一种高频地波雷达通道校准方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种高频地波雷达通道校准方法及系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，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。本专利技术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，γm(θ)为天线方向图误差的幅度，ψm(θ)为天线方向图误差的相位，b1,…bn+1和c1,…cn+1分别为γm(θ)和ψm(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，am(θ)表示来自θ方位的信源在第m个阵元上产生的复响应，gm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，φm为第m个阵元上与方位无关的相位误差；令ωτ(θ)＝k(um·sin(θ)+vm·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(um,vm)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(gm,φm,γm,ψm)和测量船只方位上的粗糙的阵流型估计其中，γm即γm(θ)，ψm即ψm(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。本专利技术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。本专利技术的优点在于：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。本专利技术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。本专利技术所述方法基于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。因此本专利技术所述方案对雷达信号的实际应用具有重要价值。本专利技术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。本专利技术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为本专利技术实施例高频地波雷达的工作原理框图；图2为本专利技术实施例接收阵列几何结构示意图；图3为本专利技术实施例方法流程图；图4为本专利技术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为本专利技术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为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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，/n

【技术特征摘要】
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，γm(θ)为天线方向图误差的幅度，ψm(θ)为天线方向图误差的相位，b1,…bn+1和c1,…cn+1分别为γm(θ)和ψm(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，am(θ)表示来自θ方位的信源在第m个阵元上产生的复响应，gm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，φm为第m个阵元上与方位无关的相位误差；
令ωτ(θ)＝k(um·sin(θ)+vm·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(um,vm)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(gm,φm,γm,ψm)和测量船只方位上的粗糙的阵流型估计其中，γm即γm(θ)，ψm即ψm(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽宗，张利娜，赵晨，李健，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42