一种小型阵列的无源通道校正方法技术

本发明专利技术涉及一种小型阵列的无源通道校正方法，在一定信噪比要求下，由强回波特征分解后特征值的大小确定稳定可靠的单信源回波；利用单信源回波快拍数据估计通道幅度增益系数；利用已经过幅度校准的单信源海洋回波快拍数据与已知阵列信息估计通道相位误差系数，实现相位校正。本发明专利技术优势在于：不受回波中的船只回波干扰，多径效应等影响，对海洋回波的数据质量要求较低，使其更能适应雷达工作环境的改变，可长时间无间断工作；利用高强度强单信源特征的海洋回波，校正结果具有良好的精度与稳健性；运算量小，实时性强，能长期稳定工作；大大改善了雷达的应用灵活性；在提高探测性能的同时，大幅降低了雷达的研制成本和维护费用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，是利用高频地波雷达接收到的单信源海洋回波数据对平面阵列进行无源通道校正的方法。
技术介绍
高频地波雷达(HF Ground Wave Radar)利用垂直极化高频电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点和海洋表面对电波的一阶、二阶散射机制，实现超视距探测风场、浪场、流场等海洋动力学参数和舰船、飞机等海上移动目标。由于雷达接收系统中接收天线，模拟前端的增益不一致性，周围电磁环境的影响等因素，在实际的接收回波中各个通道之间的幅相特性存在差异，即称之为通道幅相误差。通道幅相误差使得波束形成算法与方位估计算法所采用的阵流型模型与实际不符，很小的误差也会使得这类算法的性能严重下降，是影响高频地波雷达探测性能的关键问题之一。现有的校正方法主要有两类:有源校正方法与无源校正方法。有源校正方法通过在阵列前方设置方位精确已知的辅助信源，通过雷达接收到的辅助信源回波与其已知方位信息获得通道幅相误差的校正。在无源校正方法中，通过根据某种优化函数对空间信源的方位与幅相误差进行联合估计，不需要方位信息已知的辅助信号源。相关方法在《空间谱估计理论与算法》(清华大学出版社2004年)中有详细阐述。海态高频地波雷达阵列一般设置在岸边，如采用有源校正方法，则需在阵列前方的岛屿或船只上设置辅助信号源，成本高昂，设置与维护难度很大，且难以保证实时稳定工作。无源校正方法一般需要进行多次复杂的迭代运算，计算量较大，不一定保证实时性要求。且当初始幅相误差信息不足时，寻优算法极易收敛至局部最优，难以实用。武汉大学电波传播实验室曾考虑使用海上已知天然或人工物体对雷达电波的反射信号作为校正信号。根据其已知的方位距离信息从回波中提取校正信号从而估计各通道的失配系数。其具体实施细节可参见中国专利技术专利“一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法”(专利号:CN03128238.5)，“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”(专利号:CN200610018271.5)和“一种多信道高频天波雷达接收通道校正系统”(专利号:CN201120517053.2)。利用探测海域内的已知岛屿、灯塔和钻井平台等固定反射物或电离层直接发射回波，不需要考虑辅助信号源的设置与维护问题，可实现在线实时校正，具有一定的实用价值。但此二者实际为特殊的有源校正方法，应用范围和实际效果有限，不适用于无固定反射物的开阔海域，且仍受噪声干扰和船只回波，多径效应等不利因素的影响。中国专利技术专利“ 一种基于非直线天线阵列的无源校正方法”(专利号:CN200610071360.6)将天线阵列设置为含有平移不变阵元偶组的非直线形式，通过平移不变阵检测获得大量单信源回波，由这些回波获得通道的幅相误差系数，进而实现通道校正。通过构造最大似然代价函数，采用低维度局部最优的初始值逐步推进获得全局最优。但该方法需要将阵列设置成满足平移不变的形式，阵型设计上有限制。回波质量略低时，算法易收敛至局部最优，精度不高，这使得其结果在校正上实时性较差。
技术实现思路
本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:，其特征在于，包括以下步骤:步骤1，基于阵列模型的二阶统计特性，根据强回波特征分解的特征值大小确定稳定可靠的单信源回波；具体方法是:由强信噪比回波构造阵列接收自相关矩阵，进行特征分解后由特征值S关系确定单信源回波，当S1ZiS2 ^ Si/Si+1i=2-N时确定为单信源回波。所述阵列接收自相关矩阵是由经过二次FFT变换得到的四维回波数据中，距离元与多普勒频率上独立的强信噪比海洋回波对应的阵列快拍自相关矩阵；步骤2，利用各通道单信源回波快拍数据的能量和之比估计通道幅度增益系数，并根据估计的通道幅度增益系数对各通道单信源回波快拍数据进行幅度自校正；所述各通道单信源回波快拍数据是指在步骤I下所有单信源回波的阵列接收自相关矩阵中对应通道上的快拍数据。