一種小型陣列的無源通道校正方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種小型陣列的無源通道校正方法，在一定信噪比要求下，由強回波特征分解后特征值的大小確定穩(wěn)定可靠的單信源回波；利用單信源回波快拍數(shù)據(jù)估計通道幅度增益系數(shù)；利用已經(jīng)過幅度校準(zhǔn)的單信源海洋回波快拍數(shù)據(jù)與已知陣列信息估計通道相位誤差系數(shù)，實現(xiàn)相位校正。本發(fā)明優(yōu)勢在于：不受回波中的船只回波干擾，多徑效應(yīng)等影響，對海洋回波的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較低，使其更能適應(yīng)雷達工作環(huán)境的改變，可長時間無間斷工作；利用高強度強單信源特征的海洋回波，校正結(jié)果具有良好的精度與穩(wěn)健性；運算量小，實時性強，能長期穩(wěn)定工作；大大改善了雷達的應(yīng)用靈活性；在提高探測性能的同時，大幅降低了雷達的研制成本和維護費用。
【專利說明】一種小型陣列的無源通道校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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接收到的單信源海洋回波數(shù)據(jù)對平面陣列進行無源通道校正的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高頻地波雷達(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和海洋表面對電波的一階、二階散射機制，實現(xiàn)超視距探測風(fēng)場、浪場、流場等海洋動力學(xué)參數(shù)和艦船、飛機等海上移動目標(biāo)。
[0003]由于雷達接收系統(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，在實際的接收回波中各個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算法所采用的陣流型模型與實際不符，很小的誤差也會使得這類算法的性能嚴(yán)重下降，是影響高頻地波雷達探測性能的關(guān)鍵問題之一。
[0004]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
[0005]前方設(shè)置方位精確已知的輔助信源，通過雷達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)對空間信源的方位與幅相誤差進行聯(lián)合估計，不需要方位信息已知的輔助信號源。相關(guān)方法在《空間譜估計理論與算法》(清華大學(xué)出版社2004年)中有詳細(xì)闡述。
[0006]海態(tài)高頻地波雷達陣列一般設(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)置輔助信號源，成本高昂，設(shè)置與維護難度很大，且難以保證實時穩(wěn)定工作。無源校正方法一般需要進行多次復(fù)雜的迭代運算，計算量較大，不一定保證實時性要求。且當(dāng)初始幅相誤差信息不足時，尋優(yōu)算法極易收斂至局部最優(yōu)，難以實用。
[0007]武漢大學(xué)電波傳播實驗室曾考慮使用海上已知天然或人工物體對雷達電波的反射信號作為校正信號。根據(jù)其已知的方位距離信息從回波中提取校正信號從而估計各通道的失配系數(shù)。其具體實施細(xì)節(jié)可參見中國發(fā)明專利“一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法”(專利號:CN03128238.5)，“一種利用電離層回波進行高頻雷達天線陣列通道校正的方法”(專利號:CN200610018271.5)和“一種多信道高頻天波雷達接收通道校正系統(tǒng)”(專利號:CN201120517053.2)。利用探測海域內(nèi)的已知島嶼、燈塔和鉆井平臺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源的設(shè)置與維護問題，可實現(xiàn)在線實時校正，具有一定的實用價值。但此二者實際為特殊的有源校正方法，應(yīng)用范圍和實際效果有限，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。
[0008]中國發(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:CN200610071360.6)
[0009]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)，進而實現(xiàn)通道校正。通過構(gòu)造最大似然代價函數(shù)，采用低維度局部最優(yōu)的初始值逐步推進獲得全局最優(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)計上有限制。回波質(zhì)量略低時，算法易收斂至局部最優(yōu)，精度不高，這使得其結(jié)果在校正上實時性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]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:
[0011]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:
[0012]步驟1，基于陣列模型的二階統(tǒng)計特性，根據(jù)強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:由強信噪比回波構(gòu)造陣列接收自相關(guān)矩陣，進行特征分解后由特征值S關(guān)系確定單信源回波，當(dāng)S1ZiS2 ^ Si/Si+1i=2-N時確定為單信源回波。
[0013]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立的強信噪比海洋回波對應(yīng)的陣列快拍自相關(guān)矩陣；
