CN107607919B - 一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法。安装在浮标基或者船基平台的高频地波雷达工作时，将其它岸基组网雷达站的直达波作为辅助源，利用平台在海平面的艏摇运动来间接实现旋转测量法从而得到天线方向图，即利用浮标船上姿态方位组合导航***得到艏摇运动姿态，找到覆盖0°~360°变化的艏摇角时间段，根据该时间段内浮标基或者船基雷达的接收天线收到直达波幅度和相位变化，采用最小平方误差准则约束幅度、相位畸变并归一化后便得到接收天线的幅度方向图和相位方向图。本发明在不增加任何成本的情况下得到浮标基或者船基平台的雷达天线方向图，大大降低了高频地波雷达***的复杂度和运行成本。

Description

一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法

技术领域

本发明涉及一种浮标基或者船基高频地波雷达接收天线方向图测量的新方法。

背景技术

高频地波雷达是一种利用高频电磁波沿着地球表面绕射来探测距离目标的新型雷达，具有探测距离远、反隐身，能探测海洋表面状态等突出特点，具有很大的发展潜力。将高频地波雷达部署在海面平台，如浮标、舰船等，通过自发自收以及岸发船收等方式工作，突破了海岸线复杂的地形地貌限制，一方面能够实现平台周边海域的探测，另一方面其灵活部署的特点能够为网络化探测提供更多有效的探测节点。然而，浮标、舰船是拥有众多通信和无线导航***的复杂平台，其电磁环境异常复杂，金属结构对天线性能的影响以及电磁兼容性问题的计算都是非常复杂的，其雷达接收天线并不像岸基雷达的接收天线那样接近理论的方向图，而是在各个方向上有着很强的各向异性，因此，浮标基或者船基高频地波雷达为了进行准确的方位测量，必须首先完成天线方向图的测量。

传统的天线方向图测量方法一般包括旋转天线法和固定天线法，它们都需要配置旋转平台和一些配套设备，这对于安装于浮标或者船上的高频地波雷达来说，测量要受到时间、天气和平台等因素的限制，非常不方便而且成本很高。而另一方面，由于浮标或者舰船在海洋会受到风浪流的影响产生艏摇运动，海平面对于接收天线相当于一个“旋转平台”(如图3所示)。因此，考虑利用这种旋转平台来完成雷达接收天线方向图的测量。

发明内容

针对这个问题，本发明提出了一种浮标基或者船基高频地波雷达接收天线方向图测量的新方法，将基于分布式组网技术原理上的其它岸基高频地波雷达站的直达波作为辅助源，利用平台在海平面的艏摇运动来间接实现旋转测量法从而得到天线方向图。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法，安装在浮标基或者船基平台的高频地波雷达接收天线工作时，利用平台在海平面的艏摇运动这一“天然的旋转平台”，间接实现“旋转天线法”这一测量方法；具体包括以下步骤：

步骤S1、通过姿态方位组合导航***得到浮标艏摇运动的艏摇角消息；

步骤S2、找到覆盖0°到360°范围的艏摇角，并找到相应的时间段；

步骤S3、在相应的时间段找到浮标基高频地波雷达接收其他岸基雷达站的直达波信息；

步骤S4、求得各个方向上直达波的幅度和相位大小，利用最小平方误差准则得到天线方向图。

所述步骤S1中，利用浮标上姿态方位组合导航***，能够实时得到浮标的艏摇角信息；

本发明利用了船上通常安装的姿态方位组合导航***，所述姿态方位组合导航***是测量浮标或船的运动姿态和方位的***；姿态方位导航***作为高精度动态海洋测量仪器，能够测量浮标的横滚或横摇运动(Roll)、纵摇运动(Pitch)、艏摇运动(Yaw/Heading)、经纬度(Longitude and Latitude)、高度(Altitude)等参量，其中艏摇运动是指浮标围绕着垂直轴在海平面做旋转运动；

所述姿态方位组合导航***包括GPS天线、天线馈线、数据电源线缆和主机；主机包括GPS接收机、陀螺仪和加速度计和嵌入式计算机；其中主机预留出前天线和后天线和37芯航空插座三个对外接口；

