CN104020455A - 一种基于直达波的天地波阵列校准方法 - Google Patents
一种基于直达波的天地波阵列校准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于直达波的天地波阵列校准方法,包括如下步骤:步骤1,发射设备发射探测信号,多通道接收设备同步接收探测信号,得到接收信号;步骤2,对步骤1所得的接收信号进行脉压,得到A型谱;步骤3,对步骤2所得的A型谱进行相干积累,得到距离多普勒谱;步骤4,对步骤3所得的距离多普勒谱进行搜索、检测,得到直达波信号;步骤5,利用步骤4所得的直达波信号,进行幅相校准,得到通道的校准系数。本发明所公开的基于直达波的天地波阵列校准方法,利用直达波进行天线校准,不需要额外的校准源,精确稳定,方法简单,运算量小,节约了雷达研制和维护费用。解决了天地波雷达的阵列校准问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高频天地波雷达阵列校准方法,特别是一种基于直达波的天地波阵列校准方法。
背景技术
高频天地波雷达是一种新型的高频超视距雷达,其采用天波发射、地波接收的工作方式,发射站位于内地,接收站位于沿海,接收端使用有源相控阵,必须对其幅相误差进行校准。由于接收站处于海边,不易布置专门的校准源,常规的有源校准难以实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于直达波的天地波阵列校准方法。
本发明采用如下技术方案:
一种基于直达波的天地波阵列校准方法,其改进之处在于,包括如下步骤:
步骤1,发射设备发射探测信号,多通道接收设备同步接收探测信号,得到接收信号;
步骤2,对步骤1所得的接收信号进行脉压,得到A型谱;
步骤3,对步骤2所得的A型谱进行相干积累,得到距离多普勒谱;
步骤4,对步骤3所得的距离多普勒谱进行搜索、检测,得到直达波信号;
步骤5,利用步骤4所得的直达波信号,进行幅相校准,得到通道的校准系数。
优化的,步骤1中所述的探测信号,包括多个重复的脉冲;所述脉冲具有图钉型混叠函数;所述脉冲具有相同的初始相位。
优化的,步骤2中所述的A型谱,包含直达波信号的距离元为N=P/ΔR,
P为电波从发射设备传播到接收设备的群距离,D <P<D+50km,D为收发站间距,
ΔR为距离分辨率。
优化的,步骤3中所述的距离多普勒谱,包含直达波信号的距离元仍为N,
包含直达波信号的多普勒频率元为M=fd/Δfd,
fd为电离层造成的多普勒频偏,绝对值小于1Hz,
Δfd为多普勒分辨率。
优化的,步骤4中所述的搜索处理,搜索的距离元范围为Nmin至Nmax,Nmin= D/ΔR,Nmax= (D+50km)/ΔR,搜索的多普勒频率元范围为Mmin至Mmax,Mmin= -1Hz /Δfd,Mmax= 1Hz /Δfd,该范围即为(N, M)可能出现的区域;
步骤4中所述的检测处理,检测量为信噪比,检测门限为40dB,
步骤4中所述的直达波信号是所述距离多普勒谱中的最强点,信号强度高出背景噪声40dB以上,n个通道获得的所述的直达波信号表示为复矢量S=[S0 S1 … Sn-1],S0=R0+jI0,S1=R1+jI1 … Sn-1=Rn-1+jIn-1,R表示实部,I表示虚部;S放映了通道间的差异。
优化的,步骤5中所述的幅相校准以第1通道为基准,
步骤5中所述的校准系数表示为复矢量E=S./A/S0=[1 S1/a1/S0 … Sn-1/an-1/S0],A=[1 a1 … an-1]为导向矢量,接收数据除以校准系数即可获得通道一致性。
优化的,步骤1中所述的探测信号可采取线性调频连续波,脉冲重复周期为20ms,脉冲宽度为19ms,占空比接近100%,调频带宽40kHz,脉压后脉冲宽度约25us,连续发射1024个脉冲,持续工作时间约20s。
