专利名称：一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用海洋回波对高频地波雷达进行阵列通道校正的方法。
背景技术：
高频地波雷达是一种利用高频(3～30MHz)电磁波沿地球表面绕射来探测远距离目标(舰船、低空飞机、巡航导弹、海洋表面等)的新型雷达，具有探测距离远、反隐身、抗反辐射导弹、抗低空突防、能探测海洋表面状态等突出优点(与常规雷达相比)，具有很大的发展潜力。
高频地波雷达采用相控阵天线，应用数字波束形成和空间谱估计技术对海上目标进行波束扫描和DOA(到达方向)估计，能有效探测风、浪、流等海洋表面状态及飞机、舰船等运动目标。
由于硬件本身的不一致及天线间互耦效应等多种因素的影响，实际中组成雷达阵列的各个接收通道的幅度特性和相位特性是有差异的，导致回波信号经过不同通道后的幅度和相位变化不一致。这种通道特性的不一致引起波束扫描和DOA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，必须采取措施使阵列通道间的不一致性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，可以通过校正进一步缩小通道特性的差异。
现有的阵列通道校正方法可分为无源校正和有源校正两类。
在无源校正方法中，无需方向准确已知的信号源，直接利用接收的实测数据和一些先验知识(如阵列形式)计算各通道的幅度和相位误差，然后进行补偿校正。有些无源校正方法还可以实现对信号到达方向和通道误差的联合估计。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)一书中对此方法有详细阐述。
在有源校正方法中，将一已知信号源放至离阵列足够远的开阔场地，发射信号，测量各接收通道输出信号的幅度和相位，扣除阵列空间位置引起的相位差，即可得到通道误差信息。此校正方法原理简单，效果良好，在实际中得到了广泛应用。在高频地波雷达中，用于校正的信号源是一个放置在阵列前方远处的应答器，用于将接收的雷达信号放大后发射回去，把应答信号的阵列响应同理想阵列响应相比较，可以得到通道幅相误差的估计。
在现有通道校正方法中，无源校正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小值，而不是全局最小值，从而得到错误的结果。采用应答器的有源校正虽然原理简单，效果良好，但在实际场合的应用受到了很多限制应答器在海上放置和维护十分困难，难以长期工作；不易消除岛屿或舰船等引起的多径效应的影响，等等。
为了更好地对本发明进行说明，下面对高频地波雷达的工作原理进行介绍。高频地波雷达采用FMCW(线性调频连续波)体制，在收发共站的情况下，为解决收发隔离问题加以中断成为FMICW(线性调频中断连续波)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 WaveRadar.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的论文中对此有详细描述。
雷达信号发生器产生FMCW本振信号，可以表示为 fo为雷达信号载频，α为扫频速率，T是扫频周期，A和分别是信号幅度和初相。本振信号经门控脉冲中断后成为发射信号ST(t)＝S(t)g(t)(2)门控脉冲g(t)可以表示为g(t)=Σp=0P-1rect[t-pq-T02T0]---(3)]]>P是扫频周期T内的门控脉冲个数，T0、q分别为脉冲宽度和周期。 代表宽度为T0，中心在原点的矩形脉冲。
若目标在距离r处以径向速度v(远离雷达为正)运动，则雷达接收的目标反射信号的时间延迟为τ=2(r+vt)c]]>其中c是光速。雷达接收信号为SR(t)＝KRST(t-τ)(5)KR为传播衰减因子。接收信号与本振信号混频后，经低通滤波解调得到基带信号为SI(t)=lowpass{S(t)·SR(t)}]]>=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))---(6)]]>AI是基带信号幅度。低通滤波去掉了脉冲调制而使基带信号成为连续波，因此(6)式中没有了门控脉冲g(t)这一项。将(4)式代入(6)式后展开，略去一些很小的相位量可得
