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专利名称：一种基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法
技术领域：
本发明涉及一种利用站间直达波干扰进行高频地波雷达阵列幅相一致性校准的方法。
背景技术：
高频地波雷达采用MUSIC (Multiple Signal Classification)等超分辨算法进行海流DOA (Direction of Arrival)估计，其基本原理是根据Barrick提出的一阶海洋回波电磁散射理论对接收到的后向散射回波进行空间谱估计提取海流DOA信息。然而这类超分辨算法都是基于一定的信号模型，只有在模型误差较小时，估计结果才能精确和稳定，否贝U，其性能将严重下降，甚至完全失效。而在实际应用中，很难从硬件上实现完全理想的接收系统，因此模型误差是不可避免的。对高频地波雷达而言，各接收通道幅相特性不一致是影响MUSIC算法性能的关键因素。因此，需要在进行海洋表面动力学参数反演前，对阵列的幅相误差进行校准。阵列误差校准方法主要分为有源校准和无源校准。在有源校准方法中，将一已知信号源放至离阵列足够远的开阔场地，发射信号，测量各接收通道输出信号的幅度和相位，扣除阵列空间位置引起的相位差，即可得到通道误差信息。此校准方法原理简单，效果良好，在实际中得到了广泛应用。然而高频地波雷达的天线阵距海水较近，用辅助信号源来校准，费用昂贵且极为不便，难以长期工作。在无源校准方法中，无需方向准确已知的信号源，直接利用接收的实测数据和一些先验知识(如阵列形式)将空间信源的方位与阵列的扰动参数进行联合估计，可同时完成方位估计和误差校准；此外，方位依赖的幅相误差校准方法将通道阵元位置及阵元耦合误差均等效为依赖于方位的幅相误差模型对阵列扰动参数进行校准。在王永良、陈辉等编著的《空间谱估计理论与算法》(清华大学出版社2004年)一书中对此方法有详细阐述。这些方法需要多次复杂的迭代运算，计算量很大，不一定满足实时性要求，且有可能收敛于局部最小值，而不是全局最小值，从而得到错误的结果。武汉大学电波传播实验室提出了一种利用海洋回波中单DOA谱点进行通道校准的技术，这项技术对大量回波信号采用统计方法，没有复杂的迭代运算，计算量�。�提高了通道校准的实时性、准确性和稳定性，具体实施细节可参考200610071360. 6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准方法”。但该发明相对于有源校准方法来说，其校准结果的准确性和稳定性还是要稍差一些。高频地波雷达一般采用调频中断连续波(frequency modulated interrupted continuous wave,缩写FMICW)体制。Rafaat Khan等人发表的题为“高频地波雷达目标探测与足艮踪” (Target Detection and Tracking With a High Frequency Ground Wave Radar, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1994，19 (4) : 540 548)的论文中对此有详细描述。在FMICW波形体制下，海洋回波(包括海杂波和站间直达波干扰)进入接收机后，经混频、低通滤波、A/D转换和FFT可得如图2所示的距离回波谱。如

图1所示，A站产生的
4本振信号通过A站发射，B站产生的本振信号通过B站发射，A站发射信号和B站发射信号 (经反射物反射)在B站接收，B站接收信号经过混频、低通滤波、A/D转换和FFT得到距离回波谱。图2所示的距离回波谱中，横坐标为距离元，纵坐标为功率(单位为dB)，其中显示了站间直达波干扰。针对现有技术的状况，提出一种高频地波雷达阵列幅相一致性校准的有效方案， 是本技术领域急需解决的重大难题。

发明内容
针对现有方法的局限性，本发明的目的是利用站间直达波干扰，提供一种实现方法简单，成本低廉，运算量�。�校准结果精确和稳定的阵列幅相一致性校准方法。本发明的技术方案为一种基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，包括以下步骤
步骤1，根据站间直达波干扰产生的条件设置工作参数，产生站间直达波干扰； 步骤2，根据步骤1所得工作参数确定站间直达波干扰的特征； 步骤3，利用步骤2所确定站间直达波干扰的特征对接收的多帧距离回波谱进行逐帧搜索，确定站间直达波干扰所在的距离元信息；
