CN1740812A - 高频表面波雷达均匀直线阵接收通道的近场校正方法 - Google Patents

Abstract

高频表面波雷达均匀直线天线阵接收通道单辅助源的近场校正方法，通过雷达天线阵列的位置信息和高频海态雷达海洋回波特征检测出具有单方位到达角的海洋回波；利用单方位到达角海洋回波和多重信号分类算法估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角近场来波信号、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和多重信号分类算法，估计得到通道相位的失配系数，实现相位校正。本发明无需增加额外的接收机通道，天线占地少；无天线孔径损失；运算较小，幅相校准精度更高；能长期不间断稳定工作；在提高雷达探测性能的同时，大幅度降低了雷达的研制成本和维护费用。

Description

高频表面波雷达均匀直线阵接收通道的近场校正方法

技术领域

本发明涉及一种高频表面波雷达均匀直线天线阵接收通道单辅助源的近场校正方法。

背景技术

高频表面波超视距雷达利用垂直极化高频电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机和导弹等运动目标。另外，高频表面波超视距雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶和二阶散射机制，从雷达海洋回波中提取风场、浪场、流场等海洋动力学参数，可实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测。

由于硬件本身的差异和雷达周边环境影响等多种因素的作用，实际中天线阵列各个通道的幅相特性是有差异的，导致回波信号经过不同通道后的幅度和相位变化不一致，一般称之为通道失配。通道失配会引起波束扫描和方位估计的误差增大，甚至完全失效，这是影响高频表面波雷达探测性能的关键问题之一。为了保证雷达能有效工作，必须采取措施使通道失配限制在一定的范围内：一方面，通过适当的措施(如电子元器件筛选)使各通道在制作时尽量保证其一致性；另一方面，可以对通道失配系数进行测量或估计，然后通过软件的方法校正以进一步缩小通道特性的差异。

现有的通道校正方法可分为远场有源和无源两类。在有源校正方法中，将辅助信号源置于天线阵前方足够远的开阔场地发射校正信号，再测量各接收通道的输出，根据已知信号源方位扣除阵列空间位置引起的相位差，即可得到通道失配参数。在无源校正方法中，无需方位准确已知的辅助信号源，直接利用接收的实测数据和一些先验知识(如阵列形式)估计通道失配系数，然后进行补偿校正。有些无源校正方法还可以实现信号方位和通道失配的联合估计。在王永良、陈辉等编著的《空间谱估计理论与算法》(清华大学出版社2004年)一书中对一般无源校正方法有比较详细的论述。

受天雷达体制、现场地环境条件、雷达工作波长、电波传播、天线阵列、海面硬目标回波、海洋杂波、干扰噪声等多种因素的影响，高频表面波雷达的通道校正实现起来比较困难，现有方法都只能解决部分问题，且费时费力，成本高，代价大，天线阵孔径接收通道损失大。雷达天线阵前方是海面，如采用有源远场校正方法则辅助信号源只能放在舰船或岛屿上，其维护十分麻烦而昂贵，难以长期稳定工作。现有的无源校正方法一般需要多次复杂的迭代运算，计算量很大，不一定能满足实时性要求，且有可能收敛于局部最优，而不是全局最优，以致出现完全错误的估计值。实际雷达系统与理想模型的差异，也使得一般无源校正方法的适用条件不能得到满足，难以实用。通道校正已成为制约高频表面波雷达探测性能并阻碍其实际应用的重大技术难题，必须加以妥善解决。

武汉大学电波传播实验室有人曾考虑过将海上已知天然或人工物体对雷达电波的反射信号作为校正信号。只要反射源的距离、速度已知，就可以从回波中检测出校正信号，然后根据已知反射源方位估计出各通道的失配系数。该方法可利用探测海域内已知的岛屿、灯塔和钻井平台等固定反射物，不存在辅助信号源的放置和维护问题，也无需额外的硬件开销，实现了在线实时自动校正，具有一定的实用价值。但该方法应用范围和实际效果有限，不适用于没有已知固定反射物(如岛屿)的海域，且仍然受到噪声干扰、舰船回波、多径效应等不利因素的影响。