所述姿态方位组合导航***通过GPS天线前天线和后天线接收导航定位信号，主机的嵌入式计算机控制陀螺仪和加速度计接收浮标的运动姿态给GPS接收机，然后GPS接收机通过航空插座输出定位姿态数据(比如艏摇角数据)通过外接计算机的串口传输到外接计算机存储，在此传输过程中外接计算机配备了上位机软件即专门的姿态采样软件(或姿态采样程序)，该姿态采样软件每0.1秒获取传输到外接计算机的包含艏摇角(一般定义为正北方向顺时针旋转到浮标船艏方向的夹角)信息的姿态数据，姿态数据存储文件的格式采用xml文件格式，保证了某一次采样中丢失数据但是并不影响下一次的采样以保证文件数据的有效性。

所述步骤S3中，利用基于时间同步技术的分布式高频地波雷达组网技术原理(简称分布式组网技术)，其他岸基雷达站发射的信号存在不经海洋散射而被浮标雷达站直接接收的直达波作为待测天线信源；

分布式组网技术是指构建若干部具有“多发多收”工作模式的岸基和浮标基或者船基高频地波雷达海洋环境监测示范网，整个雷达***利用GPS组网同步工作，并且采用了能够同时接收多站雷达发射信号的方法，即对各站发射信号采用频率偏置和相位偏置的方法，实现了在回波的距离谱和多普勒谱上的搬移，使得在回波的距离谱和多普勒谱上能够区分和提取各站发射信号的回波。

所述步骤S3包括以下处理过程：

岸基雷达站-他站和浮标雷达站-本站发射线性调频中断连续波FMICW,两站发射波形是一样的，只是发射信号提前发射时间Δt的不同导致发射信号频率偏置的不同，从而达到回波信号距离谱上的距离偏置不同以便区分各个发射站的发射信号；岸基雷达站-他站发射信号为：

S_T(t)＝S(t-Δt)g(t-Δt)

S_T(t)＝cos[2πf₀(t-Δt)+πα(t-Δt)²]g(t-Δt)

其中，线性调频信号S(t)＝cos(2πf₀t+παt²)，发射信号门控脉冲信号g(t)：

其中

其中，f₀为雷达工作频率，T₀为脉冲脉宽，q为脉冲周期，P为扫频周期T内脉冲周期数，

B为发射波形带宽，T为扫频周期，α为扫频速率，Δt为发射波形提前发射时间；

本站接收信号忽略衰减系数为S_R(t)＝S_T(t-τ)(1-g(t-Δt))，与本振信号相乘再经过低通滤波器，得到中频基带信号S_I(t)；低通滤波去除了脉冲调制，使得基带信号成为连续波；

S_I(t)＝lowpass{S_R(t)·S_T(t)}

S_I(t)＝cos[2πf₀(t-τ)+πα(t-τ)²]

其中t时刻的接收时延

r为目标的实际距离，v为目标的速度，c为光速，基带信号的瞬时相位为

基带信号的瞬时频率f_n

上述公式f_n第一项由目标实际距离r和给定的距离偏置r₀引起，其中距离偏置r₀是由提前发射时间Δt得到的，第二项由目标的速度引起，第三项远远小于前两项；

得到的基带信号经过A/D转换，经第一次傅里叶变换得到离散距离谱，m为距离维上的离散频率，R(m)＝FFT(S_I(t))；将每一个扫频周期内的距离谱作为一行，R(m)写成R(l,m)则连续l_max个扫频周期内的距离谱可以组成一个l_max×m_max矩阵X，m_max为最大距离。

分析每一行的相位随着扫频周期数变化的规律，第l个扫频周期内目标距离r_l＝r+r₀+v(l-1)T，第l个扫频周期内的基带信号相位为

连续两个相邻扫频周期内的相位差为

上述l_max×m_max矩阵X以第一次扫频周期的数据作为基准，可以近似表示如下：

对上述的每一列进行第二次FFT可以得到与速度对应的速度谱-多普勒谱)，Y(m,l)＝FFT{FFT(S_I(t))}得到每个距离元的速度谱，m为距离维上的离散频率,l为速度维上的离散频率；

