件下磁/电天线阵列的均方根误差随入射信号角度的变化关系，基于高频地波雷达系统的实际性能选取了10dB信噪比、8阵元以及8快拍，并进行了500次MonteCarlo仿真，将所估计的目标角度与实际目标角度θ做如下处理即可得均方根误差(RMSE)
其中t表示第t次Monte Carlo仿真。
图7为同等条件下磁/电天线阵列对信号的最小可分辨角距离，其中取大信号(参考信号)的信噪比为10dB，小信号(干扰信号)的信噪比为5dB，可用快拍数为8；令两信号的角距离从1°开始向上增大，当由可分辨公式计算得到的快拍数L第一次小于等于8时，记此时的角距离为最小可分辨角距离，同时也进行了500次Monte Carlo仿真以得到确切的最小可分辨角距离。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的高频地波雷达系统性能分析方法，其特征在于，所述系统性能分析方法包括目标探测性能和目标估计性能；
所述目标探测性能采用磁天线的有效高度he对目标探测性能进行衡量，有效高度he公式为：
其中，n为磁芯上的线圈匝数，s为磁芯的横截面积，λ为电磁波的波长，μer为磁芯的有效磁导率，定义为：
其中，μ0为磁芯的初始磁导率，d为磁芯的直径，l为磁芯的长度；
所述目标估计性能采用MUSIC算法的估计误差以及角度分辨力进行衡量；
该基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的阵元由天线体外壳及天线体组件构成；所述天线体外壳采用聚乙烯材料，由一个中空圆柱体及上下两块正方体围成；所述天线体组件主体部分为空心的圆柱形铁氧体棒，并在所述铁氧体棒上绕制线圈和加载电容；
该基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列由小型的磁天线与高频地波雷达接收阵列相结合构建，在同样的接收增益条件下能够显著降低天线体积、降低布阵成本，提高高频地波雷达阵列的灵活性及在电子对抗过程中的生存能力；同时在雷达系统性能方面能够在仅轻微损失目标估计性能的同时获得更好的目标探测性能；
所述天线体外壳中，中空圆柱体的高度为50cm～70cm，底面直径与上下两块正方体的边长相等，均为40cm～50cm；
所述天线体组件个数为三个，且三个天线体组件呈一字形平行排列；
所述三个天线体组件上的线圈数不同，圈数多的天线体组件工作于低频段，圈数少的天线体工作于高频段，三个天线体组件各自输出电信号，信号合成后满足4-9MHz带宽；
所述磁天线能够在较小的实际尺寸下获得较大的有效高度：当d/l＝1/10时，0.0115λ长的磁芯就能得到最佳长度0.25λ的有效高度；当d/l＝1/20时，获得0.25λ的有效高度也仅需要0.0135λ的磁芯长度；而电天线的实际长度大于其有效长度，即电天线获得0.25λ的有效高度需要有大于0.25λ的实际长度；使用磁天线能够显著降低天线体积、降低布阵成本，提高高频地波雷达阵列的灵活性；由于有效高度和探测性能挂钩，基于磁天线构建高频地波雷达阵列能够提高系统的目标探测性能。
2.根据权利要求1所述的基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的高频地波雷达系统性能分析方法，其特征在于，所述阵列为多个阵元组成的均匀线阵；所述均匀线阵的阵元数N大于或等于2，采用半波长布阵方式使相邻阵元的间距为0.5λ；所述均匀线阵的法线方向与海面垂直。
3.根据权利要求1所述的基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的高频地波雷达系统性能分析方法，其特征在于，所述MUSIC算法的估计误差采用估计误差的方差进行解析表示，误差方差为：
在实测时，所述MUSIC算法的估计误差用多次实验的均方根误差进行衡量。
4.根据权利要求1所述的基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的高频地波雷达系统性能分析方法，其特征在于，所述MUSIC算法的角度分辨力通过零谱进行定义，具体为：两信号中点位置处零谱的统计均值大于两信号位置处零谱的统计均值时，为两信号分辨，为：
E[Z(θm)＞Z(θi)] i＝1,2；
其中表示所述MUSIC算法的零谱，定义为导向矢量在噪声子空间上的投影，θm表示两信号中点位置的角度；
将上式进一步展开得到分辨公式：
其中，λ2、u2分别表示小信号所对应的特征值和特征向量，σ2表示噪声方差，am＝a(θm)，ai＝a(θi)。
5.根据权利要求4所述的基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列的高频地波雷达系统性能分析方法，其特征在于，只有两个入射信号时，小信号的特征值为
其中，P2表示小信号的功率，
所述分辨公式进一步化简为
当所述分辨公式得到满足时，两个入射信号能够成功分辨，用于衡量所述MUSIC算法的角度分辨力。
6.一种雷达，其特征在于，所述雷达搭载权利要求1所述基于磁天线的便携式高频地波雷达阵列。
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