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转让专利
申请号 : CN200610018271.5
文献号 : CN1804656B
文献日 : 2010-04-14
发明人 : 周浩 , 文必洋 , 吴世才
申请人 : 武汉大学
摘要 :
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，其特征在于在高频雷达回波中检测出电离层反射信号，利用阵列各通道上电离层回波信号的统计分析来进行通道幅度和相位的校正。本发明完全不需要任何人工设置的辅助信号源，是一种真正的无源通道校正方法，且对雷达天线阵列形式没有任何的限制。本发明的优势在于：不存在有源通道校正方法面临的船只回波干扰和多径效应等问题，不存在已有无源通道校正方法中的对阵列形式的限制问题；利用高强度的电离层回波信号，具有良好的精度和稳健性；运算量小，能长期稳定工作；大大改善了雷达的应用灵活性。
权利要求 :
1.一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，其特征在于在高频雷达回波中检测出电离层反射回波信号，利用阵列各通道上电离层回波信号幅度和相位的统计平均值来进行通道幅度和相位的校正；利用各通道上电离层回波信号对参考通道的幅度比的统计平均，即来估计通道幅度校正参数，其中为第i个通道的相对幅度参数，i＝1，…，M，M为通道个数，Xi，l为通道i上的第l个电离层回波谱值，l＝1，…，L，L为电离层回波谱点总数；利用各通道上电离层回波信号对参考通道的相位差值的统计平均，即来估计通道幅度校正参数，其中为第i个通道的相位失配参数。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种利用电离层回波信号对高频雷达进行阵列通道校正的方法。
背景技术
高频(3-30MHz)雷达因其以天波或地波传播方式实现超视距探测、波长与机动目标(如飞机、舰船等)尺度相当获得较大的散射面积以及数据率较低等优点，已在机动目标检测与跟踪、海洋环境监测等方面得到广泛应用。
高频雷达采用天线阵列，应用空间波束形成或定向技术来对目标方位进行估计，可实时超视距探测舰船、飞机和导弹等运动目标。另外，利用高频电磁波在海洋表面的散射机理，可以实现对海洋表面流场、风场和浪场的大范围、高精度和全天候的实时监测。
由于各接收通道硬件本身的差异及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度和相位特性是不一致的，这导致回波信号经过不同通道接收后的幅度和相位增益不一致，即产生通道失配。通道失配引起波束扫描和定向误差增大，甚至完全错误，因而是影响高频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，在硬件制作时尽量提高工艺保证各通道的一致性；另一方面，采用信号处理手段估计通道失配参数，进行接收通道幅相校正。
现有的通道校正方法可以分为有源校正和无源校正两类。在有源校正方法中，将人造辅助信号源放置于天线阵列前方足够远处发射参考信号，通过测量该已知信号在各接收通道输出信号的幅度和相位来估计通道幅度和相位失配参数。在无源校正方法中，无需设置辅助信号源，而直接利用接收到的回波信息估计通道失配参数。在高频地波雷达中，曾利用放置于阵列前方远处的应答器接收雷达发射的信号并在放大后发射回去，通过该应答信号提取通道幅相失配参数。这种方法虽然原理简单，然而在实际场合的应用却受到了很大限制：在高频地波雷达中，阵列前方是海洋，应答器在海上的放置和维护十分困难，且难以长期工作。因此，在高频地波雷达中更适合采用无源校正方法。在现有的无源校正方法中，需要对多个未知的回波信号进行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，且所采用的最优化处理有可能收敛于局部最优值，而非全局最优值，因此可能得到错误的结果。而实际雷达系统与无源校正方法假设条件间的差异，也使得一般无源校正方法的实用性大大降低。武汉大学电波传播实验室曾采用海上单到达方向目标回波信号(如岛屿、灯塔、钻井平台、海浪散射回波等)作为校正信号来实现无源校正，其中单到达方向回波的分离通过采用特定形式的阵列即平移不变的阵元偶组来实现。其具体实施细节可参考03128238.5号中国发明专利申请“一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法”和200510018438.3号中国发明专利申请“一种基于非直线天线阵列的无源通道校正方法”。上述发明不存在辅助信号源的放置和维护问题，实现了接收通道的实时自动校正。但是，上述发明必须依赖于特定的阵列形式即平移不变的阵元偶组来分离单到达方向的海洋回波，因而对高频地波雷达的小型化和便携化是不利的，并且在采用直线阵列时，无法解决阵面方向的非唯一性问题。同时，在上述校正方法中仍采用了多维搜索算法，具有较大的计算量，而且仍存在搜索收敛于局部最优值的风险。
