基于回波谱建立特征值概率统计模型及天线自检的方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及海洋科学技术领域，特别是基于回波谱建立特征值概率统计模型及天 线自检的方法。
【背景技术】
[0002] 高频地波雷达向海面发射电磁波，通过接收海面反射回来的回波，利用傅里叶变 换、多重信号分类法和主成分分析法等算法处理，实现海面动力环境（浅表流场、低空风场 和浪场）和海上目标环境信息的探测；高频地波雷达主要工作在（3MHZ-30MHZ)的短波频 段，利用短波的绕射特性，可以获取海平面以下的目标信息，实现超视距探测；近年来随着 计算机软件、硬件技术的发展，高频地波雷达在浅表海流探测精度方面已满足业务探测要 求，在风、浪探测方面也取得较快的进步，高频地波雷达凭借探测距离远、时空连续等特点， 逐步得到应用单位、科研人员的关注。
[0003]高频地波雷达（阵列式）由发射机、信号机、工控机和天线组成，如图1所示，其中 高频地波雷达（阵列式）的天线由发射天线和多根接收天线组成，高频地波雷达利用接收 天线接收信号的相位信息实现目标信号的方位测量，即相控阵技术，因此多根接收天线工 作状态是否正常，直接关系到后续资料的质量及数据处理结果的准确性。整个高频地波雷 达系统在架设前，已完成系统的测试和检定，保障系统的正确性，但高频地波雷达的工作环 境都是布设在海边，特别是架设在外面的天线部分，由于长期受到海风、海盐、温差的影响， 会对接收天线结构、电路板连接是否通畅造成影响，严重情况下，可能导致接收天线电路接 触不良或无法接收信号，因此需要定期检查天线工作状态，保障天线运行正常。高频地波雷 达天线检测采用定期巡检的方式，和值班人员定时观测的方式，这两种检测方式一方面消 耗大量的人力成本，造成工作效率低下，另一方面并不能及时检测到天线是否工作正常，造 成数据的不连续，给整个系统运行的可靠性带来严重的影响，因此急需一种可以实现天线 自动检测的技术，及时提供警报信息。目前暂未见国内外关于高频地波雷达天线自检技术 的报道。
[0004] 申请内容
[0005] 本申请要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供基于回波谱建立特 征值概率统计模型及天线自检的方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：
[0007] -种基于回波谱建立特征值概率统计模型的方法，包括以下步骤：
[0008] 第一步，采集高频地波雷达接收的回波信号中的距离谱、多普勒谱和噪声谱；
[0009] 第二步，采用PCA算法提取第一步中所述的距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征值；
[0010] 第三步，根据第二步中得到的距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征值，建立特征值概 率统计模型。
[0011] 所述第三步中特征值概率统计模型为高斯模型。
[0012] 所述第二步中包括以下步骤：
[0013]I)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的协方差矩阵，该协方差矩阵为m阶 Hermitain矩阵；
[0014] 2)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征分解结构；
[0015] 3)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的主成分线性子空间和特征值矩阵。
[0016] 所述第三步中包括以下步骤：
[0017] 1)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征值所对应样本集合的平均值；
[0018] 2)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征值所对应样本集合的标准方差；
[0019] 3)、根据距离谱的特征值、平均值、标准方差建立距离谱的高斯模型；
[0020] 根据多普勒谱的特征值、平均值、标准方差建立多普勒谱的高斯模型；
[0021] 基于回波谱特征值概率统计模型进行天线自检的方法，包括以下步骤：
[0022] 第一步，设定天线接收回波信号中的距离谱、多普勒谱和噪声谱的阈值，分别记为 eE) eD) ￡ N；
[0023] 第二步，采集一段时间内回波信号中的距离谱、多普勒谱和噪声谱，并提取其特征 值；
[0024] 第三步，根据特征值概率统计模型，分别计算出第二步中各个特征值的概率值；第 四步，将同一时间段内得到的多个距离谱特征值的概率值求积，将其乘积记为Pk;
[0025] 将同一时间段内得到的多个多普勒谱特征值的概率值求积，将其乘积记为Pd;
[0026] 将同一时间段内得到的多个噪声谱特征值的概率值求积，将其乘积记为Pn;第五 步，将第四步中的距离谱特征值概率乘积、多普勒普特征值概率乘积和噪声谱特征值概率 乘积分别与第一步中的阈值进行比较，若PK>eK，PD>eD，PN>eN同时满足，则天线正 常，否则天线异常。
[0027] 所述基于回波谱特征值概率统计模型进行天线自检的方法第二步中包括以下步 骤：
[0028]1)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的协方差矩阵；
[0029] 2)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征分解结构；
[0030] 3)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的主成分线性子空间和特征值矩阵。
[0031] 所述基于回波谱特征值概率统计模型进行天线自检的方法第三步中包括以下步 骤：
[0032]1)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征值所对应样本集合的平均值；
[0033] 2)、分别计算距离谱、多普勒谱及噪声谱的特征值所对应样本集合的标准方差；
[0034] 3)、根据距离谱的特征值、平均值、标准方差建立距离谱的高斯模型；
[0035] 根据多普勒谱的特征值、平均值、标准方差建立多普勒谱的高斯模型；
[0036] 根据噪声谱的特征值、平均值、标准方差建立噪声谱的高斯模型；
[0037] 4)、将距离谱、多普勒谱和噪声谱的特征值代入各自的高斯模型中，分别计算出距 离谱、多普勒谱和噪声谱特征值的概率值。
[0038] 本申请采用上述方案后具有如下技术效果：
[0039]本申请根据高频地波雷达实际运行过程工作经验的总结，结合计算技术和软件技 术，利用接收回波特征，实现天线自检功能，减少人力成本，提高资料连续性，保障系统运行 的稳定性和可靠性。
【附图说明】
[0040] 图1是本申请所述的高频地波雷达系统工作图；
[0041] 图2是本申请基于回波谱的特征建立特征值概率统计模型及天线自检方法的流 程图；
[0042] 图3是本申请所述正常的实测距离谱；
[0043]