[发明专利]一种基于站间直达波干扰的阵列幅相误差校准方法

说明书

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，否则，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，计算量小，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跟踪”（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，运算量小，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）                                                ；