高频雷达采用天线阵列，应用空间波束形成或定向技术来对目标方位进行估计，可实时超视距探测舰船、飞机和导弹等运动目标。另外，利用高频电磁波在海洋表面的散射机理，可以实现对海洋表面流场、风场和浪场的大范围、高精度和全天候的实时监测。
由于各接收通道硬件本身的差异及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度和相位特性是不一致的，这导致回波信号经过不同通道接收后的幅度和相位增益不一致，即产生通道失配。通道失配引起波束扫描和定向误差增大，甚至完全错误，因而是影响高频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，在硬件制作时尽量提高工艺保证各通道的一致性；另一方面，采用信号处理手段估计通道失配参数，进行接收通道幅相校正。
现有的通道校正方法可以分为有源校正和无源校正两类。在有源校正方法中，将人造辅助信号源放置于天线阵列前方足够远处发射参考信号，通过测量该已知信号在各接收通道输出信号的幅度和相位来估计通道幅度和相位失配参数。在无源校正方法中，无需设置辅助信号源，而直接利用接收到的回波信息估计通道失配参数。在高频地波雷达中，曾利用放置于阵列前方远处的应答器接收雷达发射的信号并在放大后发射回去，通过该应答信号提取通道幅相失配参数。这种方法虽然原理简单，然而在实际场合的应用却受到了很大限制：在高频地波雷达中，阵列前方是海洋，应答器在海上的放置和维护十分困难，且难以长期工作。因此，在高频地波雷达中更适合采用无源校正方法。在现有的无源校正方法中，需要对多个未知的回波信号进行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，且所采用的最优化处理有可能收敛于局部最优值，而非全局最优值，因此可能得到错误的结果。而实际雷达系统与无源校正方法假设条件间的差异，也使得一般无源校正方法的实用性大大降低。武汉大学电波传播实验室曾采用海上单到达方向目标回波信号(如岛屿、灯塔、钻井平台、海浪散射回波等)作为校正信号来实现无源校正，其中单到达方向回波的分离通过采用特定形式的阵列即平移不变的阵元偶组来实现。其具体实施细节可参考03128238.5号中国发明专利申请“一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法”和200510018438.3号中国发明专利申请“一种基于非直线天线阵列的无源通道校正方法”。上述发明不存在辅助信号源的放置和维护问题，实现了接收通道的实时自动校正。但是，上述发明必须依赖于特定的阵列形式即平移不变的阵元偶组来分离单到达方向的海洋回波，因而对高频地波雷达的小型化和便携化是不利的，并且在采用直线阵列时，无法解决阵面方向的非唯一性问题。同时，在上述校正方法中仍采用了多维搜索算法，具有较大的计算量，而且仍存在搜索收敛于局部最优值的风险。
发明内容
针对现有方法的局限性，本发明的目的是提供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，利用高频雷达接收的电离层回波信号，为高频雷达提供一种廉价、准确且能适用于任意形式天线阵列的无源通道校正方法，以提高雷达系统性能。
本发明的技术方案是：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，其特征在于：在高频雷达回波中检测出电离层反射回波信号，利用阵列各通道上电离层回波信号的统计分析来进行通道幅度和相位的校正。
如上所述的方法，其特征在于：通过预设的信噪比门限在各雷达各帧采样信号的距离谱上检测出电离层回波信号；利用各个接收通道上相同距离上谱值幅度比的统计平均估计通道幅度失配参数，即实现幅度校正，其中为第i个通道的相对幅度参数，i＝1，…，M，M为通道个数，Xi，l为通道i上的第l个电离层回波谱值，l＝1，…，L，L为电离层回波谱点总数；利用各个接收通道上相同距离上谱值相位差的统计平均估计通道相位失配参数，即实现相位校正，其中为第i个通道的相位失配参数。