目标在距离谱上出现的频率为在多普勒谱上出现的频率为

由于浮标本身也在运动，积累的多普勒谱会出现展宽，根据在距离谱上出现的频率

找到岸基雷达站的直达波信号；r_D为岸基雷达站与浮标基雷达站的距离，r₀如上述表示为岸基发射站发射信号的距离偏置。

所述步骤S4利用最小平方误差准则得到接收天线方向图的最优解；由于海平面毕竟不同于一般简单的旋转平台，是一个很复杂的旋转平台，浮标基或者船基上的天线在海平面上每一个方位实际上接收的直达波会有若干个幅度和相位，本发明找到每个方位上直达波信号幅度和相位的最优解，本发明得到的幅度方向图和相位方向图可以进行阵列流型校正以便利用空间谱技术进行更好地精确估计目标的来波方向；具体包括以下处理过程：

根据每个方位上得到的直达波信号，按照方位从0°到360°的排列顺序，得到对应直达波的幅度和相位；由于一个方位可能会有若干个幅度和相位有差别的直达波，这时候需要利用最小平方误差准则加以约束，找到使得满足下列公式幅度和相位畸变达到最小的直达波相位和幅度；各个方向上直达波幅度的最小平方误差准则如下：

其中，第i根天线直达波的幅度Amp(i)，总共八根接收天线，其中一根天线为参考天线，参考天线RefAnt的幅度为Amp(RefAnt)；而直达波相位的最小平方误差准则如下：

其中，第i根天线直达波的相位值为Phase(i)，参考天线RefAnt的相位为Phase(RefAnt)，InherPha(i)为由于第i个天线和参考天线位置不同造成的固有相位差；

利用上述最小平方误差准则得到各根天线i在各个方向上接收直达波的幅度和相位的最优解AmpOp(i)和PhaseOp(i)；根据公式

A(i)＝AmpOp(i)/AmpOp(RefAnt)

P(i)＝PhaseOp(i)-PhaseOp(RefAnt)-InherPha(i)

得到各根天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位相对于参考天线接收到的幅度和相位的最优解A(i)和P(i)，然后以参考天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位为基准，得到各根天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位，最后归一化求得各根天线的幅度方向图和相位方向图。

本发明有着很好的可行性：

1.浮标基或者船基平台一般都有姿态方位组合导航***，如果没有安装起来也是非常方便；多次的浮标基或者船基平台上安装的姿态方位组合导航***采集船的姿态实验证明，浮标或船在海平面上都会产生艏摇这一运动，在给定的时间段内，艏摇角都会覆盖360°的范围；

2.现有的分布式组网技术已经很成熟，能够利用好距离和方位明确的直达波；

3.最小平方误差准则广泛地应用于工程科学和自然科学领域，在找到最优解方面有着很好的可信度和实践性，本发明得到的最优解在后期的信号流程中得到了很好的验证，精确地进行了方位测量和目标定位。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.利用了现有的设备即已有的姿态方位组合导航***和海平面这一“天然的旋转平台”，省去了利用或者安装旋转平台和其配套设备的麻烦；

2.利用了其他岸基雷达站发射的信号有不经海洋散射而被浮标雷达站直接接收(直达波)很好的信源，相当于利用了已有的信源，不需要另外产生专门的信源；

3.利用最小平方误差准则让接收天线接收到直达波信号在各个方向的幅度和相位畸变达到最小。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为姿态方位组合导航***(包含硬件和软件)示意图；

图3为浮标基或者船基高频地波雷达的艏摇运动俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括四个步骤。