SI(t)≈AIcos(2π(2(αr-f0vc)t+2αvct2-2f0rc-2αr2c2))=AIcos(φτ)---(7)]]>基带信号瞬时频率为fτ(t)=12πdφτdt=2αrc-2f0vc+4αvtc---(8)]]>其中第一项由目标距离引起，第二、三项由目标径向速度引起。在高频雷达中|2αrc|>>|-2f0vc+4αvtc|,]]>因而有fτ(t)≈2αrc.]]>以上分析表明，对基带信号A/D变换后进行FFT 得到与距离对应的离散频谱，这次FFT称为距离变换，所得距离谱为RI[m]=FFT{SI(t)}]]>=AI·FFT{cos(2π(ατt-f0τ-ατ22))}]]>=AI·R[m]---(9)]]>将一个扫频周期内得到的距离谱作为一行，则连续lmax个扫频周期得到的距离谱可以构成一个lmax×mmax矩阵 mmax为最远距离元序数。
现在分析R中每一行的相位随扫频周期序数(行序数)l的变化规律。第l个扫频周期时，目标距离为r1＝r+v(l-1)T (11)则第l个扫频周期基带信号相位为φlτ=2π(2(αr1-f0vc)t+2αvct2-2f0rlc-2αrl2c2)---(12)]]>在100个扫频周期内，即lmax≤100时，略去一些小的相位项，连续两个扫频周期基带信号相位差为Δφ≈2π(-2f0vc)T---(13)]]>根据这个近似，R中第l行与第1行仅仅相差一个相位因子 可以近似表示为 对(14)式的每一列再进行一次FFT就可以得到与速度对应的多普勒频谱，这次FFT称为多普勒变换。由此可见，对多个扫频周期基带信号采样后经过两次FFT处理可得离散二维回波谱Z(m，n)＝FFT{FFT{SI(t)}} (15)其中m为距离维上的离散频率，n为速度(多普勒频率)维上的离散频率。目标回波在距离维出现峰值的频率为fτ＝2ar/c，在速度维出现峰值的频率为fv＝-2f0v/c，对二维回波谱进行峰值检测即可得到目标距离和速度。
从以上对高频地波雷达工作原理的论述可知，两次FFT实际上将不同距离和速度的目标回波信号进行了分离，使之对应于二维回波谱中不同的频点。高频地波雷达接收到大量能量很强的海洋回波信号，分散在二维回波谱的很多频点上，其中必然有一部分只有单个到达方向。通过对特定阵列二维回波谱输出的统计分析，可以检测出其中的单到达方向频点，然后再根据已知反射源回波信息估计出各通道的幅相特性，并进行统计平均以提高精度。

发明内容
针对现有方法的缺陷，本发明的目的是利用高频地波雷达接收的海洋回波信息，提供了一种实时、准确、廉价和更加稳定可靠的阵列通道校正方法，以减少通道幅相误差，提高雷达系统性能。
为了实现上述目的，本发明采用的阵列校正方法为用含有至少两个平移不变的阵元偶的天线阵列接收海洋回波，通过对海洋回波二维谱的统计分析，检测出其中的单到达方向频点；对单到达方向频点对应的回波谱幅度进行统计平均，估计出各通道的幅度特性，实现幅度校正；根据单到达方向频点对应的回波谱相位和已知反射信号源回波信息，如岛屿、灯塔、钻井平台等，采用MUSIC(多重信号分类)算法估计出各通道的相位特性，并对多个结果进行统计平均，实现相位校正。
本发明的优势在于没有采用复杂的迭代运算，计算量不大，可以满足通道校正实时性的要求；对大量回波信号采用了统计方法，提高了通道校正的准确性；利用大量的持续不断的海洋回波和已知反射源信息，避开了应答器的放置和维护问题，使通道校正更加廉价，并且可以长期稳定可靠地进行；采用了可进行多源DOA估计的MUSIC算法，消除了多径效应的影响。
下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。


图1高频地波雷达工作原理2高频地波雷达二维回波谱示意3用于检测二维回波谱中单到达方向频点的特定阵列示意4均匀线性阵列示意图具体实施方式
本发明的关键在于检测出二维回波谱中单到达方向频点，这需要天线阵列中含有特定的阵列形式，如图3所示。
假设高频地波雷达有M个天线单元，坐标为(xi，yi)，i＝1，2，…M。用于检测单到达方向回波谱频点的特定阵列由阵元1～4构成，其中1和2构成了阵元偶A1，3和4构成了阵元偶A2。A1与A2之间具有平移不变性，即A1平移后可与A2完全重合，则有(x2，y2)＝(x1+d，y1)，(x4，y4)＝(x3+d，y3)。设阵元i的通道复增益为giejφi，以阵元1为坐标原点，则阵列二维回波谱为Zi(m,n)=giejφi[Σk=1KSk(m,n)ej2πλ(xisinθk+yicosθk)+Ni(m,n)]---(16)]]>其中，Sk(m，n)为阵元1接收的第k个回波信号(到达方向为θk)的二维回波谱，Ni(m，n)为阵元i的二维回波谱中噪声成分，λ为信号波长，K为回波信号到达方向个数。