优化的,校准以第1通道为基准。
本发明的有益效果在于:
本发明所公开的基于直达波的天地波阵列校准方法,利用直达波进行天线校准,不需要额外的校准源,精确稳定,方法简单,运算量小,节约了雷达研制和维护费用。解决了天地波雷达的阵列校准问题。
附图说明
图1是直达波信号的传播示意图;
图2是本发明实施例1所公开的基于直达波的天地波阵列校准方法的流程示意图;
图3是典型的天地波距离多普勒谱图;
图4是本发明实施例1所公开的接收阵列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
雷达的有用信号是指从发射站出发,先经电离层反射,然后经海面绕射的天地波信号。除此外,还存在经电离层反射后直接到达接收机的信号,即直达波信号。天地波雷达在起始距离元可收到强烈的直达波。
直达波是从发射设备经过天波信道直接进入接收设备的电磁波,具有很强的信噪比;经过脉压和相干积累后,直达波会在零频附近形成一个强烈的峰,通过对雷达频谱进行搜索,可检测出直达波信号,比较各通道直达波信号可得到幅相差异。
实施例1,本实施例公开了一种基于直达波的天地波阵列校准方法,包括以下步骤:步骤1,发射设备发射探测信号,多通道接收设备同步接收探测信号,得到接收信号;步骤2,对步骤1所得的接收信号进行脉压,得到A型谱;步骤3,对步骤2所得的A型谱进行相干积累,得到距离多普勒谱;步骤4,对步骤3所得的距离多普勒谱进行搜索、检测,得到直达波信号;步骤5,利用步骤4所得的直达波信号,进行幅相校准,得到通道的校准系数。后4步为信号处理过程。其中,第2、3步为积累过程,实质是通过匹配滤波使直达波信号的能量在距离和多普勒构成的二维空间中更加集中,增加信号的信噪比。第4步通过搜索和检测将直达波信号提取出来。最后利用提取出来的直达波数据计算校准系数。
步骤1中所述的探测信号,与天地波雷达的正常工作信号没有区别,包括多个重复的脉冲。所述脉冲具有图钉型混叠函数,在脉压后不会产生过高旁瓣。为实施相干积累,所述脉冲具有良好的相干性,即每个脉冲具有相同的初始相位。
步骤2逐个脉冲地处理数据,通过脉压获得A型谱,每个脉冲得到一幅A型谱。脉压处理使接收信号的能量在距离维上更加集中。A型谱表征回波能量随距离变化的关系。A型谱中,包含直达波信号的距离元为N=P/ΔR。其中,P为电波从发射设备传播到接收设备的群距离,ΔR为距离分辨率。P满足关系D <P<D+50km,D为收发站间距。
步骤3积累多幅A型谱,得到距离多普勒谱。相干积累使接收信号的能量在多普勒维更加集中。距离多普勒谱包含了距离和多普勒信息,表征回波能量在距离和多普勒平面的二维分布。距离多普勒谱包含直达波信号的距离元仍为N,包含直达波信号的多普勒频率元为M=fd/Δfd。其中,fd为电离层造成的多普勒频偏,绝对值小于1Hz;Δfd为多普勒分辨率。
步骤4在距离多普勒谱中进行二维搜索、检测处理。搜索的距离元范围为Nmin至Nmax,Nmin= D/ΔR,Nmax= (D+50km)/ΔR;搜索的多普勒频率元范围为Mmin至Mmax,Mmin= -1Hz /Δfd,Mmax= 1Hz /Δfd;该范围即为(N, M)可能出现的区域。搜索过程中,对每个考察单元进行恒虚警检测。检测量为信噪比,检测门限为40dB。检测依据为:直达波信号是所述距离多普勒谱中的最强点,信号强度高出背景噪声40dB以上。在存在直达波信号的情况下,每个通道都可检测出一个最强点,且其坐标相同,其值为复数。该复数的模表征直达波信号的强度,相位表征直达波信号的相位。n个通道获得的所述的直达波信号表示为复矢量S=[S0 S1 … Sn-1]。其中,S0=R0+jI0,S1=R1+jI1 … Sn-1=Rn-1+jIn-1,R表示实部,I表示虚部。S放映了通道间的差异。