步骤1.浮标上安装姿态方位组合导航***(如图2所示)和高频地波雷达接收天线。姿态方位组合导航***安装了GPS导航***和惯性测量***，利用配备的姿态采样软件能够得到船的艏摇角信息等姿态信息，同一计算机上安装的高频地波雷达的雷达采样软件也能够实时得到接收天线回波的数据。本发明在软件设计上保证了高频地波雷达的雷达采样软件和姿态方位组合导航***姿态采样软件在时间上是同步的，以保证雷达采样到的数据和姿态采样软件采集到的数据是同一时间段的。

步骤2.画出艏摇角随时间变化曲线，找到覆盖0°到360°的艏摇时间段，再根据相应的时间段，找到来自其它岸基雷达站的直达波信息。

步骤3.利用高频地波雷达信号处理流程得到直达波的信息。浮标基或者船基高频地波雷达接收到的信号既包括本站发射经海面表面散射后的信号，又包括了他站(岸基雷达站)发射经海面表面散射后的信号，还有他站(岸基雷达站)不经海洋表面散射直接传播到本站的直达波信号。下面讲述了浮标基高频地波雷达能够同时接收多站雷达发射信号方法的信号处理流程以及如何找到直达波。

岸基雷达站(他站)和浮标雷达站(本站)发射线性调频中断连续波(FMICW),两站发射波形都是一样的，只是发射信号提前发射时间Δt的不同导致发射信号频率偏置的不同(如果是两个雷达站，可以不用做相位偏置，回波距离谱上已经可以区分各站发射信号)，从而达到回波信号距离谱上的距离偏置不同以便区分各个发射站的发射信号。岸基雷达站-他站发射信号为：

S_T(t)＝S(t-Δt)g(t-Δt)

S_T(t)＝cos[2πf₀(t-Δt)+πα(t-Δt)²]g(t-Δt)

这里线性调频信号S(t)＝cos(2πf₀t+παt²)，发射信号门控脉冲信号g(t)：

其中

其中f₀为雷达工作频率，T₀为脉冲脉宽，q为脉冲周期，P为扫频周期T内脉冲周期数，

B为发射波形带宽，T为扫频周期，α为扫频速率，Δt为发射波形提前发射时间。

本站接收信号忽略衰减系数为S_R(t)＝S_T(t-τ)(1-g(t-Δt))，与本振信号相乘再经过低通滤波器(lowpass)，得到中频基带信号S_I(t)。低通滤波去除了脉冲调制，使得基带信号成为连续波。

S_I(t)＝lowpass{S_R(t)·S_T(t)}

S_I(t)＝cos[2πf₀(t-τ)+πα(t-τ)²]

其中t时刻的接收时延

r为目标的实际距离，v为目标的速度(远离雷达运动为正)，c为光速，基带信号的瞬时相位为

基带信号的瞬时频率f_n

上述公式第一项由目标实际距离r和给定的距离偏置r₀引起，其中距离偏置r₀是由提前发射时间Δt得到的，第二项由目标的速度引起，第三项远远小于前两项。

得到的基带信号经过A/D转换，经第一次傅里叶变换得到离散距离谱，m为距离维上的离散频率，R(m)＝FFT(S_I(t))。将每一个扫频周期内的距离谱作为一行，R(m)写成R(l,m)则连续l_max个扫频周期内的距离谱可以组成一个l_max×m_max矩阵X，m_max为最大距离。

现在分析每一行的相位随着扫频周期数变化的规律，第l个扫频周期内目标距离r_l＝r+r₀+v(l-1)T，第l个扫频周期内的基带信号相位为

连续两个相邻扫频周期内的相位差为上述l_max×m_max矩阵X以第一次扫频周期的数据作为基准，可以近似表示如下：

对上述的每一列进行第二次FFT可以得到与速度对应的速度谱(多普勒谱)，Y(m,l)＝FFT{FFT(S_I(t))}得到每个距离元的速度谱，m为距离维上的离散频率,l为速度维上的离散频率。