令η1=Z2(m,n)Z3(m,n)Z1(m,n)Z4(m,n),]]>当K＝1且Ni(m，n)＝0时，有η1=g2g3g1g2ej(φ2+φ3-φ1-φ4),]]>这表明对于二维回波谱中某一频点(m，n)，在只有一个到达方向且无噪声成分的理想情况下，η1是一个只与通道复增益有关的固定量。实际系统中噪声是不可避免的，相应的η1分布在这一固定量附近。通过简单分析可知，到达方向个数K≥2的频点对应的η1是一个与回波强度和到达方向有关的变化量，在复平面上呈现分散状态，而到达方向个数K＝1的频点对应的η1则聚集在复平面上某一点附近。将二维回波谱中所有超过一定信噪比门限的频点对应的η1标在复平面上，则有且仅有一个区域出现η1聚集的现象，其中大多数η1值对应的频点只有一个到达方向。
令η2=Z2(m,n)Z1*(m,n)Z4(m,n)Z3*(m,n),]]>与前面同样的分析可知，η2在复平面上也会出现聚集区域，其中大多数η2值对应的频点只有一个到达方向。由于单到达方向频点对应的η1和η2均集中在各自的聚集区内，而多到达方向频点对应的η1和η2是分散分布的，同时落在聚集区内的可能性很小，因此可以用η1和η2是否同时落入聚集区作为检测单到达方向频点的判据。
由以上分析可知，只要天线阵列中含有至少两个平移不变的阵元偶，就能检测出二维回波谱中的单到达方向频点。本发明的通道校正方法所适用的阵列均含有这种特定阵列形式。
假设单到达方向频点为(m′，n′)，又有K＝1，代入(16)式可得这一频点对应的二维回波谱输出Zi(m′,n′)=giejφi[S1(m′,n′)ej2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+Ni(m′,n′)]---(17)]]>当Ni(m′，n′)＝0时，有gi＝|Zi(m′，n′)|/|S1(m′，n′)| (18)以阵元1的接收通道为基准，则g1＝1，|S1(m′，n′)|＝|Z1(m′，n′)|，代入(18)式得到gi＝|Zi(m′，n′)|/|Z1(m′，n′)| (19)实际的二维回波谱是有噪声的，根据不同的单到达方向频点求得的gi会有一些随机波动，可进行统计平均提高估计精度。估计出通道幅度增益gi后，将各通道的回波数据除以各自的gi，即可实现幅度校正。
经过幅度校正后，通道幅度增益gi＝1，根据(17)式，当Ni(m′，n′)＝0时有ejφi=[Zi(m′,n′)/S1(m′,n′)]e-j2πλ(xisinθ1+yicosθ1)---(20)]]>以阵元1的接收通道为基准，其位置为坐标原点，即eJφ1=1,]]>(x1，y1)＝(0，0)，则有S1(m′，n′)＝Z1(m′，n′)，代入(20)式得到ejφi=[Zi(m′,n′)/Z1(m′,n′)]e-j2πλ(xisinθ1+yicosθ1)---(21)]]>将(16)式写成矩阵形式Z(m，n)＝GAS(m，n)+GN(m，n)(22)其中，Z(m，n)＝[Z1(m，n)，Z2(m，n)，…，ZM(m，n)]TG=diag(g1ejφ1,g2ejφ2,···,gMejφM)]]>A＝[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θK)]a(θ)=[ej2πλ(x1sinθ+y1cosθ),ej2πλ(x2sinθ+y2cosθ),···,ej2πλ(xMsinθ+yMcosθ)]T]]>S(m，n)＝[S1(m，n)，S2(m，n)，…，SK(m，n)]TN(m，n)＝[N1(m，n)，N2(m，n)，…，NM(m，n)]T通道经过幅度校正后gi＝1，即G=diag(ejφ1,ejφ2,···,ejφM).]]>假设二维回波谱中的信号和噪声成分是各态历经的零均值平稳随机过程，信号与噪声相互独立，各个通道的噪声互不相关，且为具有相同方差σ2的白高斯过程，则二维回波谱的阵列协方差矩阵为
RZZ＝E[Z(m，n)ZH(m，n)]＝GARSSAHGH+σ2I (23)其中，RSS＝E[S(m，n)SH(m，n)]。对RZZ进行特征值分解可得RZZ＝UDUH(24)D是由RZZ的特征值构成的对角阵D＝diag(λ1，λ2，…，λM)λ1≥λ2≥…≥λM(25)U是由与特征值λi对应的特征矢量构成的矩阵U＝[μ1，μ2，…，μM]＝[US，UN] (26)其中，US＝[μ1，μ2，…，μK]与代表信号的K个特征值相对应，其列向量张成的空间称作信号子空间；UN＝[μK+1，μK+2，…，μM]与代表噪声的M-K个特征值相对应，其列向量张成的空间则称作噪声子空间。
