专利名称：高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法
技术领域：
本发明属于高频雷达技术领域，尤其涉及一种利用递推计算而无需任何外部合作校准源的高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法。
背景技术：
高频地波雷达因其独特的超视距和全天候探测能力，已得到广泛研究并成功应用于海洋表面动力学参数(如流、风、浪)测量中，且可实时探测舰船和飞机等运动目标。现有的高频地波雷达的接收天线阵列可以分为两种，一种是相位控制阵列，如鞭天线组成的均匀直线阵；另一种是紧凑式幅度控制阵列，如单极子/交叉环三元天线阵。后者由于其天线易于架设且占地极少而具有更好的灵活性和适应性，目前在国际上已有的高频地波雷达 产品中采用单极子/交叉环三元天线阵列的便携式雷达已占据绝大部分份额。单极子/交叉环三元天线阵列设计为共相位中心，利用回波信号在各天线上的幅度响应来求取到达角。单极子/交叉环三元天线阵列为雷达带来了实用性的巨大优势，但在雷达实际运行环境中也给定向引入了问题，即天线方向图几乎总是受到周围非理想电磁环境的影响而产生畸变，进而导致到达角估计误差。比幅定向系统较比相定向系统更易受方向图畸变影响，这也是天线口径缩减的代价。已有文献报道，在使用理想天线方向图而非实际天线方向图进行到达角估计时由天线方向图畸变导致的定向误差可超过10度[1]，因此在雷达运行时必须获知实际天线方向图并用于定向算法(如多重信号分类法，MUSIC)中以降低此误差。常规的天线方向图获取方法是对其进行远场测量。美国CODAR公司生产的高频地波雷达SeaSonde采用船载应答器，在电波远场区距离环上的各个不同方位上驻留并测量雷达各天线通道所接收到应答信号的幅度，结合船只上GPS (全球定位系统)设备记录下的经纬度坐标，计算出天线方向图[2]。在这种方法中，接收到的应答信号表现为由用户选择的延时时间对应距离上的虚拟点目标回波。应答器需要接收和延时转发功能，为减少使用应答器而产生的额外成本，中国专利公开号为CN 100501425C、发明名称为高频线性调频雷达方向图测量方法的专利，公开了在便携式高频地波雷达中使用独立的单频信标发射装置代替应答器来进行远场测量的方法[3]，单频信号通过高频线性调频雷达接收机，在距离-多普勒谱上产生平行于距离轴分布的条带，因此对不存在海洋回波信号或海洋回波能量非常弱的距离段进行积分，可以计算出相应的信标强度。各个天线通道上信标的幅度结合对应时刻的船只方位，即可计算出方向图。上述两种方法均能有效地测得实际天线方向图，且可在雷达正式观测前或者观测时在线进行，然而，实际测量方式都使系统设备的复杂度和成本增加，且测量要受时间、天气和地形等因素的限制，不能及时自动跟踪环境的变化(如在天线附近的新修建筑、新长成树木等)。显然，更加理想的方法是通过软计算直接从海洋回波数据中自动估计出天线方向图。参考文献[1]D. E. Barrick and B. J. Lipa, “Using Antenna Patterns to Improve theQuality of SeaSonde HF Radar Surface Current Maps,，，Current Measurement, 1999.Proceedings of the IEEE Sixth Working Conference on, Mar. 1999, 5-8.[2]CODAR Ocean Sensors Ltd. ,User，s guide for SeaSonde Radial SiteAntenna Pattern Measurement (APM), 2001.
发明内容
本发明的目的是提供一种高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，以去除天线方向图对任何合作信标装置的依赖，降低高频地波雷达的系统复杂度和运行成本。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案一种高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，包括步骤
SI、在雷达回波信号中选择高于某预设信噪比的单到达角回波信号谱点；S2、利用各所选单到达角回波信号谱点的幅度比和到达角对当前天线方向图进行修正得到修正后的天线方向图，所述的幅度比为谱点在各天线上的幅度相对于在参考天线上幅度的比值，所述的当前天线方向图的初始值为理想天线方向图；S3、判断修正后的天线方向图相对于当前天线方向图是否收敛，若收敛，则修正后的天线方向图即为所得的相对天线方向图；否则，以修正后的的天线方向图为当前天线方向图，重复执行步骤S2。上述步骤SI中，采用特征值最陡下降准则判断雷达回波信号中各谱点的信号源个数，筛选出单到达角谱点。上述步骤S2中，利用各单到达角回波信号谱点的幅度比和到达角对当前天线方向图进行修正具体包括子步骤S2-1计算各所选单到达角回波信号谱点在各天线上相对于参考天线的幅度比，并采用定向算法、根据当前天线方向图计算出各所选单到达角回波信号谱点的到达角；所述的定向算法为多重信号分类算法；S2-2将雷达覆盖区张角均匀划分为以预设角度为间隔的张角网格，对张角网格中的每个角度Q搜索到达角落入角度Q邻域的所选单到达角回波信号谱点，计算角度Q邻域中所有所选单到达角回波信号谱点的幅度比中值g;S2-3根据单到达角谱点的幅度比中值I、按照公式C⑶=(I-/他丨"[\d) + Pg对当前天线方向图进行修正，其中，P为学习速率，0< P < I,#",(的为当前天线方向图，#”(妁为修正后的天线方向图。上述步骤S3中，利用# =3#(巧-C|2 Sr判断修正后的天线方向图是