本发明的优势在于：无需设置任何人造辅助源，使通道校正更为廉价；没有采用复杂的迭代最优化运算，避免了寻优结果收敛于局部极值，且计算量非常小；由于电离层回波是直接反射波，其强度远高于海面后向散射回波信号，因而可以保证校正的准确性；电离层回波信号满足远场条件，且到达方向总是阵列法向，其用于校正更为简便快捷，无需进行单到达方向回波谱点搜索，从而大大降低了计算复杂度；中国地处中低纬度地区，电离层长期存在，因而通道校正可以长期稳定可靠地进行；校正方法对天线阵列形式没有任何限制，从而提高了雷达阵列形式选择的灵活性，增强了雷达小型化和便携化的可能性。
本发明的技术方案是：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，其特征在于：在高频雷达回波中检测出电离层反射回波信号，利用阵列各通道上电离层回波信号的统计分析来进行通道幅度和相位的校正。
如上所述的方法，其特征在于：通过预设的信噪比门限在各雷达各帧采样信号的距离谱上检测出电离层回波信号；利用各个接收通道上相同距离上谱值幅度比的统计平均估计通道幅度失配参数，即实现幅度校正，其中为第i个通道的相对幅度参数，i＝1，…，M，M为通道个数，Xi，l为通道i上的第l个电离层回波谱值，l＝1，…，L，L为电离层回波谱点总数；利用各个接收通道上相同距离上谱值相位差的统计平均估计通道相位失配参数，即实现相位校正，其中为第i个通道的相位失配参数。
本发明的优势在于：无需设置任何人造辅助源，使通道校正更为廉价；没有采用复杂的迭代最优化运算，避免了寻优结果收敛于局部极值，且计算量非常小；由于电离层回波是直接反射波，其强度远高于海面后向散射回波信号，因而可以保证校正的准确性；电离层回波信号满足远场条件，且到达方向总是阵列法向，其用于校正更为简便快捷，无需进行单到达方向回波谱点搜索，从而大大降低了计算复杂度；中国地处中低纬度地区，电离层长期存在，因而通道校正可以长期稳定可靠地进行；校正方法对天线阵列形式没有任何限制，从而提高了雷达阵列形式选择的灵活性，增强了雷达小型化和便携化的可能性。
附图说明
图1，本发明实施例的高频雷达工作原理图。其中，1接收天线，2本振信号，3解距离变换，4通道校正，5多普勒变换，6方位分辨。
图2，电波传播路径示意图。
图3，接收天线阵元示意图。
图4，典型的含有电离层回波信号的距离谱。
图5，第2、3通道的电离层回波信号相对幅度曲线及估计出的幅度校正值。
图6，第2、3通道的电离层回波信号相对相位曲线及估计出的相位校正值。
图2，电波传播路径示意图。
图3，接收天线阵元示意图。
图4，典型的含有电离层回波信号的距离谱。
图5，第2、3通道的电离层回波信号相对幅度曲线及估计出的幅度校正值。
图6，第2、3通道的电离层回波信号相对相位曲线及估计出的相位校正值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。
高频雷达的工作原理和工作环境介绍如下：
高频地波雷达通常由发射天线、接收天线阵、发射机、接收机、信号处理机等组成，为降低建设成本和维护费用一般采用收发共址。雷达向前方海面发射高频电磁波，接收海洋后向散射回波信号以提取海面流场、风浪场信息及海面移动目标信息。雷达通常采用线性调频体制，在每个扫频周期内对解调后信号进行低通滤波、采样和快时域的离散傅立叶变换得到该扫频周期的距离谱，其中每个谱点对应于一个距离元上的一个谱值样本，在由多个扫频周期组成的相干积累时间内对多个距离谱序列进行慢时域离散傅立叶变换得到距离-多普勒二维谱(如图1所示，其中1为接收天线，2为本振信号，3为解距离变换，4为通道校正，5为多普勒变换，6为方位分辨)。由多个接收天线通道上信号的距离-多普勒谱就可以提取海态信息和移动目标信息。
由于发射天线方向图的非理想性，并非所有的电磁波能量都沿着海面辐射，总有部分电磁波朝向天线上空垂直发射。而在地面上方100公里以上存在着电离层，对于高频电磁波来说具有良导电性，因此可将雷达在垂直方向的发射信号反射回地面并由雷达接收(如图2所示，其中7为海洋表面，8为海面目标，9为电离层)，从而形成“电离层干扰”，雷达接收到的是叠加有“电离层干扰”的海洋回波。
本发明的关键在于在每个扫频周期内的回波距离谱中检测出电离层回波谱点，然后通过各通道谱点的幅度和相位的统计平均来估计校正值。
假设雷达采用M元天线阵列进行接收，以天线1为参考元，天线i(i＝1，…，M)的三维坐标为(xi，yi，zi)，其中(x1，y1，z1)＝(0，0，0)，其幅度和相位失配参数分别为gi和空间中远场目标信号源s(t)以(θ，α)(其中θ和α分别为水平方位角和俯仰角，如图3所示)入射到天线阵，则目标到天线i相对于到天线1的波程差为
Δi＝-xisinθ+yicosθ-zisinα (1)
天线i上的接收信号为
