基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法技术

本发明专利技术提出一种基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法。在岸基设置两套参考射频信号发射源；在船舶平台上布放地波雷达系统，包括多根沿船只中心轴线对称布放在船舷一侧的接收天线，第一根接收天线在船艏；将海平面划分为若干海面块，通过布放在岸边的双参考射频信号解算平台的姿态参数；实现对受平台运动调制的雷达回波信号的运动补偿。台运动调制的雷达回波信号的运动补偿。台运动调制的雷达回波信号的运动补偿。

【技术实现步骤摘要】
基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法


[0001]本专利技术涉及无线电物理学和海洋科学
，具体涉及一种基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法。

技术介绍

[0002]高频超视距雷达利用高频(3～30MHz)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。同时，高频超视距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，能从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海态信息。高频地波雷达按照安装平台的不同可以分为：岸基高频地波雷达、浮标基高频地波雷达和船载高频地波雷达。
[0003]船载高频地波雷达除具有岸基雷达的优点外，因其具有更好的灵活性，探测范围更广，近年来受到广泛关注。船载平台的运动会对船载高频地波雷达的回波信号产生调制作用，导致一阶海杂波出现展宽和虚假峰从而影响雷达目标检测和海洋表面动力学参数反演能力。因此，需要对船载高频地波雷达回波信号进行运动补偿，以消除运动对回波信号的影响。
[0004]目前运动补偿方法主要分为两类：(1)恢复被船载平台六自由度运动污染的多普勒频谱，以提升获取海洋表面动力学参数和目标探测的能力；(2)恢复船载HFSWR天线受六自由度运动调制的天线方向图和导向矢量，以减少平台运动对雷达接收天线的影响。在已有的研究中，船载平台的运动姿态通常是被认为是已知的。实际上，运动姿态的精度会影响运动算法恢复雷达回波的效果，运动姿态精度越高，越能使雷达回波更好地恢复到调制前的水平。/>[0005]船载平台运动姿态可以利用传感器获取，也可以从雷达回波信号中提取。目前多数船载平台的运动姿态是使用如惯性导航系统(INS)等传感器进行获取的。但不可避免的存在以下问题：(1)传感器精度存在随机误差和时延等问题，其中时延会严重影响运动补偿算法的效果，难以消除六自由度运动调制产生的运动诱导峰；(2)惯性导航等传感器可以测量高精度摇(即横摇、纵摇和艏向变化)的姿态，但是难以直接测量荡(即横荡、纵荡和垂荡)的姿态，且测量精度有限。
[0006]有学者利用射频信号在频谱中的特性以及其受六自由度运动调制后的特性，提出了一种利用单参考射频信号获取六自由度运动参数的方法。但该方法解决了上述利用传感器获取运动姿态时存在的误差和时延问题。但是该方法存在一定的局限性。首先，该方法假设船载平台的六自由度运动均为单频正弦运动，不能准确描述真实的海洋环境。其次，该方法从利用频谱中不同自由度运动产生的运动诱导峰特征辨识六自由度运动参数。但是不同自由度运动产生的运动诱导峰在频谱上的特征相似，通常难以确定运动诱导峰是由哪个自由度运动导致。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于解决上述技术问题之一，尤其是针对单射频信号用于船载高频地波雷达运动辨识的局限性，提出一种基于双参考射频信号获取运动补偿参数并对船载平台六自由度运动调制进行运动补偿的方法。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法，包括以下步骤：
[0010]S1:硬件布设步骤：在岸上设置两套参考射频信号发射源；在船舶平台上布放地波雷达系统，所述地波雷达系统包括安装在船舷一侧的接收天线阵列，包括多根沿船只中心轴线对称设置的接收天线，第一根接收天线在船艏，阵列中天线数量为M；
[0011]S2:雷达回波信号时域表达式如下：
[0012]x(R,n)＝E(R
r
,θ
i
,n)+I
i
(R
i
,θ
i
,n)+e(n)
[0013]式中，x(R,n)∈C
M
×1为雷达回波信号数据，n表示扫频周期数，E(R
r
,θ
s
,n)∈C
M
×1为雷达回波信号中的一阶海洋表面雷达散射截面积(RCS)数据，I
i
(R
i
,θ
i
,n)∈C
M
×1为雷达回波信号中的参考射频信号数据，e(n)∈C
M
×1为背景噪声；
[0014]基于雷达回波信号的时域表达进行回波信号建模：将海平面划分为若干海面块，针对海面块，雷达回波信号中的海洋表面回波数据表达式为：
[0015][0016]其中，P
t
为雷达的发射功率，G
t
为雷达发射天线的增益,G
r
为雷达接收天线的增益，λ为雷达波长；σ(R
r
,θ
s
,n)表示海洋表面一阶雷达散射截面积模型，g(θ
s
,n)表示接收天线方向图，a(n)表示导向矢量幅值，p(θ
s
,n)
∈M
×1表示导向矢量相位，双重求和索引r，s的范围分别为[R/ΔR
‑
c/(4B
t