步骤4，根据步骤3所得距离元信息构造接收快拍数据，进行阵列幅相误差校准。而且，步骤1中所述站间直达波干扰产生的条件如下，
1 )讀 A = “ aB ；
2)I Jo I fm + jS" - Jm - fq ；
3)τ0 — rq ^ Tzc ’ T0 - rq ^ q — Tzd ；
其中 = maA = naB ’ /o = mfM - ？tfm , Jw=OTzs , JT = dF, Jm=(S-M-^)Ji , aA,as为A、B两站的扫频斜率，fMjm为A、B两站的起始频率，q为脉冲周期，J； 〉{为
脉冲频率，T为扫频周期，而为A、B两站的雷达启动时间差且满足O <%<T , τΖ 为站间直达波干扰的传播时间，Jm为站间直达波传播时延频差，S为常数；系数μ和系数《是满
足条件1)且值最小的两个自然数；系数『=0丄2,_-，^-〗，U表示取整。而且，步骤2中所述站间直达波干扰的特征如下，
1)每个站有两个站间直达波干扰，两个站间直达波干扰的频率分别为Λ和/ι,其中
-Zf </^0 ,HH , Jq为脉冲频率；若Δ/乏夂，则两个站间直达波干
扰都存在；若-^^Δ/ <乂，当Jii -Λ/时只有一个站间直达波干扰存在，另一个站间
直达波干扰被滤除，当& —时两个站间直达波干扰都存在；若Δ/ Ci^f ,则只存在
一个站间直达波干扰；其中4/为基带滤波器的带宽；2)两站的站间直达波干扰关于站间直达波传播时延频差Λβ对称；
3)在非同步条件下，两站的站间直达波干扰随着时间的变化而逐渐移动，并且两站的站间直达波干扰移动的方向相反，速度相同；
4)在非同步条件下，两站的站间直达波干扰在某一时刻相聚在站间直达波传播时延频
差JiZD处。而且，设A、B两站，以A站为主站，步骤3中所述确定站间直达波干扰所在的距离元信息时，A站执行如下步骤，
步骤3. 1，读取本站的Γ帧距离回波谱，I为采样的帧数；
步骤3. 2，判断基带滤波器的带宽Δ/和脉冲频率Λ的关系；
当Δ/乏力时，逐帧搜索(-/『χ)范围内相距^并且干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰，并记录谱峰的位置，得到数据“沐)，其中λ = 1，2，…；从数据中选择具有渐变特征的一组数据记为距离元信息功幻，结束流程；
当夂/2<4/ <力时，逐帧搜索Δ/)和(4/4)范围内相距 < 并且干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰，逐帧搜索卜Δ/,Δ/]范围内干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰， 并记录谱峰的位置，得到数据4勾；进入步骤3. 3 ；
当Δ/<力/2时，逐帧搜索[—Δ/,Δ/]范围内干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰，并记录谱峰的位置，得到数据《(勾；进入步骤3. 3 ；
步骤3. 3，从B站处读取相同时间段内记录谱峰位置的数据,数据^Ct)由B站执行步骤3. 1和步骤3. 2得到；
步骤3. 4，比较数据和数据^Ct)，从数据中选出关于站间直达波传播时延频差Λο对称且具有渐变特征的数据记为距离元信息片λ),从数据中选出关于站间直达波传播时延频差Λο对称且具有渐变特征的数据记为距离元信息ζ'沐)，把距离元信息 z(k)发送给B站。而且，步骤4中所述根据距离元信息构造接收快拍数据如下，
1 维))-\Y,(z{k)) 接收快拍数据
权利要求
1.一种基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1，根据站间直达波干扰产生的条件设置工作参数，产生站间直达波干扰； 步骤2，根据步骤1所得工作参数确定站间直达波干扰的特征；步骤3，利用步骤2所确定站间直达波干扰的特征对接收的多帧距离回波谱进行逐帧搜索，确定站间直达波干扰所在的距离元信息；步骤4，根据步骤3所得距离元信息构造接收快拍数据，进行阵列幅相误差校准。
2.根据权利要求1所述基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，其特征在于 步骤1中所述站间直达波干扰产生的条件如下，1)maA - ？taB ；2)\fo\<fzn+fr-J^-f,3)T0-rq ^Tm ,T0-rq^q- Tw ；其中 a. = maA = nas , /0 = mfM — nfm , Jzb = OTw , /Γ = aT , J愿=(S-m-n)/t, Oa,Os为A、B两站的扫频斜率，fMtJm为A、B两站的起始频率，q为脉冲周期，為=%为脉冲频率，T为扫频周期，而为A、B两站的雷达启动时间差且满足O <T , Tzij为站间直达波干扰的传播时间，Im为站间直达波传播时延频差，S为常数；系数《和系数《是满足条件1)且值最小的两个自然数；系数Γ = 0Λ2，…，，U表示取整。