采用Schmidt提出的MUSIC算法(R.O.Schmidt，Multiple emitter location and signalparameter estimation，IEEE Trans.Antennas Propagation，1986，Vol.34，pp.276-280.)得到DOA估计的空间谱函数为PMU=1[Ga(θ)]HΠ⊥[Ga(θ)]---(27)]]>其中，II⊥为噪声子空间上的投影算子Π⊥=UNUNH=I-A(AHA)-1AH---(28)]]>令(22)式中的Z(m，n)为已知反射源回波对应频点的二维谱阵列输出(根据反射源的距离、速度等信息可在二维回波谱中检测出)，由此可以得到II⊥。由(21)式可知，G实际上是θ1的函数，可表示成G(θ1)，反射源回波到达方向θ＝θ0已知，则PMU成为θ1的函数PMU(θ1)=1[G(θ1)a(θ0)]HΠ⊥[G(θ1)a(θ0)]---(29)]]>将PMU(θ1)谱峰对应的θ1值作为二维回波谱中单到达方向频点的DOA估计，代入(21)式可得通道相位增益ejφi。实际回波谱中是有噪声的，根据不同单到达方向频点求得的ejφi并不相同，可进行统计平均以提高估计精度。估计出通道相位增益后，将各通道的回波数据除以各自的相位增益，即可实现通道相位校正。
图4是高频地波雷达常用的均匀线性阵列示意图，在这种情况下，对回波谱中单到达方向频点的检测将更加准确，以上有源相位校正方法也可以简化。
M元均匀线性阵列可划分为M-1个平移不变的阵元偶A1-AM，其中任意两个组合在一起都可以用于检测单到达方向频点，得到相应的集合。将是否落入多个这种集合的交集作为判据，使单到达方向频点的检测更加准确。
均匀线性阵列各阵元的坐标为(xi，yi)＝((i-1)d，0)，代入(21)式可得ejφ1=[Zi(m′,n′)/Z1(m′,n′)]e-j2πλ(i-1)dsinθ1---(30)]]>当i＝2时，ej2πλdsinθ1=[Z2(m′,n′)/Z1(m′,n′)]e-jφ2,]]>代入上式可得ejφi=Zi(m′,n′)[Z2(m′,n′)]1-i[Z1(m′,n′)]i-2ej(i-1)φ2=Biej(i-1)φ2---(31)]]>其中，Bi=Zi(m′,n′)[Z2(m′,n′)]1-i[Z1(m′,n′)]i-2=ej[φi-(i-1)φ2],]]>是一个与单到达方向频点对应的回波方位无关的量。实际系统中含有噪声和扰动，根据不同的单到达方向频点求得的Bi并不相同，可进行统计平均得到Bi代入(31)式有ejφi=B‾iej(i-1)φ2---(32)]]>根据上式可知，G是φ2的函数，可表示成G(φ2)，反射源回波到达方向θ＝θ0，则PMU成为φ2的函数PMU(φ2)=1[G(φ2)a(θ0)]HΠ⊥[G(φ2)a(θ0)]---(33)]]>将PMU(φ2)谱峰对应的φ2值作为阵元2的通道相位误差(以阵元1为基准)的估计，代入(32)式可得通道相位增益ejφi。
这种针对均匀线性阵列的有源相位校正方法只进行了一次谱搜索，统计平均置于谱搜索之前，因而计算量较小。
权利要求
1.一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法，其特征在于用含有至少两个平移不变的阵元偶的天线阵列接收海洋回波，通过对海洋回波二维谱的统计分析，检测出其中的单到达方向频点；对单到达方向频点对应的回波谱幅度进行统计平均，估计出各通道的幅度特性，实现幅度校正；根据单到达方向频点对应的回波谱相位和已知反射信号源回波信息，如岛屿、灯塔、钻井平台等，采用MUSIC(多重信号分类)算法估计出各通道的相位特性，并对多个结果进行统计平均，实现相位校正。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于天线阵列为均匀线性阵列，M元均匀线性阵列可划分为M-1个平移不变的阵元偶A1～AM，其中任意两个组合在一起都可以用于检测单到达方向频点，得到相应的集合，将是否落入多个这种集合的交集作为判据。
全文摘要
一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法，其特征在于用含有至少两个平移不变的阵元偶的天线阵列接收海洋回波，通过对海洋回波二维谱的统计分析，检测出其中的单到达方向频点；对单到达方向频点对应的回波谱幅度进行统计平均，估计出各通道的幅度特性，可实现幅度校正；根据单到达方向频点对应的回波谱相位和已知反射信号源回波信息，如岛屿、灯塔、钻井平台等，采用MUSIC(多重信号分类)算法估计出各通道的相位特性，并对多个结果进行统计平均，可实现相位校正。
文档编号G01S13/00GK1566983SQ03128238
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者吴雄斌, 程丰 申请人:武汉大学