高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法及装置制造方法及图纸

目前用于海态监测的高频雷达大部分采用了单极子/交叉环天线，这种天线的定向性能对接收通道幅度增益的不一致较为敏感。本发明专利技术基于单极子/交叉环天线阵测向时广泛采用的多重信号分类(MUSIC)谱的倒数(即倒谱)，利用通道间幅度误差对倒谱极小值位置和幅度的影响效应，提出来了一种高频雷达接收通道幅相误差自动校正方法及装置，该方法和装置将降低高频雷达的运行成本，有利于高频雷达技术的发展和应用。

【技术实现步骤摘要】
高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法及装置
本专利技术属于电学领域，尤其涉及采用单极子/交叉环天线的高频雷达接收通道增益的自动校正方法和装置。
技术介绍
高频雷达作为一种海洋遥感设备，目前广泛安装于海岸、海面浮台或船只上用于海洋表面状态参数遥感。雷达向海面发射高频电磁波，雷达由回波信号解算得到各个距离和方位单元上的多普勒谱，并由此反演流速、浪高和风速等海面动力学参数。测向是雷达的基本功能之一。目前在世界范围内用于海态监测的高频地波雷达大部分采用单极子/交叉环天线进行测向。单极子/交叉环天线是一种共相位中心的紧凑式天线，依据在单极子和二个环天线上接收信号的幅度进行来波方向估计。在实际中，各天线通道具有独立的电路，总是存在增益幅度和相位的不一致，这将影响雷达定向性能。因此，在进行后续空间谱估计或到达角估计之前，必须对各通道间幅度和相位增益不一致进行校正。目前采用的通道校正方法主要有合作信源法和非合作信源法。合作信源法采用应答器(周浩，方繁，文必洋，田应伟，谭剑，一种基于DDS的高频雷达应答器，CN201420348876)、单频信标(周浩，文必洋，吴世才，石振华，高频线性调频雷达方向图测量方法，CN200710051207)和船只自动身份识别系统(automaticidentificationsystem,AIS)信息(文必洋，王若琨，杨静，石阳升，一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，CN201410104866)，均需要采用额外的专用设备对已知方向的合作信号进行测量，估计通道间的幅度和相位误差。合作信源法提高了硬件成本和测量成本，且受制于雷达所处的地形和海域环境，在某些条件下难以实施。非合作信号源法，则利用雷达接收到的任何未知信号源，自动解算出各天线通道间的幅度和相位误差。非合作信号源包括海洋一阶Bragg散射回波信号(吴雄斌，程丰，一种利用海洋回波进行通道校正的方法，CN1321331C)和电离层反射回波信号(周浩，文必洋，吴世才，一种利用电离层回波进行高频雷达天线阵列通道校正的方法，CN200610018271.5)，可用于任意鞭天线阵列的幅度校正以及非均匀直线阵列的相位校正，但不能用于单极子/交叉环天线阵的幅度校正。特别地，实际中天线方向图容易受到环境的影响而产生畸变，更增加了幅度校正的难度。
技术实现思路
本专利技术针对现有高频地波雷达单极子/交叉环天线阵接收通道幅度校正技术的不足，提供一种利用非合作海洋回波进行接收通道幅度增益的自动校准方法。由于单极子/交叉环天线是共相位中心，利用三根天线采集到的大信噪比信号即可容易估计出各通道间的相位差，因此，本专利技术仅考虑通道幅度校正。同时，由于交叉环天线方向图对外部环境不敏感，可以认为交叉环天线具有理想方向图且通道仅存在整体幅度增益偏差，单极子天线则同时存在方向图畸变和幅度增益偏差。单极子/交叉环天线对空间来自θ方向信号的理想响应函数为a(θ)＝[1,cosθ,sinθ]T，其中T表示转置。而实际方向响应函数可以表示为b(θ)＝[α(θ),cosθ,βsinθ]T.这里α(θ)表示单极子天线的方向响应，可能存在方向图畸变，即在不同角度θ上可能具有不同的响应值。设空间有一来自于θ0方向的信号s(t)入射到阵列，则阵列接收信号为x(t)＝b(θ0)s(t)+n(t)，其中n(t)＝[n1(t),n2(t),n3(t)]T是各通道上的噪声向量，这里可以假设为是互相独立的高斯白噪声。阵列接收信号的自相关矩阵为Rxx＝E[x(t)xH(t)]＝b(θ0)E[s(t)sH(t)]bH(θ0)+E[n(t)nH(t)]＝b(θ0)RssbH(θ0)+Rnn其中E[·]表示求期望，H表示共轭转置。一般的，使用单极子/交叉环天线时可采用多重信号分类法(MultipleSIgnalClassification,MUSIC)求取空间谱P(θ)并进行定向：其中U是Rxx特征分解后最大特征值对应的特征向量，这里假设了只有单个信源，符合海面回波的大部分情况。实际上，U和信号导引向量b(θ0)线性相关，空间谱的倒数(以下简称倒谱)可以写为具有通道不一致的影响可以由上式进行评估。我们已经证明，在单一信源条件下，单极子/交叉环天线到达角估计的平均误差仅由环间不一致因子β和真实到达角θ0决定，满足：E[Δθ]＝arctan(βtanθ0)-θ0.而单极子的方向图畸变及幅度增益则只影响倒谱幅度，不影响倒谱最小值的位置，即α(θ)的大小不影响定向的平均误差。因此，利用这些特性，就可以对通道不一致进行自动估计和校正，在后续对环间不一致因子β进行估计时，可以用单极子方向响应平均值代替α(θ)计算。本专利技术的技术方案为一种利用海洋回波的高频地波雷达单极子/交叉环天线接收通道幅度增益的自动校准方法，包含以下步骤：步骤1、雷达正常采集海洋回波数据，得到各通道的距离多普勒谱；步骤2、在单极子天线回波谱中搜索大信噪比谱点，得到各通道同一距离和频率位置处的谱点集合Q；步骤3、选取任意天线作为参考通道，通过计算在同一距离和频率位置处各通道谱点与该参考通道谱点的相位差，得到各通道相位校正值，并进行相位校正；步骤4、选择单极子方向响应平均值和环间不一致因子β的搜索集合αs和βs，对各个元素{αi,βj}(αi∈αs,βj∈βs}，分别对接收信号进行幅度校正，对集合Q中的所有谱点，计算MUSIC倒谱之和Σi,j；步骤5、搜索倒谱和的最小值，其位置对应的αi和βj即为所求的幅度校正值，即单极子方向响应平均值α和环间不一致因子β的估计值为步骤6、对集合Q中的所有谱点采用进行通道幅度校正，计算到达角，将各谱点幅度除以该通道对应的方向响应因子，得到所有谱点在单极子和交叉环上校正后幅度和到达角集合，记为其中N是集合Q中谱点总个数，A1,l,A2,l,A3,l分别是3个天线上第l个谱点的幅度，是估计出的第l个谱点的到达角；步骤7、利用步骤6中得到的幅度和角度参数对集合计算单极子天线在角度上的响应幅度对所有幅度-角度对的集合进行平滑和插值得到单极子的方向图进一步的，步骤3中，利用来计算通道m和通道k之间的相位差，得到相位校正值，其中N是集合Q中谱点总个数，xm,l和xk,l分别表示通道m和通道k上第l个谱点的复数谱值。进一步的，步骤4中，0.1≤αs≤10和0.1≤βs≤10，搜索步长取为0.1。进一步的，步骤6中采用MUSIC算法估计到达角。本专利技术还提供一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准系统，包括如下单元，数据获取单元，用于采集海洋回波数据，得到各通道的距离多普勒谱；谱检测单元，用于在单极子天线回波谱中搜索大信噪比谱点，得到各通道同一距离和频率位置处的谱点集合Q；通道相位校正单元，用于选取任意天线作为参考通道，通过计算在同一距离和频率位置处各通道谱点与该参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、采集海洋回波数据，得到各通道的距离多普勒谱；/n步骤2、在单极子天线回波谱中搜索大信噪比谱点，得到各通道同一距离和频率位置处的谱点集合Q；/n步骤3、选取任意天线作为参考通道，通过计算在同一距离和频率位置处各通道谱点与该参考通道谱点的相位差，得到各通道相位校正值，并进行相位校正；/n步骤4、选择单极子方向响应平均值α和环间不一致因子β的搜索集合α