ΔR)]到[R/ΔR+c/(4B
t
tR)]和1到[2π/Δθ]，B
t
为雷达带宽,c为光速，[]为向下取整算子；
[0017]雷达回波信号中的参考射频信号数据的表达式为：
[0018][0019]I
q
(R
i,q
,θ
i,q
,n)表示未被运动调制的单频射频信号距离解调后的表达式，g(θ
i,q
,n)表示接收天线方向图，a(n)表示导向矢量幅值，p(θ
i,q
,n)
∈M
×1表示接收天线的导向矢量相位；当q取值分别为1和2时，I
q
(R
i,q
,θ
i,q
,n)表示分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源距离解调后的单频射频信号，R
i,q
分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源与船载平台中心之间的距离，θ
i,q
分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源与接收阵列主轴的夹角，n表示扫频周期；
[0020]其中，船载平台横摇角度及纵摇角度小于5
°
时，接收天线的天线方向图g(θ,n)可以表示为：
[0021]g(θ,n)≈g0＝[1
‑
cos(k
c
l
a
)]2；
[0022]阵列导向矢量的幅值a(n)可以近似为常数，
[0023]a(n)≈a0＝1；
[0024]k
c
表示波数，l
a
表示天线高度，θ表示雷达接收回波来波方向与法线方向夹角(θ
i,q
或θ
s
)
[0025]船载高频地波雷达接收天线阵列是由M根接收天线沿船舷布放而构成的线阵。静止状态下，其导向矢量的相位p0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:硬件布设步骤：在岸基设置两套参考射频信号发射源；在船舶平台上布放地波雷达系统，所述地波雷达系统包括安装在船舷一侧的接收天线阵列，所述阵列包括多根沿船只中心轴线对称设置的接收天线，第一根接收天线在船艏，阵列中天线数量为M；S2:雷达回波信号时域表达式如下：x(R,n)＝E(R
r
,θ
i
,n)+I
i
(R
i
,θ
i
,n)+e(n)式中，x(R,n)∈C
M
×1为雷达回波信号数据，n表示扫频周期数，E(R
r
,θ
s
,n)∈C
M
×1为雷达回波信号中的一阶海洋表面雷达散射截面积(RCS)数据，I
i
(R
i
,θ
i
,n)∈C
M
×1为雷达回波信号中的参考射频信号数据，e(n)∈C
M
×1为背景噪声；基于雷达回波信号的时域表达进行回波信号建模：将海平面划分为若干海面块，针对海面块，雷达回波信号中的海洋表面回波数据表达式为：其中，P
t
为雷达的发射功率，G
t
为雷达发射天线的增益,G
r
为雷达接收天线的增益，λ为雷达波长；σ(R
r
,θ
s
,n)表示海洋表面一阶雷达散射截面积模型，g(θ
s
,n)表示接收天线方向图，a(n)表示导向矢量幅值，p(θ
s
,n)
∈M
×1表示导向矢量相位，双重求和索引r，s的范围分别为[R/ΔR
‑
c/(4B
t
ΔR)]到[R/ΔR+c/(4B
t
ΔR)]和1到[2π/Δθ]，B
t
为雷达带宽,c为光速，[ ]为向下取整算子；雷达回波信号中的参考射频信号数据的表达式为：I
q
(R
i,q
,θ
i,q
,n)表示未被运动调制的单频射频信号距离解调后的表达式，g(θ
i,q
,n)表示接收天线方向图，a(n)表示导向矢量幅值，p(θ
i,q
,n)
∈M
×1表示接收天线的导向矢量相位；当q取值分别为1和2时，I
q
(R
i,q
,θ
i,q
,n)表示分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源距离解调后的未被运动调制的单频射频信号，R
i,q
分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源与船载平台中心之间的距离，θ
i,q
分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源与接收阵列主轴的夹角，n表示扫频周期；其中，船载平台横摇角度及纵摇角度小于5
°
时：接收天线的天线方向图g(θ,n)可以表示为：g(θ,n)≈g0＝[1
‑
cos(k
c
l
a
)]2；阵列导向矢量的幅值a(n)可以近似为常数：a(n)≈a0＝1；k
c
表示波数，l
a
表示天线高度，θ表示雷达接收回波来波方向与接收阵列法线方向夹角；静止状态下，天线阵列的导向矢量的相位p0(θ,n)为：
经除垂荡外五个自由度运动调制后，阵列导向矢量的相位p(θ,n)可以表示为：在横摇、纵摇和艏向变化不大于5
°
的情况下，定义为仅包含艏向变化的阵列导向矢量：向矢量：为艏向变化的弧度；将代入p(θ,n)的表达式中，可得阵列导向矢量的相位为：S3:参考射频信号建模步骤：第q个参考射频信号在第n个扫频周期内可以表达为：
其中：a
I,q
为第q个参考射频信号的幅值；f
I,q
为第q个参考射频信号的频率，位于在雷达带宽之内；为第q个参考射频信号的初始相位；f
c
为雷达发射信号的载频频率；计算参考射频信号的时域表达：其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛炯，黎明，陈懋荣，张玲，万汶湘，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：