一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法。本发明专利技术通过发射系统发射脉冲电磁波，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；结合伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，通过高斯曲线拟合得到参数分布的方差，进一步计算系统噪声分布的方差；构建相位差偏移模型确定相位差偏移值，结合确定相位差偏移值对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。本发明专利技术解决了传统方法未考虑天线及其反馈带来的相位误差的问题，提高了相位偏移误差校准的准确性以及灵活性。的准确性以及灵活性。的准确性以及灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法


[0001]本专利技术属于闪电定位
，尤其涉及一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法。

技术介绍

[0002]相位干涉法在主动式闪电雷达定位系统中被广泛使用，其原理是利用各个通道间的相位差来实现对目标的定位，所以在采用相位干涉法来正确估计来波的AOA(Angle of Arrival，到达角)之前，必须要对雷达系统的各个天线接收通道做相位校准，以确保各个天线的相位差处于相同的计算基准。
[0003]通常情况下，在雷达建站之初，一般会对雷达系统各通道硬件电路做相位差延迟测量，根据测量结果进行相位差延迟校正，校正原理为：使用信号源产生多路同相的模拟信号，再将模拟信号直接输入到雷达系统中接收机的各个输入端，然后再在接收机的输出端进行测量，将输出端的信号与模拟信号的相位进行比对即可以得到接收机的相位差。但是，该方法并未考虑天线及其馈线电缆带来的相位偏差，导致测量结果不够准确；且测量相位误差使用的是模拟信号，并不能真实模拟雷达的实际工作条件，导致现有的相位差校正的准确性较低。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法，以获取相位差偏差值，提高了雷达系统相位差校正的准确性。
[0005]本专利技术系统的技术方案为一种单站闪电定位系统相位自动校准系统，包括：
[0006]发射系统、数字信号接收系统、L型干涉阵列、电场仪；
[0007]所述L型干涉阵列由第一条天线基线与第二条天线基线构成；
[0008]所述第一条天线基线、第二条天线基线相互正交；
[0009]所述第一条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1和第一基线的第2个偶极子天线Ant2依次排列构成；
[0010]所述第二条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第二基线的第1个偶极子天线Ant3和第二基线的第2个偶极子天线Ant4依次排列构成；
[0011]所述数字信号接收系统分别与所述的电场仪、L型干涉阵列连接；
[0012]所述发射系统用于实时发射电磁波信号至等离子体；
[0013]所述L型干涉阵列用于实时接收等离子体信号，通过公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1、第一基线的第2个偶极子天线Ant2、第二基线的第1个偶极子天线Ant3、第二基线的第2个偶极子天线Ant4输入至所述数字信号接收系统；
[0014]通过发射系统发射脉冲电磁波，由L型干涉阵列接收回波信号，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，多个回波目标通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；结
合伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差；构建相位差偏移模型确定相位差偏移值，结合确定相位差偏移值对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。
[0015]本专利技术方法的技术方案为一种单站闪电定位系统相位自动校准方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1：单站闪电定位系统工作在设定的校准探测模式，通过发射系统发射脉冲电磁波，由L型干涉阵列接收回波信号，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，多个回波目标通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；
[0017]步骤2：根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；
[0018]步骤3：对伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差；
[0019]步骤4：结合系统噪声分布的方差构建相位差偏移模型，根据相位差偏移模型确定相位差偏移值，对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。
[0020]作为优选，步骤1中所述的所述校准探测模式为：
[0021]是根据单站闪电定位系统的工作特性，单站闪电定位系统工作频率为VHF甚高频，在无雷暴天气时利用发射系统发射甚高频脉冲电磁波，通过L型干涉阵列可以接收得到流星余迹反射的回波，最终通过数字信号接收系统探测得到的流星余迹回波目标的数据集，并根据数据集的统计特性，可以用于校准系统的相位差；
[0022]所述每个回波目标的数据包含5个通道的幅度数据，通道0到通道4分别对应于L型天线阵的5根偶极子天线的序号Ant0
‑
Ant4；
[0023]所述特定通道间的相位差矩阵，具体如下：
[0024]分别是四组特定通道间的第一相位差矩阵PhaseDiff
0,1
、第二相位差矩阵PhaseDiff
0,2
、第三相位差矩阵PhaseDiff
0,3
、第四相位差矩阵PhaseDiff
0,4
；
[0025]第一相位差矩阵PhaseDiff
0,1
，是由N个回波目标的通道0和通道1之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：
[0026]PhaseDiff
0,1
＝[phasediff
0,1
(1),phasediff
0,1
(2),...,phasediff
0,1
(N)][0027]其中，phasediff
0,1
(k)表示第一相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道1之间的相位差；
[0028]第二相位差矩阵PhaseDiff
0,2
，是由N个回波目标的通道0和通道2之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：
[0029]PhaseDiff
0,2
＝[phasediff
0,2
(1),phasediff
0,2
(2),...,phasediff
0,2
(N)][0030]其中，phasediff
0,2
(k)表示第二相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道2之间的相位差；
[0031]第三相位差矩阵PhaseDiff
0,3