其中k＝2π/λ，λ是雷达工作波长，w(t)为方位(θ，α)上的外部噪声，vi(t)为天线i的内部热噪声，通常满足E[|w(t)|2]＞＞E[|vi(t)|2]。在雷达进行波束形成或者定向前，必须对幅度和相位失配参数进行估计并加以校正，以获得正确的目标方位估计。
电离层回波一般由电离层垂直反射产生，而在其他方向(α≠90°)上的散射回波非常弱。因此对于电离层回波信号，式(1)波程差简化为Δi＝zi，而式(2)则简化为
由于电离层回波通常较海洋回波强得多，且方向总是为垂直大地方向α＝90°，因此成为一种良好的阵列通道校正信号源。
根据先验知识确定电离层回波通常出现的距离区间，将该区间上雷达每帧采样得到的距离谱信噪比与预设电离层回波信噪比阈值相比较，检测出电离层回波谱点Xi，l。图4是一幅典型的含有电离层回波信号的距离谱，其中10是距离谱基底电平值，11是电离层回波强度阈值(本例信噪比阈值为10dB)，12是检测出的电离层回波谱峰。
将通道i上所有电离层回波谱点与通道1上所有电离层回波谱点的幅度比进行统计平均，得到通道i的幅度校正值图5是各通道相对于通道1的电离层回波信号幅度比曲线及估计出的幅度校正值。
将通道i上所有电离层回波谱点与通道1上所有电离层回波谱点的相位差进行统计平均，得到通道i的相位校正值图6是各通道相对于通道1的电离层回波信号相位差曲线及估计出的相位校正值。
将通道i上的接收信号校正为
高频雷达的工作原理和工作环境介绍如下：
高频地波雷达通常由发射天线、接收天线阵、发射机、接收机、信号处理机等组成，为降低建设成本和维护费用一般采用收发共址。雷达向前方海面发射高频电磁波，接收海洋后向散射回波信号以提取海面流场、风浪场信息及海面移动目标信息。雷达通常采用线性调频体制，在每个扫频周期内对解调后信号进行低通滤波、采样和快时域的离散傅立叶变换得到该扫频周期的距离谱，其中每个谱点对应于一个距离元上的一个谱值样本，在由多个扫频周期组成的相干积累时间内对多个距离谱序列进行慢时域离散傅立叶变换得到距离-多普勒二维谱(如图1所示，其中1为接收天线，2为本振信号，3为解距离变换，4为通道校正，5为多普勒变换，6为方位分辨)。由多个接收天线通道上信号的距离-多普勒谱就可以提取海态信息和移动目标信息。
由于发射天线方向图的非理想性，并非所有的电磁波能量都沿着海面辐射，总有部分电磁波朝向天线上空垂直发射。而在地面上方100公里以上存在着电离层，对于高频电磁波来说具有良导电性，因此可将雷达在垂直方向的发射信号反射回地面并由雷达接收(如图2所示，其中7为海洋表面，8为海面目标，9为电离层)，从而形成“电离层干扰”，雷达接收到的是叠加有“电离层干扰”的海洋回波。
本发明的关键在于在每个扫频周期内的回波距离谱中检测出电离层回波谱点，然后通过各通道谱点的幅度和相位的统计平均来估计校正值。
假设雷达采用M元天线阵列进行接收，以天线1为参考元，天线i(i＝1，…，M)的三维坐标为(xi，yi，zi)，其中(x1，y1，z1)＝(0，0，0)，其幅度和相位失配参数分别为gi和空间中远场目标信号源s(t)以(θ，α)(其中θ和α分别为水平方位角和俯仰角，如图3所示)入射到天线阵，则目标到天线i相对于到天线1的波程差为
Δi＝-xisinθ+yicosθ-zisinα (1)
天线i上的接收信号为
其中k＝2π/λ，λ是雷达工作波长，w(t)为方位(θ，α)上的外部噪声，vi(t)为天线i的内部热噪声，通常满足E[|w(t)|2]＞＞E[|vi(t)|2]。在雷达进行波束形成或者定向前，必须对幅度和相位失配参数进行估计并加以校正，以获得正确的目标方位估计。
电离层回波一般由电离层垂直反射产生，而在其他方向(α≠90°)上的散射回波非常弱。因此对于电离层回波信号，式(1)波程差简化为Δi＝zi，而式(2)则简化为
由于电离层回波通常较海洋回波强得多，且方向总是为垂直大地方向α＝90°，因此成为一种良好的阵列通道校正信号源。
根据先验知识确定电离层回波通常出现的距离区间，将该区间上雷达每帧采样得到的距离谱信噪比与预设电离层回波信噪比阈值相比较，检测出电离层回波谱点Xi，l。图4是一幅典型的含有电离层回波信号的距离谱，其中10是距离谱基底电平值，11是电离层回波强度阈值(本例信噪比阈值为10dB)，12是检测出的电离层回波谱峰。
将通道i上所有电离层回波谱点与通道1上所有电离层回波谱点的幅度比进行统计平均，得到通道i的幅度校正值图5是各通道相对于通道1的电离层回波信号幅度比曲线及估计出的幅度校正值。
将通道i上所有电离层回波谱点与通道1上所有电离层回波谱点的相位差进行统计平均，得到通道i的相位校正值图6是各通道相对于通道1的电离层回波信号相位差曲线及估计出的相位校正值。
将通道i上的接收信号校正为