需要说明的是:阵列自相矩阵有两个维度一个是通道，另一个为快拍。各个单信源回波都是如此，将对应的通道维度上的所有单信源快拍数据归并在一起就是“各通道单信源回波快拍数据”。步骤3，利用步骤2中已经幅度校准后的单信源海洋回波快拍数据与已知阵列信息由通过线性的求优函数[β，φ] = ar^linIl^- J Il的PSO全局优化搜索估计初始相位误差；其中，θ=[θ1 θ2…θJt为所有信源的到达角，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型阵列的无源通道校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，基于阵列模型的二阶统计特性，根据强回波特征分解的特征值大小确定稳定可靠的单信源回波；具体方法是：由强信噪比回波构造阵列接收自相关矩阵，进行特征分解后由特征值S关系确定单信源回波，当S1/S2≥Si/Si+1i=2…N时确定为单信源回波；所述阵列接收自相关矩阵是由经过二次FFT变换得到的四维回波数据中，距离元与多普勒频率上独立的强信噪比海洋回波对应的阵列快拍自相关矩阵；步骤2，利用各通道单信源回波快拍数据的能量和之比估计通道幅度增益系数，并根据估计的通道幅度增益系数对各通道单信源回波快拍数据进行幅度自校正；所述各通道单信源回波快拍数据是指在步骤1下所有单信源回波的阵列接收自相关矩阵中对应通道上的快拍数据；步骤3，利用步骤2中已经幅度校准后的单信源海洋回波快拍数据与已知阵列信息由通过线性的求优函数的PSO全局优化搜索估计初始相位误差；其中，θ=[θ1?θ2?…?θM]T为所有信源的到达角，Φ=[Φ1?Φ2?…?ΦN]T为相位误差系数，为所有信源的导向矢量矩阵，为估计的各个信源功率，λ为波长，(xn,yn)为第n个天线的坐标；步骤4，由步骤3中估计的初始相位误差系数进行求和MUSIC代价函数的迭代优化搜索，实现相位高精度校正；具体是：利用步骤2中已幅度校正的单信源回波快拍数据，已知的阵列位置信息和步骤3中得到的全局优 化搜索获得的初始相位误差，进行基于求和MUSIC函数的最优化相位误差系数估计，最优化结果基于公式：通过该最优化求解实现相位自校正，其中U(θi)为单信源i的噪声矢量空间；其中，θi为第i个信源的到达角，a(θi)为第i个信源对应的导向矢量，Φ=[Φ1?Φ2?…?ΦN]T为相位误差系数，为待估相位误差对应的复矩阵。FDA0000441754390000014.jpg,FDA0000441754390000011.jpg,FDA0000441754390000012.jpg,FDA0000441754390000013.jpg,FDA0000441754390000021.jpg,FDA0000441754390000022.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种小型阵列的无源通道校正方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，基于阵列模型的二阶统计特性，根据强回波特征分解的特征值大小确定稳定可靠的单信源回波；具体方法是:由强信噪比回波构造阵列接收自相关矩阵，进行特征分解后由特征值S关系确定单信源回波，当S1ZiS2≤Si/Si+1i=2-N时确定为单信源回波； 所述阵列接收自相关矩阵是由经过二次FFT变换得到的四维回波数据中，距离元与多普勒频率上独立的强信噪比海洋回波对应的阵列快拍自相关矩阵； 步骤2，利用各通道单信源回波快拍数据的能量和之比估计通道幅度增益系数，并根据估计的通道幅度增益系数对各通道单信源回波快拍数据进行幅度自校正；所述各通道单信源回波快拍数据是指在步骤I下所有单信源回波的阵列接收自相关矩阵中对应通道上的快拍数据； 步骤3，利用步骤2中已经幅度校准后的单信源海洋回波快拍数据与已知阵列信息由通过线性的求优函数[0，φ]=-f^lf的PSO全局优化搜索估计初始相位误差；其中，Q=H1 θ2...Θ Jt为所有信源的到达角，Φ9...ΦΝ]Τ为相位误差系数，[I^为所有信源的导向矢量矩阵，C =e*…e >，§?=χι(为估计的各个信源功率，λ为波长，(xn, yn)为第η个天线的坐标； 步骤4，由步骤3中估计的初始相位误差系数进行求和MUSIC代价函数的迭代优化搜索，实现相位高精度校正；具体是:利用步骤2中已幅度校正的单信源回波快拍数据，已知的阵列位置信息和步骤3中得到的全局优化搜索获得的初始相位误差，进行基于求和MUSIC函数的最优化相位误差系数估计，最优化结果基于公式:[& oJ-argrmnXla^^C^.)!2，通过该最优化求解实现相位自校正，其中U(Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽宗，曾耿斐，赵晨，金燕，张龙刚，谢飞，陈曦，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：