【技术特征摘要】
1.一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采集海洋回波数据，得到各通道的距离多普勒谱；
步骤2、在单极子天线回波谱中搜索大信噪比谱点，得到各通道同一距离和频率位置处的谱点集合Q；
步骤3、选取任意天线作为参考通道，通过计算在同一距离和频率位置处各通道谱点与该参考通道谱点的相位差，得到各通道相位校正值，并进行相位校正；
步骤4、选择单极子方向响应平均值α和环间不一致因子β的搜索集合αs和βs，对各个元素{αi,βj}(αi∈αs,βj∈βs}，分别对接收信号进行幅度校正，对集合Q中的所有谱点，计算MUSIC倒谱之和Σi,j；
步骤5、搜索倒谱和的最小值，其位置对应的αi和βj即为所求的幅度校正值，，即单极子方向响应平均值α和环间不一致因子β的估计值为
步骤6、对集合Q中的所有谱点采用进行通道幅度校正，计算到达角，将各谱点幅度除以该通道对应的方向响应因子，得到所有谱点在单极子和交叉环上校正后幅度和到达角集合，记为其中N是集合Q中谱点总个数，A1,l,A2,l,A3,l分别是3个天线上第l个谱点的幅度，是估计出的第l个谱点的到达角；
步骤7、利用步骤6中得到的幅度和角度参数对集合计算单极子天线在角度上的响应幅度对所有幅度-角度对的集合进行平滑和插值得到单极子的方向图


2.如权利要求1所述的一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法，其特征在于：步骤3中，利用来计算通道m和通道k之间的相位差，得到相位校正值，其中N是集合Q中谱点总个数，xm,l和xk,l分别表示通道m和通道k上第l个谱点的复数谱值。


3.如权利要求1所述的一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法，其特征在于：步骤4中，0.1≤αs≤10和0.1≤βs≤10，搜索步长取为0.1。


4.如权利要求1所述的一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准方法，其特征在于：步骤6中采用MUSIC算法估计到达角。


5.一种高频雷达单极子/交叉环天线通道增益校准系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，何书芹，王才军，文必洋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42