[發(fā)明專利]一種小型陣列的無源通道校正方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310703597.1
• 申請(qǐng)日: 2013-12-19
• 公開（公告）號(hào): CN103698753A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳澤宗;曾耿斐;趙晨;金燕;張龍剛;謝飛;陳曦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/40
• 分類號(hào): G01S7/40
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魯力

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種小型陣列的無源通道校正方法，是利用高頻地波雷達(dá)接收到的單信源海洋回波數(shù)據(jù)對(duì)平面陣列進(jìn)行無源通道校正的方法。

背景技術(shù)

高頻地波雷達(dá)（HF?Ground?Wave?Radar）利用垂直極化高頻電磁波在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn)和海洋表面對(duì)電波的一階、二階散射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)等海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)和艦船、飛機(jī)等海上移動(dòng)目標(biāo)。

由于雷達(dá)接收系統(tǒng)中接收天線，模擬前端的增益不一致性，周圍電磁環(huán)境的影響等因素，在實(shí)際的接收回波中各個(gè)通道之間的幅相特性存在差異，即稱之為通道幅相誤差。通道幅相誤差使得波束形成算法與方位估計(jì)算法所采用的陣流型模型與實(shí)際不符，很小的誤差也會(huì)使得這類算法的性能嚴(yán)重下降，是影響高頻地波雷達(dá)探測(cè)性能的關(guān)鍵問題之一。

現(xiàn)有的校正方法主要有兩類：有源校正方法與無源校正方法。有源校正方法通過在陣列

前方設(shè)置方位精確已知的輔助信源，通過雷達(dá)接收到的輔助信源回波與其已知方位信息獲得通道幅相誤差的校正。在無源校正方法中，通過根據(jù)某種優(yōu)化函數(shù)對(duì)空間信源的方位與幅相誤差進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，不需要方位信息已知的輔助信號(hào)源。相關(guān)方法在《空間譜估計(jì)理論與算法》（清華大學(xué)出版社2004年）中有詳細(xì)闡述。

海態(tài)高頻地波雷達(dá)陣列一般設(shè)置在岸邊，如采用有源校正方法，則需在陣列前方的島嶼或船只上設(shè)置輔助信號(hào)源，成本高昂，設(shè)置與維護(hù)難度很大，且難以保證實(shí)時(shí)穩(wěn)定工作。無源校正方法一般需要進(jìn)行多次復(fù)雜的迭代運(yùn)算，計(jì)算量較大，不一定保證實(shí)時(shí)性要求。且當(dāng)初始幅相誤差信息不足時(shí)，尋優(yōu)算法極易收斂至局部最優(yōu)，難以實(shí)用。

武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室曾考慮使用海上已知天然或人工物體對(duì)雷達(dá)電波的反射信號(hào)作為校正信號(hào)。根據(jù)其已知的方位距離信息從回波中提取校正信號(hào)從而估計(jì)各通道的失配系數(shù)。其具體實(shí)施細(xì)節(jié)可參見中國(guó)發(fā)明專利“一種利用海洋回波進(jìn)行陣列通道校正的方法”（專利號(hào)：CN03128238.5），“一種利用電離層回波進(jìn)行高頻雷達(dá)天線陣列通道校正的方法”（專利號(hào)：CN200610018271.5）和“一種多信道高頻天波雷達(dá)接收通道校正系統(tǒng)”（專利號(hào)：CN201120517053.2）。利用探測(cè)海域內(nèi)的已知島嶼、燈塔和鉆井平臺(tái)等固定反射物或電離層直接發(fā)射回波，不需要考慮輔助信號(hào)源的設(shè)置與維護(hù)問題，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)校正，具有一定的實(shí)用價(jià)值。但此二者實(shí)際為特殊的有源校正方法，應(yīng)用范圍和實(shí)際效果有限，不適用于無固定反射物的開闊海域，且仍受噪聲干擾和船只回波，多徑效應(yīng)等不利因素的影響。

中國(guó)發(fā)明專利“一種基于非直線天線陣列的無源校正方法”（專利號(hào)：CN200610071360.6）

將天線陣列設(shè)置為含有平移不變陣元偶組的非直線形式，通過平移不變陣檢測(cè)獲得大量單信源回波，由這些回波獲得通道的幅相誤差系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通道校正。通過構(gòu)造最大似然代價(jià)函數(shù)，采用低維度局部最優(yōu)的初始值逐步推進(jìn)獲得全局最優(yōu)。但該方法需要將陣列設(shè)置成滿足平移不變的形式，陣型設(shè)計(jì)上有限制。回波質(zhì)量略低時(shí)，算法易收斂至局部最優(yōu)，精度不高，這使得其結(jié)果在校正上實(shí)時(shí)性較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：

一種小型陣列的無源通道校正方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，基于陣列模型的二階統(tǒng)計(jì)特性，根據(jù)強(qiáng)回波特征分解的特征值大小確定穩(wěn)定可靠的單信源回波；具體方法是：由強(qiáng)信噪比回波構(gòu)造陣列接收自相關(guān)矩陣，進(jìn)行特征分解后由特征值S關(guān)系確定單信源回波，當(dāng)S₁/S₂≥S_i/S_i+1i=2…N時(shí)確定為單信源回波。

所述陣列接收自相關(guān)矩陣是由經(jīng)過二次FFT變換得到的四維回波數(shù)據(jù)中，距離元與多普勒頻率上獨(dú)立的強(qiáng)信噪比海洋回波對(duì)應(yīng)的陣列快拍自相關(guān)矩陣；

步驟2，利用各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)的能量和之比估計(jì)通道幅度增益系數(shù)，并根據(jù)估計(jì)的通道幅度增益系數(shù)對(duì)各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度自校正；所述各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)是指在步驟1下所有單信源回波的陣列接收自相關(guān)矩陣中對(duì)應(yīng)通道上的快拍數(shù)據(jù)。

需要說明的是：陣列自相矩陣有兩個(gè)維度一個(gè)是通道，另一個(gè)為快拍。各個(gè)單信源回波都是如此，將對(duì)應(yīng)的通道維度上的所有單信源快拍數(shù)據(jù)歸并在一起就是“各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)”。