一种基于非直线天线阵列的无源通道校正方法技术

一种基于非直线天线阵列的无源通道校正方法，将天线阵列设置为含有平移不变阵元偶组的非直线形式；通过平移不变阵元偶组检测出单方位海洋回波；利用单方位海洋回波估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；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估计通道相位失配系数，实现相位校正。本发明专利技术完全不需要任何辅助信号源，是一种真正的无源通道校正方法，其优势在于：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；利用了大量高强度单方位海洋回波，具有良好的精度和稳健性；运算量较小；能长期不间断稳定工作；大大改善了雷达的应用灵活性；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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于非直线天线阵列对高频地波雷达进行无源通道校正的方法。
技术介绍
高频地波雷达利用高频电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，采用垂直极化天线辐射电波，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，高频地波雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海态信息，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、接收通道的非理想特性、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(复增益)不一致，一般称之为通道失配。通道失配引起波束扫描和方位估计的误差增大，甚至完全失效，是影响高频地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，然后通过校正进一步缩小通道特性的差异。现有的通道校正方法可分为有源和无源两类。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，即可得到通道失配信息。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。在刘德树、罗景青等编著的《空间谱估计及其应用》(中国科技大学出版社1997年)一书中对一般无源校正方法有详细阐述。受地形条件、工作波长、电波传播、雷达体制、天线阵列、(硬)目标回波、海洋杂波、噪声干扰等多种因素的影响，高频地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，成本高昂，代价很大。雷达天线阵前方是海面，如采用有源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地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。其具体实施细节可参考03128238.5号中国专利技术专利申请“一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法”。该专利技术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。但该专利技术实际上是一种特殊的有源校正方法，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。由于该专利技术提出了一种对频谱不重叠的单方位海洋回波的分离与检测技术，满足了本专利技术提出的无源通道校正方法的基本要求，因此下面将对其进行重点介绍。高频地波雷达一般采用调频中断连续波(frequency modulated interrupted continuouswave，缩写FMICW)体制。Rafaat Khan等人发表的题为“高频地波雷达目标探测与跟踪”(Target Detection and Tracking With a High Frequency Ground Wave Radar，IEEE Journal ofOceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的论文中对此有详细描述。在该波形体制下，海洋回波(包括海杂波和硬目标回波)进入接收机后，经混频、低通滤波、A/D转换和二维FFT(如图1所示)可得距离-多普勒(速度)二维回波谱(如图2所示)。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(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1000个以上，很适合用统计方法将其中频谱不重叠的单方位回波检测出来。单方位回波的检测是通过对特定形式阵列(如图3所示)二维回波谱输出的统计分析实现的。特定形式阵列由阵元1～4构成，其位置坐标为(xi，yi)，对应的某个二维回波谱点输出为Yi，i＝1，2，3，4。阵元1和2组成阵元偶A1，3和4组成阵元偶A2，A1与A2之间具有平移不变性，则有(x2,y2)=(x1+d,y1)(x4,y4)=(x3+d,y3)]]>令η1=Y2Y3Y1Y4]]>，容易证明，在没有噪声的理想情况下，二维回波谱中单方位谱点对应的η1是一个只与通道失配有关的不变量，不妨记为η1′。实际系统中噪声是不可避免的，单方位谱点对应的η1集中分布在η1′附近。另一方面，通过简单分析和数值模拟可知，多方位谱点对应的η1是一个与目标距离、(径向)速度、方位和回波信号振幅均有关的变量，由于这些目标参数的随机性，η1将呈随机分散状态。综合以上分析，将二维回波谱中所有超过一定信噪比门限的谱点对应的η1标在复平面上，则有且仅有一个区域(η1′附近)出现高度聚集现象，其中大多数η1值对应于单方位谱点。令η2=Y2Y1*Y4Y3*]]>，由与前面类似的分析可知，η2在复平面上也会出现聚集区，其中大多数η2值对应于单方位谱点。令η3=Y2Y4*Y1Y3*]]>，η3在复平面上同样会出现聚集区，其中大多数η3值对应于单方位谱点。经过理论分析和数值模拟发现，多方位谱点对应的η1、η2和η3同时落入各自聚集区概率极小，因此可以用η1、η2和η3能否同时落入各自聚集区作为检测单方位谱点的判据。A1和A2作为一个平移不变阵元偶组，构成了检测单方位回波(谱点)的特定形式阵列。若阵列中平移不变阵元偶组超过一个，则将是否同时被多个阵元偶组检测到作为判据，可进一步筛选出单方位谱点。含有平移不变阵元偶组的阵列形式是很常见的，如均匀线阵(或均匀平面阵)。
技术实现思路
针对现有方法的局限性，本专利技术的目的是利用高频地波雷达接收的单方位海洋回波，提供，以减少通道幅相失配，提高雷达系统性能。这里的非直线天线阵列是指并非所有天线阵元都位于同一直线上的阵列。为了实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是，将天线阵列设置为含有平移不变阵元偶组的非直线形式；通过平移不变阵元偶组检测出单方位海洋回波；利用单方位海洋回波估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；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估计通道相位失配系数，实现相位校正。在上述方法中，可利用单方位海洋回波通过g^i=Σl=1L|Yi|2/Σl=1L|Y1(l)|2]]>估计通道幅度失配系数，实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非直线天线阵列的无源通道校正方法，其特征在于：将天线阵列设置为含有平移不变阵元偶组的非直线形式；通过平移不变阵元偶组检测出单方位海洋回波；利用单方位海洋回波估计通道幅度失配系数，实现幅度校正；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估计通道相位失配系数，实现相位校正。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程丰，吴雄斌，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]