武汉大学电波传播实验室有人也曾提出利用海洋回波可实现雷达接收通道的校准，但需增加一些辅助天线和辅助通道(即所谓的非线性阵)，但这不仅增加了天线占地面积，而且牺牲了本来有限的天线孔径，成本高，代价大。而且完全利用海洋进行校准时，前提是海洋回波特征必须满足研究者假设的理论模型，而这些理论与实际模型的关系则不得而知，其通道校正、特别是相位估计值令人难以置信。理论和实践表明，接收通道相位误差对高分辨算法影响最大，其估计和校准也最困难。

由于本项发明提出了一种单方位到达角海洋回波的检测、分离与在天线延长线上的设置近场单辅助源相结合的技术，满足了本发明提出的均匀直线天线阵接收通道幅相单辅助源近场校正方法的基本要求，因此下面将对其进行重点介绍。

高频表面波超视距雷达一般采用调频中断连续波(Frequency Modulated InterruptedContinuous Wave，缩写为FMICW)体制。Rafaat Khan等人发表的题为“高频表面波雷达目标探测与跟踪”(Target Detection and Tracking With a High Frequency Ground Wave Radar，IEEE Journal of Oceanic Engi neering，1994，19(4)：540～548)的论文中对此有较详细的描述。在该波形体制下，海洋回波(包括海面回波和海面硬目标回波)进入接收机后，经混频、低通滤波、A/D变换和二维FFT可得距离-多普勒(速度)二维回波谱(如图1表示高频地波雷达系统原理图；如图2是利用高频地波雷达实测海洋回波谱图，其中横轴表示多普勒频率，纵轴表示雷达探测距离)。在二维回波谱中，雷达接收的大量海洋回波按距离和速度进行了分离，分散在很多谱点上。当第二次FFT(多普勒变换)相干积累时间较长(约10分钟左右)时，雷达可获得很高的速度分辨力，二维回波谱中与海洋回波对应的谱点可达数百个、甚至千个以上，很适合利用统计方法将其中的单方位到达角海洋回波检测与分离出来。

发明内容

针对现有方法的局限性，本发明的目的是利用高频表面波雷达接收的单方位到达角海洋回波和在天线阵延长线的近场区域设置单辅助信号源，提供一种高频表面波雷达均匀直线天线阵接收通道单辅助源的近场校正方法，以减少通道幅相失配，提高雷达系统性能。这里的直线阵列是指所有阵元都位于同一直线上的阵列。

为了实现上述目的，本发明采用的高频表面波雷达均匀直线天线阵接收通道单辅助源的近场校正方法为：将天线阵列设置为均匀直线形式；通过雷达天线阵列的位置信息和高频海态雷达海洋回波特征检测出具有单方位到达角的海洋回波；利用单方位到达角海洋回波和多重信号分类算法(MUltiple SIgnal Classification，缩写为MUSIC)估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角近场来波信号、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和MUSIC算法，估计得到通道相位的失配系数，实现相位校正。

具体说，本发明可先从任意相邻天线中选出3个阵元，再选出1个单方位到达角回波，利用多重信号分类算法用于通道幅度误差估计。

为了提高接收通道幅度误差估计精度，可先从任意相邻天线中选出3个阵元，再选出多个单方位到达角回波，分别利用多重信号分类算法用于通道幅度误差估计，然后将估计的通道幅度误差求平均值。

本发明还可以利用已经过幅度校正的单方位海洋回波和已知的阵列位置信息，通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源。利用已经过幅度校正的单方位到达角海洋回波、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和MUSIC算法，估计得到通道相位的失配系数

实现相位校正。其中，θ_i为单方位到达角信号源的到达角，_n为阵元n的通道相位失配系数，(x_n，y_n)为阵元位置坐标，阵元1为坐标原点，即(x₁，y₁)＝(0，0)，λ为回波信号波长，∠v_n为v_n的相角。

本发明的优势在于其出色的实用性能：进行通道幅度较准时只利用了单方位到达角海洋回波，不存在有源通道校正方法面临的船只回波干扰、多径效应等棘手问题，也不存在为了单纯的通道校正需要人为构成非线性阵而增加辅助天线和接收通道，以至于额外增加雷达天线占地面积且牺牲天线孔径与等问题；利用了大量(可达100个以上)高强度单方位到达角海洋回波，信息利用率较高，具有良好的精度和稳健性；进行相位校正时，通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角海洋回波、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和MUSIC算法，估计得到通道相位的失配系数；无需增加接收通道，近场设置信号源，天线占非常地少；天线孔径无损失；采用一些特殊处理时运算量较小，能满足实时性要求；由于海洋回波总是大量存在，该方法能长期不间断稳定工作；在提高探测性能的同时，大幅降低了雷达的研制成本和维护费用。