[0014]步驟2，利用各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)的能量和之比估計通道幅度增益系數(shù)，并根據(jù)估計的通道幅度增益系數(shù)對各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)進行幅度自校正；所述各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)是指在步驟I下所有單信源回波的陣列接收自相關(guān)矩陣中對應(yīng)通道上的快拍數(shù)據(jù)。
[0015]需要說明的是:陣列自相矩陣有兩個維度一個是通道，另一個為快拍。各個單信源回波都是如此，將對應(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)”。
[0016]步驟3，利用步驟2中已經(jīng)幅度校準(zhǔn)后的單信源海洋回波快拍數(shù)據(jù)與已知陣列信息由通過線性的求優(yōu)函數(shù)[β，φ] = ar^linIl^- J Il的PSO全局優(yōu)化搜索估計初始相位誤差；其中，θ=[θ1 θ2…θJt為所有信源的到達角，
【權(quán)利要求】
1.一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)計特性，根據(jù)強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:由強信噪比回波構(gòu)造陣列接收自相關(guān)矩陣，進行特征分解后由特征值S關(guān)系確定單信源回波，當(dāng)S1ZiS2≤Si/Si+1i=2-N時確定為單信源回波； 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立的強信噪比海洋回波對應(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)的能量和之比估計通道幅度增益系數(shù)，并根據(jù)估計的通道幅度增益系數(shù)對各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)進行幅度自校正；所述各通道單信源回波快拍數(shù)據(jù)是指在步驟I下所有單信源回波的陣列接收自相關(guān)矩陣中對應(yīng)通道上的快拍數(shù)據(jù)； 步驟3，利用步驟2中已經(jīng)幅度校準(zhǔn)后的單信源海洋回波快拍數(shù)據(jù)與已知陣列信息由通過線性的求優(yōu)函數(shù)[0，φ]=-f^lf的PSO全局優(yōu)化搜索估計初始相位誤差；其中，Q=H1 θ2...Θ Jt為所有信源的到達角，Φ9...ΦΝ]Τ為相位誤差系數(shù)，[I^為所有信源的導(dǎo)向矢量矩陣，C =e*…e >，§?=χι(為估計的各個信源功率，λ為波長，(xn, yn)為第η個天線的坐標(biāo)； 步驟4，由步驟3中估計的初始相位誤差系數(shù)進行求和MUSIC代價函數(shù)的迭代優(yōu)化搜索，實現(xiàn)相位高精度校正；具體是:利用步驟2中已幅度校正的單信源回波快拍數(shù)據(jù)，已知的陣列位置信息和步驟3中得到的全局優(yōu)化搜索獲得的初始相位誤差，進行基于求和MUSIC函數(shù)的最優(yōu)化相位誤差系數(shù)估計，最優(yōu)化結(jié)果基于公式:[& oJ-argrmnXla^^C^.)!2，通過該最優(yōu)化求解實現(xiàn)相位自校正，其中U(Qi)為單信源i的噪聲矢量空間；其中，Θ i為第i個信源的到達角，a( Θ J為第i個信源對應(yīng)的導(dǎo)向矢量，Φ = [Φι φ2...ΦΝ]Τ為相位誤差系數(shù)， =…)為待估相位誤差對應(yīng)的復(fù)矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型陣列的無源通道校正方法，其特征在于，所述步驟2中，利用接收到的單信源回波快拍數(shù)據(jù)進行通道幅度增益系數(shù)的估計，各陣元的幅度增益系數(shù)直接由免=^ΣΣIx,(?’^l2/EZIx1(z^)I2進行估計，實現(xiàn)幅度自校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，其特征在于，所述步驟3的具體方法包括以下子步驟: 步驟3.1、隨機初始化各粒子的待估相位誤差與到達角值Pi=[0，Φ]和初始速度v° =° ,迭代次數(shù)k=0, i為粒子數(shù)； 步驟3.2、由5 = ΣΙΙ& — 4汁算各粒子代價函數(shù)值Fi; 步驟3.3、由當(dāng)前粒子信息獲得各粒子的遍歷最優(yōu)值Oi與粒子最優(yōu)解S，全局最優(yōu)值Od與全局最優(yōu)銷5?步驟3.4、計算各粒子遍歷搜索速度vA對各個粒子進行待估參數(shù)的更新，基于以下公式:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型陣列的無源通道校正方法，其特征在于，所述步驟4中，基于求和MUSIC代價函數(shù)的
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型陣列的無源通道校正方法，其特征在于，還包括一個由估計的通道幅度增益系數(shù)與相位誤差估計值對單信源強回波進行校準(zhǔn)，由校準(zhǔn)后DOA譜信噪比值大小自判決相位校準(zhǔn)的可靠性的步驟，具體方法是:在獲得了相位誤差估計值后，對單信源回波數(shù)據(jù)進行通道幅相校正，并計算各信源的MUSIC譜信噪比，由其信噪比值大小判斷幅相校準(zhǔn)的可靠性；具體為=MUSIC譜信噪比值大于SdB的信源個數(shù)占70%以上時，判定校準(zhǔn)有效；否則認(rèn)為當(dāng)次校準(zhǔn)錯誤，該結(jié)果不可使用。
【文檔編號】G01S7/40GK103698753SQ201310703597
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】陳澤宗, 曾耿斐, 趙晨, 金燕, 張龍剛, 謝飛, 陳曦 申請人:武漢大學(xué)