【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线电海洋遥感和数字信号处理领域，具体涉及了一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法。
技术介绍
1、探测海洋的风速、浪高和海流信息对海洋资源开发、环境监测以及海上交通安全至关重要。作为一种远程大范围的海洋监测技术，地波雷达能够有效提供这些关键数据，为预测海洋环境变化、评估海洋灾害风险、指导海上作业活动发挥重要作用。
2、油气平台是海上资源开发的重要设施，因其位置通常远离海岸线，难以被传统的海洋监测手段所覆盖。因此，在油气平台上布设地波雷达，不仅可以扩大探测范围，实现远海海况信息的监测，还能实时掌握平台周边海域的环境状况，为海上作业提供决策支持。
3、然而，阵列式高频地波雷达由于天线间幅相特性的不一致性，存在幅相误差，这会降低天线阵列的doa分辨能力，进而严重影响雷达对海况的反演。对于岸基高频地波雷达，通常采用基于海洋回波的无源幅相校准方法，这种方法无需辅助校准源，稳定可靠。但是，该方法要求天线阵列具有平移不变子阵，以筛选单到达的海洋回波。在布阵时，岸基地波雷达由于场地限制较小，可以充分考虑这种布局要求。例如，osmar071g型高频地波雷达的岸基型号通常采用前六后二的对称阵列，该阵列中存在多个平移不变子阵。
4、相比之下，在油气平台上部署地波雷达则面临不同的挑战。由于平台的主要作用是开采海底资源，平台上已搭载了许多生产和探测设备，很难找到平整场地来布设类似岸基雷达的均匀对称阵列。因此，只能依据平台的硬件场地条件，布设异形阵列。然而，绝大多数异形阵列很难找到合适的平移不变阵元偶，导
5、因此，针对油气平台上的阵列式高频地波雷达，需要设计一种无需特殊天线阵列布局要求的无源幅相校准方法，这已成为当前亟待解决的问题。
技术实现思路
1、为了解决上述油气平台地波雷达的校准问题，本专利技术提出了一种不需要依赖特定阵形的幅相校准方法。该方法首先利用阵列天线间幅度比值，筛选出单到达角回波信号。然后对天线信号的接收矩阵进行分析，计算出每根天线的幅度误差。接着通过阵列降维方式对相位误差进行初值估计，最后利用music迭代方法准确求出天线的相位误差，完成校准。
2、具体技术方案如下：
3、一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，包括：
4、步骤1、利用单到达回波信号在阵列阵元间的幅度比值聚集性，筛选出回波信号中的单到达角信号；
5、步骤2、将每个阵元收到的单到达角信号比上基准阵元收到的单到达角信号，即得到对应阵元的幅度误差；
6、步骤3、在消除幅度误差的基础上，采用阵列降维的方式逐步确定整个阵列阵元的相位误差初值；
7、步骤4、结合music代价函数与adadelta梯度下降算法，通过循环迭代优化，准确的得到每个阵元的相位误差值，完成地波雷达的幅相校准。
8、进一步，步骤1包括以下步骤：
9、a)信号预处理：首先对接收的回波信号执行快速傅里叶变换fft，将回波信号转换到频域；然后，使用短时傅里叶变换stft进一步分析信号，得到每个回波信号的快拍矩阵，其中，矩阵的行数m代表阵列阵元中的阵元数量，列数t代表在stft中选定的时间窗口数量；
10、b)计算不同阵元信号比值：对于每个回波信号的快拍矩阵，将其按行分块，形成m个长度为t的复数向量，每个复数向量对应一个阵元接收到的信号；然后，用除基准阵元外的其他阵元对应的向量比上基准阵元对应的向量，令c＝m-1，得到一个c×t的复数比值矩阵；对复数比值矩阵按行取平均，并计算其幅度或模，从而得到一个长度为c的实数向量；当信号为单到达角信号时，忽略噪声影响，比值为定值。
11、c)对于所有满足信噪比要求的信号快拍矩阵，执行上述处理步骤，构建一个实数比值矩阵，此时矩阵的行数等于c，列数h为符合信噪比要求的回波信号总数；
12、d)在上述c×h比值矩阵中，将每一列看做一个点，计算任意两个不同点间的欧式距离；
13、e)利用局部聚类算法找到半径为h的密度中心点位置q，半径h为预估的单到达角回波个数，通常取观测样本总数的一定比例；
14、f)以q为中心，筛选出距离q最近的h个点，这些点被判断为单到达角信号。
15、进一步的，针对每个阵元，将多个单到达角信号计算得到的幅度误差取统计平均值，作为该阵元的幅度误差，用于提高精度。
16、进一步，步骤3包括以下步骤：