步骤5中利用S进行通道的幅相校准。优选的,校准以第1通道为基准。根据波束形成原理,校准系数表示为复矢量E=S./A/S0=[1 S1/a1/S0 … Sn-1/an-1/S0]。其中,A=[1 a1 … an-1]为导向矢量,是与阵列形状和直达波到达角相关的量。假如接收阵列为间距为d的均匀线阵,工作波长为λ,d<λ/2,直达波方向与阵列法向夹角为θ,忽略其俯仰角,则A=[1 a … an-1]。其中,a=exp(j*2π*dsinθ/λ)。接收数据除以校准系数即可获得通道一致性。
具体的说,如图1所示,天地波雷达接收站R位于海边,发射站T位于距接收站800km的内陆。雷达信号是指从发射站T出发,先经电离层I反射,然后经海面S绕射到达接收机R的天地波信号TISR。除此外,还存在经电离层I反射后直接到达接收机R的信号,即直达波信号TIR。天地波雷达在起始距离元可收到强烈的直达波。本发明利用直达波进行天线校准。
如图2所示,校准方法包括以下步骤:步骤1,发射设备发射探测信号,多通道接收设备同步接收探测信号,得到接收信号;步骤2,对步骤1所得的接收信号进行脉压,得到A型谱;步骤3,对步骤2所得的A型谱进行相干积累,得到距离多普勒谱;步骤4,对步骤3所得的距离多普勒谱进行搜索、检测,得到直达波信号;步骤5,利用步骤4所得的直达波信号,进行幅相校准,得到通道的校准系数。后4步为信号处理过程。
步骤1中所述的探测信号,包括多个重复的脉冲。所述脉冲具有图钉型混叠函数。所述脉冲具有良好的相干性。作为一种优选方案,可采取线性调频连续波。脉冲重复周期为20ms,脉冲宽度为19ms,占空比接近100%,调频带宽40kHz,脉压后脉冲宽度约25us,连续发射1024个脉冲,持续工作时间约20s。
接收信号首先通过脉压获得A型谱,表征回波能量随距离变化的关系。直达波信号的距离元为N=P/ΔR。其中,P为电波从发射设备传播到接收设备的群距离,ΔR为距离分辨率。P满足关系D <P<D+50km,D为收发站间距。接收机采样率为51.2kHz时,距离分辨率ΔR为5.86km,根据公式,直达波信号在136到145个距离元之间。按步骤2逐个脉冲处理数据,每个脉冲得到一幅A型谱,共得到1024幅A型谱序列。
步骤3对A型谱进行相干积累,得到距离多普勒谱,表征回波能量在距离和多普勒平面的二维分布。直达波信号的多普勒频率元为M=fd/Δfd。其中,fd为电离层造成的多普勒频偏,绝对值小于1Hz;Δfd为多普勒分辨率,为积累时间的倒数,本例中为0.05Hz。通常稳定电离层的多普勒频偏不会超过0.3Hz,剧烈变化时也很难达到1Hz。因此直达波集中在零频附近。典型的天地波距离多普勒谱如图3所示。
步骤4在距离多普勒谱中进行二维搜索、检测处理。搜索的距离元范围为Nmin至Nmax,Nmin= D/ΔR,Nmax= (D+50km)/ΔR;搜索的多普勒频率元范围为Mmin至Mmax,Mmin= -1Hz /Δfd,Mmax= 1Hz /Δf。搜索过程中,对每个考察单元进行恒虚警检测。本实施例中搜索范围为:距离元136到145,多普勒频率元-20到20。检测依据为:直达波信号是所述距离多普勒谱中的最强点,信号强度高出背景噪声40dB以上。
如图4所示,本实施例采用8通道***,使用8元接收阵列。8个通道获得的所述的直达波信号表示为复矢量S=[S0 S1 … S7]。S放映了通道间的差异。步骤5中利用S进行通道的幅相校准。优选的,校准以第1通道为基准。根据波束形成原理,校准系数表示为复矢量E=S./A/S0=[1 S1/a1/S0 … S7/a7/S0]。其中,A=[1 a1 … a7]为导向矢量。是与阵列形状和直达波到达角相关的量。阵列为间距为8m的均匀线阵,工作波长为30m,直达波方向与阵列法向夹角为θ=0°,忽略其俯仰角,则A=[1 1 … 1],公式简化为E= [1 S1 /S0 … S7/ S0]。接收数据除以校准系数即可获得通道一致性。