，是由N个回波目标的通道0和通道3之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：
[0032]PhaseDiff
0,3
＝[phasediff
0,3
(1),phasediff
0,3
(2),...,phasediff
0,3
(N)][0033]其中，phasediff
0,3
(k)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单站闪电定位系统相位自动校准系统，其特征在于：包括：发射系统、数字信号接收系统、L型干涉阵列、电场仪；所述L型干涉阵列由第一条天线基线与第二条天线基线构成；所述第一条天线基线、第二条天线基线相互正交；所述第一条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1和第一基线的第2个偶极子天线Ant2依次排列构成；所述第二条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第二基线的第1个偶极子天线Ant3和第二基线的第2个偶极子天线Ant4依次排列构成；所述数字信号接收系统分别与所述的电场仪、L型干涉阵列连接；所述发射系统用于实时发射电磁波信号至等离子体；所述L型干涉阵列用于实时接收等离子体信号，通过公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1、第一基线的第2个偶极子天线Ant2、第二基线的第1个偶极子天线Ant3、第二基线的第2个偶极子天线Ant4输入至所述数字信号接收系统。2.一种应用于权利要求1所述的单站闪电定位系统相位自动校准系统的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：单站闪电定位系统工作在设定的校准探测模式，通过发射系统发射脉冲电磁波，由L型干涉阵列接收回波信号，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，多个回波目标通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；步骤2：根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；步骤3：对伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差；步骤4：结合系统噪声分布的方差构建相位差偏移模型，根据相位差偏移模型确定相位差偏移值，对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。3.根据权利要求2所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：步骤1中所述的所述校准探测模式，是根据单站闪电定位系统的工作特性，单站闪电定位系统工作频率为VHF甚高频，在无雷暴天气时利用发射系统发射甚高频脉冲电磁波，通过L型干涉阵列可以接收得到流星余迹反射的回波，最终通过数字信号接收系统探测得到的流星余迹回波目标的数据集，并根据数据集的统计特性，可以用于校准系统的相位差；所述每个回波目标的数据包含5个通道的幅度数据，通道0到通道4分别对应于L型天线阵的5根偶极子天线的序号Ant0
‑
Ant4；所述特定通道间的相位差矩阵，具体如下：分别是四组特定通道间的第一相位差矩阵PhaseDiff
0,1
、第二相位差矩阵PhaseDiff
0,2
、第三相位差矩阵PhaseDiff
0,3
、第四相位差矩阵PhaseDiff
0,4
；第一相位差矩阵PhaseDiff
0,1
，是由N个回波目标的通道0和通道1之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：PhaseDiff
0,1
＝[phasediff
0,1
(1),phasediff
0,1
(2),...,phasediff
0,1
(N)]其中，phasediff
0,1
(k)表示第一相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关
信号处理计算得到的通道0和通道1之间的相位差；第二相位差矩阵PhaseDiff
0,2
，是由N个回波目标的通道0和通道2之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：PhaseDiff
0,2
＝[phasediff
0,2
(1),phasediff
0,2
(2),...,phasediff
0,2
(N)]其中，phasediff
0,2
(k)表示第二相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道2之间的相位差；第三相位差矩阵PhaseDiff
0,3
，是由N个回波目标的通道0和通道3之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：PhaseDiff
0,3
＝[phasediff
0,3
(1),phasediff
0,3
(2),...,phasediff
0,3
(N)]其中，phasediff
0,3
(k)表示第三相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道3之间的相位差；第四相位差矩阵PhaseDiff
0,4
，是由N个回波目标的通道0和通道4之间的相位差组成的1
×
N矩阵，表示为：PhaseDiff
0,4
＝[phasediff
0,4
(1),phasediff
0,4
(2),...,phasediff
0,4
(N)]其中，phasediff
0,4
(k)表示第四相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道4之间的相位差。4.根据权利要求3所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：步骤2所述伽马参数矩阵的计算方法，具体如下：第一个伽马参数矩阵Gamma1：Gamma1＝A*PD其中，A＝[
‑
d2/d1，
‑
1]是1
×
2的参数矩阵，d1为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d2为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD＝[PhaseDiff
0,1
；PhaseDiff
0,2
]，为2
×
N的相位差矩阵；基于天线0、天线1和天线2计算得到第一个伽马参数矩阵Gamma1；所述第一个伽马参数矩阵Gamma1定义为：Gamma1＝[γ1(1),γ1(2),...,γ1(N)]为1
×
N矩阵，其中γ1(k)为第k个回波目标，γ1(k),k∈[1,N]统称为γ1参数，γ1参数的范围为[
‑
45
°
，45
°
]，利用天线0、天线1和天线2计算得到的伽马参数；第二个伽马参数矩阵Gamma2：Gamma2＝A*PD2其中，A＝[
‑
d2/d1，
‑
1]是1
×
2的参数矩阵，d1为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d2为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD2＝[PhaseDiff
0,3
；PhaseDiff

【专利技术属性】
技术研发人员：周晨，尹文杰，刘祎，赵正予，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：