3.根据权利要求2所述基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，其特征在于 步骤2中所述站间直达波干扰的特征如下，1)每个站有两个站间直达波干扰，两个站间直达波干扰的频率分别为A和/V,其中 -J <Λ^ο , </Η <fq，且Jm-J^ = J；, Jq为脉冲频率；若4f乏夂，则两个站间直达波干扰都存在；若 ‘SLf <4 ,当Jii </f _Δ/时只有一个站间直达波干扰存在，另一个站间直达波干扰被滤除，当Ji-4/^&时两个站间直达波干扰都存在；若Δ/ Cf《，则只存在一个站间直达波干扰；其中4/为基带滤波器的带宽；2)两站的站间直达波干扰关于站间直达波传播时延频差Λ 对称；3)在非同步条件下，两站的站间直达波干扰随着时间的变化而逐渐移动，并且两站的站间直达波干扰移动的方向相反，速度相同；4)在非同步条件下，两站的站间直达波干扰在某一时刻相聚在站间直达波传播时延频差/so处。
4.根据权利要求1所述基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，其特征在于 设A、B两站，以A站为主站，步骤3中所述确定站间直达波干扰所在的距离元信息时，A站执行如下步骤，步骤3. 1，读取本站的Γ帧距离回波谱，Γ为采样的帧数； 步骤3. 2，判断基带滤波器的带宽u和脉冲频率力的关系；当Δ/乏力时，逐帧搜索范围内相距并且干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰，并记录谱峰的位置，得到数据，其中6 = 1.2. ；从数据α (幻中选择具有渐变特征的一组数据记为距离元信息片勾，结束流程；当夂/2S4/ </ 时，逐帧搜索(-力,-4/)和(Δ/,Λ)范围内相距，并且干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰，逐帧搜索卜4/,Δ/]范围内干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰， 并记录谱峰的位置，得到数据4勾；进入步骤3. 3 ；当Δ/cj；/2时，逐帧搜索[-Δ/,Δ/]范围内干噪比大于预设干噪比阈值PG的谱峰，并记录谱峰的位置，得到数据；进入步骤3. 3 ；步骤3. 3，从B站处读取相同时间段内记录谱峰位置的数据^(Ar),数据α(Α)由B站执行步骤3. 1和步骤3. 2得到；步骤3. 4，比较数据ω(ΑΓ)和数据Λ (.t)，从数据Ω(ΑΓ)中选出关于站间直达波传播时延频差Λο对称且具有渐变特征的数据记为距离元信息,从数据中选出关于站间直达波传播时延频差对称且具有渐变特征的数据记为距离元信息^沐)，把距离元信息 ；㈨发送给B站。
5.根据权利要求4所述基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，其特征在于 步骤4中所述根据距离元信息构造接收快拍数据如下，接收快拍数据
全文摘要
一种基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法，高频地波雷达在基带处要接收到有较强干噪比的站间直达波干扰需要具备一定的条件，根据这些条件设置高频地波雷达的工作参数；确定站间直达波干扰的特征；根据这些特征对多帧距离回波谱进行搜索，确定站间直达波干扰所在的距离元信息，构造站间直达波干扰接收快拍数据，实现阵列幅相误差校准。本发明的优势在于不需要额外的辅助信源就能实现有源校准，具有很好的精度和稳健性；利用非同步的站间直达波干扰即可校准，实现方法简单；运算量小；能长期稳定工作；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。
文档编号G01S7/40GK102540153SQ201110439090
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘斌, 吴雄斌, 徐新安, 李伦, 沈志奔, 陈骁峰 申请人:武汉大学