目标在距离谱上出现的频率为在多普勒谱上出现的频率为

由于浮标本身也在运动，积累的多普勒谱会出现展宽，根据在距离谱上出现的频率

找到岸基雷达站的直达波信号；r_D为岸基雷达站与浮标基雷达站的距离，r₀如上述表示为岸基发射站发射信号的距离偏置。

步骤4.得到浮标基高频地波雷达接收天线的方向图。

根据每个方位上得到的直达波信号，按照方位从0°到360°的排列顺序，得到对应直达波的幅度和相位。由于一个方位可能会有若干个幅度和相位有差别的直达波，这时候需要利用最小平方误差准则加以约束，找到使得满足下列公式幅度和相位畸变达到最小的直达波相位和幅度。各个方向上直达波幅度的最小平方误差准则如下：

其中第i根天线直达波的幅度Amp(i)，总共八根接收天线，其中一根天线为参考天线，参考天线RefAnt的幅度为Amp(RefAnt)。而直达波相位的最小平方误差准则如下：

其中第i根天线直达波的相位值为Phase(i)，参考天线RefAnt的相位为Phase(RefAnt)，InherPha(i)为由于第i个天线和参考天线位置不同造成的固有相位差。

利用上述最小平方误差准则得到各根天线i在各个方向上接收直达波的幅度和相位的最优解AmpOp(i)和PhaseOp(i)。根据公式

A(i)＝AmpOp(i)/AmpOp(RefAnt)

P(i)＝PhaseOp(i)-PhaseOp(RefAnt)-InherPha(i)

得到各根天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位相对于参考天线接收到的幅度和相位的最优解A(i)和P(i)，然后以参考天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位为基准，得到了各根天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位，最后归一化便可求得各根天线的幅度方向图(单位为dB)和相位方向图(单位为°)。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法，其特征在于，利用平台在海平面的艏摇运动这一“天然的旋转平台”，间接实现“旋转天线法”这一测量方法；具体包括以下步骤：

步骤S1、通过姿态方位组合导航***得到浮标艏摇运动的艏摇角消息；

步骤S2、找到覆盖0°到360°范围的艏摇角，并找到相应的时间段；

步骤S3、在相应的时间段找到浮标基高频地波雷达接收其他岸基雷达站的直达波信息；

步骤S4、求得各个方向上直达波的幅度和相位大小，利用最小平方误差准则得到天线方向图。

2.根据权利要求1所述的一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法，其特征在于：所述步骤S1中，利用浮标上姿态方位组合导航***，能够实时得到浮标的艏摇角信息；

所述姿态方位组合导航***包括GPS天线、天线馈线、数据电源线缆和主机；主机包括GPS接收机、陀螺仪和加速度计和嵌入式计算机；其中主机预留出前天线和后天线和37芯航空插座三个对外接口；

所述姿态方位组合导航***通过GPS天线前天线和后天线接收导航定位信号，主机的嵌入式计算机控制陀螺仪和加速度计接收浮标的运动姿态给GPS接收机，然后GPS接收机通过航空插座输出定位姿态数据通过外接计算机的串口传输到外接计算机存储，在此传输过程中外接计算机配备了上位机软件即专门的姿态采样软件，该姿态采样软件每0.1秒获取传输到外接计算机的包含艏摇角信息的姿态数据，姿态数据存储文件的格式采用xml文件格式，保证了某一次采样中丢失数据但是并不影响下一次的采样以保证文件数据的有效性。

3.根据权利要求1所述的一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用基于时间同步技术的分布式高频地波雷达组网技术原理，其他岸基雷达站发射的信号存在不经海洋散射而被浮标雷达站直接接收的直达波作为待测天线信源。

4.根据权利要求3所述的一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法，其特征在于；所述步骤S3包括以下处理过程：

岸基雷达站-他站和浮标雷达站-本站发射线性调频中断连续波FMICW，两站发射波形是一样的，发射时间相差Δt，该时间差导致两站发射信号频率偏置的不同，从而达到回波信号距离谱上的距离偏置不同以便区分各个发射站的发射信号；岸基雷达站-他站发射信号为：

S_T(t)＝S(t-Δt)g(t-Δt)

S_T(t)＝cos[2πf₀(t-Δt)+πα(t-Δt)²]g(t-Δt)