本实施例所公开的基于直达波的天地波阵列校准方法,利用直达波进行天线校准,不需要额外的校准源,精确稳定,方法简单,运算量小,节约了雷达研制和维护费用。解决了天地波雷达的阵列校准问题。
Claims (8)
1.一种基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,发射设备发射探测信号,多通道接收设备同步接收探测信号,得到接收信号;
步骤2,对步骤1所得的接收信号进行脉压,得到A型谱;
步骤3,对步骤2所得的A型谱进行相干积累,得到距离多普勒谱;
步骤4,对步骤3所得的距离多普勒谱进行搜索、检测,得到直达波信号;
步骤5,利用步骤4所得的直达波信号,进行幅相校准,得到通道的校准系数。
2.根据权利要求1所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:
步骤1中所述的探测信号,包括多个重复的脉冲;所述脉冲具有图钉型混叠函数;所述脉冲具有相同的初始相位。
3.根据权利要求2所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:
步骤2中所述的A型谱,包含直达波信号的距离元为N=P/ΔR,
P为电波从发射设备传播到接收设备的群距离,D <P<D+50km,D为收发站间距,
ΔR为距离分辨率。
4.根据权利要求3所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:
步骤3中所述的距离多普勒谱,包含直达波信号的距离元仍为N,
包含直达波信号的多普勒频率元为M=fd/Δfd,
fd为电离层造成的多普勒频偏,绝对值小于1Hz,
Δfd为多普勒分辨率。
5.根据权利要求4所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:
步骤4中所述的搜索处理,搜索的距离元范围为Nmin至Nmax,Nmin= D/ΔR,Nmax= (D+50km)/ΔR,搜索的多普勒频率元范围为Mmin至Mmax,Mmin= -1Hz /Δfd,Mmax= 1Hz /Δfd,该范围即为(N, M)可能出现的区域;
步骤4中所述的检测处理,检测量为信噪比,检测门限为40dB,
步骤4中所述的直达波信号是所述距离多普勒谱中的最强点,信号强度高出背景噪声40dB以上,n个通道获得的所述的直达波信号表示为复矢量S=[S0 S1 … Sn-1],S0=R0+jI0,S1=R1+jI1 … Sn-1=Rn-1+jIn-1,R表示实部,I表示虚部;S放映了通道间的差异。
6.根据权利要求5所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:
步骤5中所述的幅相校准以第1通道为基准,
步骤5中所述的校准系数表示为复矢量E=S./A/S0=[1 S1/a1/S0 … Sn-1/an-1/S0],A=[1 a1 … an-1]为导向矢量,接收数据除以校准系数即可获得通道一致性。
7.根据权利要求6所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:步骤1中所述的探测信号可采取线性调频连续波,脉冲重复周期为20ms,脉冲宽度为19ms,占空比接近100%,调频带宽40kHz,脉压后脉冲宽度约25us,连续发射1024个脉冲,持续工作时间约20s。
8.根据权利要求7所述的基于直达波的天地波阵列校准方法,其特征在于:校准以第1通道为基准。
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