附图说明

图1高频表面波雷达工作原理图；

图2高频表面波雷达实测地距离-多普勒二维回波谱；

图3高频表面波雷达近场校准原理图；

图4高频表面波雷达均匀接收天线阵与近场校准辅助信号；

图5表示设置近场信号的频谱图；

图6用于检测单方位到达角回波的阵列示意图；

图7满足单方位到达角条件的7个单方位到达角谱点。

图8(a)接收通道校准前的空间谱；

图8(b)接收通道校准后的空间谱；

图9(a)理想情况下的波束形成图；

图9(b)接收通道校准前形成的波束；

图9(c)接收通道校准后形成的波束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。

本发明的关键在于通过建立均匀直线阵列接收的单方位回波信号模型，将通道校正问题转化成了参数估计问题，并由此得到了较为精确的通道失配估计。

如图3所示，发射天线的辐射信号经海面散射后，海面回波和近场辅助源信号进入接收机后，经混频、低通滤波、A/D变换和二维FFT可得距离-多普勒(速度)二维回波谱。在二维回波谱中，雷达接收的大量海洋回波按距离和速度进行了分离，分散在很多谱点上。当第二次FFT(多普勒变换)相干积累时间较长(约10分钟左右)时，雷达可获得很高的速度分辨力，二维回波谱中与海洋回波对应的谱点可达数百个、甚至千个以上，很适合利用统计方法将其中的单方位到达角海洋回波检测与分离出来。通过雷达天线阵列的位置信息和高频海态雷达海洋回波特征检测出具有单方位到达角的海洋回波；利用单方位到达角海洋回波和MUSIC算法估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角近场来波信号、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和MUSIC算法，估计得到通道相位的失配系数，实现相位校正。

在上述方法中，利用单方位到达角海洋回波通过多重信号分类算法，得到通道幅度失配系数的估计值 ${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_n=\frac{1}{D}\underset{i=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\left|v_n^{\left(i\right)}\right|,$ 实现幅度校正；其中，

为阵元n的通道幅度失配系数估计值，v_n为阵列输出协方差矩阵最大特征值对应的特征向量，n＝1，2，…，M，M为阵元个数，i＝1，2，…，D，D为单方位回波个数。

本发明可以利用已经过幅度校正的单方位海洋回波和已知的阵列位置信息，通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源(如图4表示近场辅助源与接收天线阵的空间位置关系)。利用已经过幅度校正的单方位到达角海洋回波、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和MUSIC算法，估计得到通道相位的失配系数

实现相位校正。其中，θ_i为单方位到达角信号源的到达角，_n为阵元n的通道相位失配系数，(x_n，y_n)为阵元位置坐标，阵元1为坐标原点，即(x₁，y₁)＝(0，0)，λ为回波信号波长，∠v_n为v_n的相角。如图5表示在近场设置一个辅助信号源获得的频谱图(从此图明显可见辅助信号在频谱中的位置)。

考虑图4所示的M元任意均匀直线阵列的情况，以下分步骤对本发明在该情况下的具体

实施方式进行描述。

(一)信号模型

设有M个天线元构成的阵列。有D个窄带信号处于天线阵的远场区。在理想情况下，接收通道的输出向量可写成

                X(t)＝AS(t)+N(t)                              (1)

其中，

$x_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)a_m\left({\mathrm{\θ}}_i\right)+n_m\left(t\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

                X(t)＝[x₁(t)，x₂(t)，...，x_M(t)]^T

                S(t)＝[s₁(t)，s₂(t)，...，s_D(t)]^T

                N(t)＝[n₁(t)，n₂(t)，...，n_M(t)]^T

n_m(t)为第m个阵元的加性噪声，这里我们考虑的是零均值高斯白噪声，s_i(t)为第i个信号源到达天线阵参考点的复包络，a_m(θ_i)为第m个阵元对第i个信号的响应。a(θ)为天线阵的方向向量。