17、a)首先从所有阵元中选出m-n个阵元构成非线性子阵，其中n>0且n≤m-3，除去基准阵元，对非线性子阵中的其余阵元，在[-π,π)范围内以固定步长遍历搜索所有可能的相位误差值，并确定一组相位误差值；
18、b)在相位误差值确定的基础上，对每个单到达角信号快拍矩阵求协方差矩阵，并进行特征值分解，在信源个数为1时，直接得到噪声子空间
19、c)利用确定的相位误差值和噪声子空间，通过music表达式搜索得到每个单到达角信号对应的到达角θ及其对应的music谱值；
20、d)将所有单到达角信号对应的music谱值的倒数进行累加，获得代价函数p的值；
21、e)在[-π,π)范围内遍历完所有可能的相位误差组合，重复步骤b～d，计算出所有代价函数p的值；当p值最小时，得到该m-n个阵元的相位误差初值和单到达角信号角度；
22、f)在已确定相位误差的子阵基础上，逐步增加一个阵元构成新的子阵，并设新添加阵元的相位误差为
23、g)对在[-π,π)范围内以固定步长进行遍历，保持之前计算出的阵元相位误差不变，代入music求和代价函数，当p取得最小值时，对应的即为该阵元的相位误差初值；
24、h)重复步骤f和g，直到获取所有m个阵元的相位误差初值。
25、进一步的，步骤4包括以下步骤：
26、a)首先设置adadelta算法的超参数值，然后将之前得到的相位误差初值和单到达角信号角度代入music代价函数，计算初始代价函数值；
27、b)music代价函数对相位误差求偏导，得到梯度
28、c)根据adadelta算法更新规则，更新下一个相位误差值
29、d)根据更新后的相位误差和music表达式搜索对应角度θ，然后重新计算代价函数值pt；
30、e)比较当前的代价函数值pt与上一次的代价函数值pt-1的差值，如果pt-1-pt>ε时，ε为大于0的极小值，则继续迭代；
31、f)重复步骤b至f.直到代价函数值p不再显著下降，即pt-1-pt<∈；当满足收敛条件时，跳出循环，此时的相位误差即为最终的相位误差值。
32、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
33、1.相较于传统依赖于天线阵列阵形的校准方法，该校准方法对阵形没有特殊要求，对类似于油气平台这样建设环境复杂的场地，该方法适应性较好。
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1.一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法,其特征在于：
2.根据权1所述的一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，其特征在于：步骤1进一步包括以下步骤：
3.根据权1所述的一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，其特征在于：针对每个阵元，将多个单到达角信号计算得到的幅度误差取统计平均值，作为该阵元的幅度误差，用于提高精度。
4.根据权1所述的一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，其特征在于：步骤3进一步包括以下步骤：
5.根据权1-4所述的任意一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，其特征在于：步骤4进一步包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法,其特征在于：
2.根据权1所述的一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，其特征在于：步骤1进一步包括以下步骤：
3.根据权1所述的一种基于油气平台的地波雷达幅相校准方法，其特征在于：针对每个阵元，将多个单到达角信号计算得到...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨树，付伟，陈智会，谭鹏，李杰，包建成，
申请(专利权)人：湖北中南鹏力海洋探测系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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