否相对于当前天线方向图收敛，若满足上式，则收敛，其中，Q是雷达覆盖区张角网格的网格点总数，Y是预设的收敛判决阈值，为当前天线方向图，奶为修正后的天线方向图，Aw为n (外和(的之间的均方误差。在高频地波雷达接收的接收信号中，海洋回波信号主要由海浪散射信号和船只回波组成，其中布拉格(Bragg)散射效应产生的一阶峰能量占主要地位。Bragg散射频率fB =QAQl^Tn，其中，fB以Hz为单位，f0是雷达工作频率，以MHz为单位。由于海洋表面存
在流场，各散射单元还存在由径向流速V导致的多普勒频移/ 二芊，这里\是雷达电波波
/I长。在同一距离元上，由宽波束天线接收到的一阶峰区多普勒分布由该距离元各方位流速剖面决定，每个谱点可能来自于I个或多个到达角，且角度取值可以是雷达电波覆盖区内的任意方位，这样就使通过海洋回波的幅度和方位来估计方向图成为可能。本发明可行的原因还在于(1)在依赖天线方向图的定向算法(如多重信号分类算法，MUSIC)中使用更接近实际天线方向图的方向图，能够获得更优的到达角估计性能；(2)强一阶峰区谱点及其他区域强船只回波谱点的到达角可以是雷达照射区域内的任意角度，即所有角度都有机会接收到用作计算方向图的强回波信号；(3)海流自身的特性决定了在大部分情况下同一距离元上径向流速分布形式较为简单，各个一阶区多普勒谱点只对应一个到达角，而船只回波谱点通常也只有一个到达角。因此，利用筛选出的来自单到达角的强回波谱点(即本发明中高于某预设信噪比的回波信号谱点)就能够采用递推的方式来自动估计出天线方向图。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果I、本发明完全采用软计算的方式从雷达接收海洋回波中自动估计出天线方向图，避免了因使用任何额外的信标设备、GPS和船只等导致的系统复杂度和成本的增加；2、本发明的天线方向图自动估计方法收敛速度快，完成计算所需的回波数据时间通常不超过2小时；3、本发明可以有效降低高频地波雷达的系统复杂度和成本，使工作效率大为提闻。
具体实施例方式本发明的关键在于，在高频地波雷达中使用依赖于天线方向图的定向算法对所选的单到达角回波信号谱点进行定向得到各谱点的到达角估值，利用各谱点的到达角估值及其幅度比来递推估计出各天线相对于参考天线的相对方向图。上述幅度比为谱点在各天线上的幅度相对参考天线幅度的比值。单极子/交叉环三元天线阵列是便携式高频地波雷达常用的天线，其由一个单极子天线和2个环天线构成，下面将以单极子/交叉环三元天线阵列为例对本发明方法作详细说明。首先，以定向算法中的多重信号分类法(MUSIC)为例，来说明对各单到达角回波信号谱点进行定向得到到达角估值过程。对于某一单到达角回波信号谱点a，单极子/交叉环三元天线阵列的输出信号向量x(t)为x (t) = a ( 0 ) s (t) +n (t)(I)其中，x(t) = [X1 (t), X2 (t), x3(t)]T,Xi(t)是序号为 i 的天线上的接收信号，i = I, 2, 3,t为时间变量；s(t)是单到达角回波信号谱点a的入射信号，其到达角为9 a ；a ( 0 ) = Ea1 ( 0 )，a2 ( 0 )，a3 ( 0 ) ]T是阵列导引向量，％ ( 0 )是序号为i的天线的方向图，e表示高频地波雷达探测区域任意的方位，是天线方向图的自变量，i = 1,2,3；n(t)是噪声向量，t为时间变量；上标T表示求转置运算。、
天线阵列输出信号向量x(t)的空间自相关矩阵的最大似然估计Rxx为
权利要求
1.一种高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，其特征在于，包括步骤 51、在雷达回波信号中选择高于某预设信噪比的单到达角回波信号谱点；
2.根据权利要求I所述的高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，其特征在于 步骤SI中，采用特征值最陡下降准则判断雷达回波信号中各谱点的信号源个数，筛选出单到达角谱点。
3.根据权利要求I所述的高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，其特征在于 步骤S2中，利用各单到达角回波信号谱点的幅度比和到达角对当前天线方向图进行修正进一步包括子步骤 S2-1计算各所选单到达角回波信号谱点在各天线上相对于参考天线的幅度比，并采用定向算法、根据当前天线方向图计算出各所选单到达角回波信号谱点的到达角； S2-2将雷达覆盖区张角均匀划分为以预设角度为间隔的张角网格，对张角网格中的每个角度0搜索到达角落入角度
4.根据权利要求I所述的高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，其特征在于 步骤S3中，利用
全文摘要
本发明提供了一种高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法，步骤为在雷达回波信号中选择高于某预设信噪比的单到达角回波信号谱点；利用各所选单到达角回波信号谱点的幅度比和到达角对当前天线方向图进行修正得到修正后的天线方向图；判断修正后的天线方向图相对于当前天线方向图是否收敛，若收敛，则修正后的天线方向图即为所得的天线方向图；否则，以修正后的天线方向图为当前天线方向图，重复修正步骤。本发明方法完全用软计算的方式从雷达回波信号中估计出各天线方向图，摒弃了传统的采用额外应答器或信标设备的测量方式，大大降低了高频地波雷达系统的复杂度和运行成本。
文档编号G01S7/40GK102707270SQ20121020007
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者周浩, 文必洋 申请人:武汉大学