                A(θ)＝[a₁(θ)，a₂(θ₂)，...，a_M(θ_D)]         (2)

在直角坐标系中

                a_n(θ_i)＝exp{-jk[x_ncos(θ_i)+y_nsin(θ_i)]}       (3)

阵列的协方差矩阵为

$R_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\σ}}_s^{2}A\left(\mathrm{\θ}\right)A{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}_n^2---\left(4\right)$

典型的MUSIC算法就是根据上式的相关矩阵R_xx作特征值分解，估计出来波信号的方向θ

$P_{\mathrm{MUSIC}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)E_N{E}_N^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(5\right)$

其中，E_N＝[v_D+1，v_D+2，...，V_M]为噪声子空间矩阵。当接收通道存在幅相误差时，阵列的信号模型在可表示为

                X(t)＝ΓAS(t)+N(t)                              (6)

其中，Γ接收通道的幅相误差

ρ_n表示第n各通道的幅度误差，_n表示第n各通道的相位误差。

比较(1)、(3)两式，令

                B＝ΓA(θ)                                      (8)其中，

                B＝[b₁，b₂，...，b_M]^T，                         (9)

比较(2)、(3)和(8)式

                b_n＝ρ_nexp(j_n)exp{-jk[x_ncos(θ_i)+y_nsin(θ_i)]  (10)

此时阵列的协方差矩阵为

${\tilde{R}}_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\σ}}_s^2\mathrm{\ΓA}\left(\mathrm{\θ}\right)A{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H{\mathrm{\Γ}}^H+{\mathrm{\σ}}_n^2---\left(11\right)$

由此可见，当接收通道存在幅相误差时，R_xx的协方差矩阵发生了变化，噪声子空间也将发生变化。误差的相位分量将导致谱峰偏移，幅度分量主要导致谱的幅度变化。这将对基于子空间的DOA估计产生重要的影响。

对R_xx进行特征量分解，对应于最大特征值的特征向量设为v_m，假设只有一个信号源工作，且信号源相对于天线阵的夹角为θ_i，则有

                      v_max＝A(θ_i)                             (12)或者

                      v_max＝[v₁，v₂，...，v_M]

由以上各式得

            v_n＝ρ_nexp(j_n)exp{-jk[x_ncos(θ_i)+y_nsin(θ_i)]}    (13)

由此得接收通道的幅相分别为

                      ρ_n＝|v_n|                                (14)

                      _n＝∠v_n-k[x_ncos(θ_i)+y_nsin(θ_i)]

其中，

                      ∠v_n＝_n+k[x_ncos(θ_i)+y_nsin(θ_i)]       (15)

当存在D≥2个校准信号时，接收通道幅相误差的优化估计为

${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_n=\frac{1}{D}\underset{i=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\left|v_n^{\left(i\right)}\right|---\left(16\right)$

从(14)式可见，利用此方法估计的通道幅度误差与信号方向无关，因此这样得到的通道幅度误差是应该是非常准确的。

虽然本发明描述的通道校正方法首先在高频表面波雷达上获得了成功，但从本质上讲，该方法也有可能应用于其它接收了大量单方位信号的探测系统或通信系统。

(二)单方位到达角谱点估计

要实现雷达接收通道幅度的有效校准，关键之一是从雷达回波谱中检测与分离出存在单方位到达角的回波谱点，以进行通道幅度校准。不失一般性，设接收阵中相邻三天线单元分别记作A、B、C(如图6)，其中天线B和C距天线A的距离分别为d₁和d₂，设某一频率的信号从θ方向达到天线阵面，以A天线为参考，则A、B、C天线接收信号的相位分别为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_A=0\\ {\mathrm{\φ}}_B={\mathrm{\Δ\φ}}_B+k{d}_1\cos \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\φ}}_C={\mathrm{\Δ\φ}}_C+k{d}_2\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.----\left(18\right)$

由此得

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\Δ\φ}}_B=k{d}_1\cos \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\Δ\φ}}_C=k{d}_2\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(19\right)$

将以上两式相比

$\frac{{\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\Δ\φ}}_B}{{\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\Δ\φ}}_C}=\frac{d_1}{d_2},$ 或