其中，线性调频信号S(t)＝cos(2πf₀t+παt²)，发射信号门控脉冲信号g(t)：

其中

其中，f₀为雷达工作频率，T₀为脉冲脉宽，q为脉冲周期，P为扫频周期T内脉冲周期数，

B为发射波形带宽，T为扫频周期，α为扫频速率，Δt为发射波形提前发射时间；

本站接收信号忽略衰减系数为S_R(t)＝S_T(t-τ)(1-g(t-Δt))，与本振信号相乘再经过低通滤波器，得到中频基带信号S_I(t)；低通滤波去除了脉冲调制，使得基带信号成为连续波；

S_I(t)＝lowpass{S_R(t)·S_T(t)}

S_I(t)＝cos[2πf₀(t-τ)+πα(t-τ)²]

其中t时刻的接收时延

r为目标的实际距离，v为目标的速度，c为光速，基带信号的瞬时相位为

基带信号的瞬时频率f_n

上述公式f_n第一项由目标实际距离r和给定的距离偏置r₀引起，其中距离偏置r₀是由提前发射时间Δt得到的，第二项由目标的速度引起，第三项远远小于前两项；

得到的基带信号经过A/D转换，经第一次傅里叶变换得到离散距离谱，m为距离维上的离散频率，R(m)＝FFT(S_I(t))；将每一个扫频周期内的距离谱作为一行，R(m)写成R(l，m)则连续l_max个扫频周期内的距离谱可以组成一个l_max×m_max矩阵X，m_max为最大距离；

分析每一行的相位随着扫频周期数变化的规律，第l个扫频周期内目标距离r_l＝r+r₀+v(l-1)T，第l个扫频周期内的基带信号相位为

连续两个相邻扫频周期内的相位差为

上述l_max×m_max矩阵X以第一次扫频周期的数据作为基准，可以近似表示如下：

对上述的每一列进行第二次FFT可以得到与速度对应的速度谱-多普勒谱)，Y(m，l)＝FFT{FFT(S_I(t))}得到每个距离元的速度谱，m为距离维上的离散频率，l为速度维上的离散频率；

目标在距离谱上出现的频率为

在多普勒谱上出现的频率为

由于浮标本身也在运动，积累的多普勒谱会出现展宽，根据在距离谱上出现的频率

找到岸基雷达站的直达波信号；r_D为岸基雷达站与浮标基雷达站的距离，r₀如上述表示为岸基发射站发射信号的距离偏置。

5.根据权利要求3所述的一种浮标基/船基高频地波雷达接收天线方向图测量方法，其特征在于；所述步骤S4利用最小平方误差准则得到接收天线方向图的最优解；具体包括以下处理过程：

根据每个方位上得到的直达波信号，按照方位从0°到360°的排列顺序，得到对应直达波的幅度和相位；由于一个方位可能会有若干个幅度和相位有差别的直达波，这时候需要利用最小平方误差准则加以约束，找到使得满足下列公式幅度和相位畸变达到最小的直达波相位和幅度；各个方向上直达波幅度的最小平方误差准则如下：

其中，第i根天线直达波的幅度Amp(i)，总共八根接收天线，其中一根天线为参考天线，参考天线RefAnt的幅度为Amp(RefAnt)；而直达波相位的最小平方误差准则如下：

其中，第i根天线直达波的相位值为Phase(i)，参考天线RefAnt的相位为Phase(RefAnt)，InherPha(i)为由于第i个天线和参考天线位置不同造成的固有相位差；

利用上述最小平方误差准则得到各根天线i在各个方向上接收直达波的幅度和相位的最优解AmpOp(i)和PhaseOp(i)；根据公式

A(i)＝AmpOp(i)/AmpOp(RefAnt)

P(i)＝PhaseOp(i)-PhaseOp(RefAnt)-InherPha(i)

得到各根天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位相对于参考天线接收到的幅度和相位的最优解A(i)和P(i)，然后以参考天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位为基准，得到各根天线在各个方向上接收到直达波的幅度和相位，最后归一化求得各根天线的幅度方向图和相位方向图。

Images