${\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\Δ\φ}}_B=\frac{d_1}{d_2}({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\Δ\φ}}_C)---\left(20\right)$

进一步有：

                            φ_B-θ_C＝(Δφ_B-Δφ_C)      (21)

上式说明，如果雷达接收通道幅相不随信号源的到达角而变化，在相干积累时间内各接收通道的幅相保持不变，当某一频率的信号仅对应一个到达角时，相邻两天线接收信号的相位差就与到达角方向和频率无关(或相邻两天线接收信号的相位差为常数)。

经过理论分析和大量实际观测数据分析表明，对于高频表面波雷达，在大信噪比(如大于30dB)条件下，采用此方法能从海洋回波中检测出相当多的(有时甚至可达百个以上)满足一定精度要求的单方位到达角，信息量非常大，且信噪比越大，能检测的单方位到达角回波越多，并且估计出的通道幅误差的均方差越小。同时，为了减少参数估计误差，利用上述方法可以对不同距离元、不同频率的信号进行统计分析，从而确定单方位到达角所对应的信号频率。如图7表示从多普勒频谱中截取的一小部分满足单方位到达角条件谱点，从此图可见，即使在很窄的一个频率范围内，海洋单方位到达角谱点就达7个(图7中1-7表示单方位到达角谱点)。

完成单方位回波的分离与检测之后，就可以利用(14)式和上述检测得到的单方位到达角回波信号估计通道幅度失配系数，进行通道幅度校正。为了减少误差，按上述方法，可选出多个单方位到达角回波，利用(16)式估计通道幅度失配系数，进行通道幅度校正。

理论和实践表明，利用上述方法估计接收通道的幅度误差可达到相当高的精度，但利用此方法估计相位误差则不然。因此，在利用海洋回波完成接收通道幅度校准同时，为了提高接收通道相位误差估计的精度，可在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角近场来波信号、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和MUSIC算法，估计得到通道相位的失配系数，实现相位校正。如图8(a)表示接收通道校准前的空间谱；如图8(b)表示接收通道校准后的空间谱(其中谱峰对应信号到达方位角)。从此实验结果很容易看出，通到校准前，完全不能分辨信号到达角方位，但经过通到校准后，信号到达角方位可以非常准确分辨。

如图9(a)表示4元线阵在理想情况下的波束形成图；如图9(b)表示接收通道校准前形成的波束；如图9(c)表示接收通道校准后形成的波束。从这些实验结果不难看出，通到校准前，波束远远偏离理论设计值，但经过通到校准后，天线形成的波束非常接近理论设计值。同时也说明了本发明的有效性和实用性。

Claims (5)

1.一种高频表面波雷达均匀直线天线阵接收通道单辅助源的近场校正方法，其特征在于：将天线阵列设置为均匀直线形式；通过雷达天线阵列的位置信息和高频海态雷达海洋回波特征检测出具有单方位到达角的海洋回波；利用单方位到达角海洋回波和多重信号分类算法估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角近场来波信号、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和多重信号分类算法，估计得到通道相位的失配系数，实现相位校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用单方位到达角海洋回波通过多重信号分类算法，得到通道幅度失配系数的估计值实现幅度校正；其中，

为阵元n的通道幅度失配系数估计值，v_n为阵列输出协方差矩阵最大特征值对应的特征向量，n＝1，2，…，M，M为阵元个数，i＝1，2，…，D，D为单方位回波个数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：先从任意相邻天线中选出3个阵元，再选出1个单方位到达角回波，利用多重信号分类算法用于通道幅度误差估计。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：先从任意相邻天线中选出3个阵元，再选出多个单方位到达角回波，分别利用多重信号分类算法用于通道幅度误差估计，最后将估计的通道幅度误差求平均值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过在天线阵延长线上设置近场单辅助信号源，利用已经过幅度校正的单方位到达角近场来波信号、阵列单元天线的位置信息、近场辅助源的方位信息和多重信号分类算法，得到通道相位的失配系数

实现相位校正；其中，θ₀＝90°为近场信号源的到达角，_n为阵元n的通道相位失配系数，(x_n，y_n)为阵元位置坐标，阵元1为坐标原点，即(x₁，y₁)＝(0，0)，λ为回波信号波长，∠v_n为v_n的相角。

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