一种双目标联合导向矢量的通道相位校正方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，尤其涉及一种双目标联合导向矢量的通道相位校正方法。

背景技术

地波雷达利用垂直极化高频电磁波在海面衰减小、传播距离远的特点，可以实现对海平面视线以下的舰船、飞机、导弹等的探测。利用高频电磁波与海面的一阶和二阶散射机制，可以从雷达回波之中提取风场、浪场和流场信息，实现海态环境大范围、高精度和全天候的探测。由于地波雷达工作于高频段(3-30MHz)，其对应的波长(300-30m)较长，为了获得足够的阵列增益和角度分辨率，阵列长度一般高达数百米，甚至上千米。在利用多重信号分类(MUSIC)算法进行到达角(DOA)估计的时候，需要精确的雷达阵列流型。但在实际的工程应用中，各种误差和扰动的影响不可避免，阵列流型矩阵元会因此产生偏差，进而影响到空间谱估计结果准确度，情况严重时会导致估计的DOA结果远远偏离真值。故而进行阵列通道的幅相校准是必要的。

通道校正一般方法为知道合作源信息，即事先知道目标来波方位的信号源。使用合作源实现校正的方法虽然能得到可靠的校正结果，但是新设备的引入增加了地波雷达设备的复杂性。地波雷达由于Bragg散射的存在，具备较强的一阶回波。

发明内容

本发明的目的在于解决高频地波雷达的阵列通道相位校准问题，提供双目标联合导向矢量的通道相位校正方法。

本发明采用如下技术方案：

一种双目标联合导向矢量的通道相位校正方法，包含以下步骤：

步骤1.采用基于阵列采样信号协方差矩阵的奇异值特征进行单信源判断。

步骤2.对筛选的单信源采取双目标联合搜索的方法，考虑来自两个方向的单信源。

步骤3.联合这两个单信源，将相同天线的信号相除，便可以扣除阵列的幅相不一致向量，得到确定的联合信号。

步骤4.联合信号模型消除了阵列的幅相不一致性，通过二维方位搜索便可以确定单信源的两个方向。

步骤5.确定这两个方位之后，便可以确定阵列幅相不一致性矢量。

步骤6.得到尽可能多的单信源，对每一组单信源信号获得多组相位校正值，最终取多个相位校正值的众数作为最终的相位校正值。

本发明的有益效果：

本发明相比于利用直达波校正，采用了一阶谱进行校正，不需要引入外部设备，提供了一种经济的方案。不同于以往根据单信源一阶回波获取通道相位校正值的方法，采用了双目标联合搜索的方案。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为为东山直达波、赤湖直达波和一阶谱的相位校正值表；

图3(a)为八号天线实验期间东山直达波的相位校正值；

图3(b)为八号天线实验期间赤湖直达波的相位校正值；

图3(c)为八号天线实验期间一阶谱相位校正值。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种双目标联合导向矢量的通道相位校正方法，包括以下步骤：

步骤1.采用基于阵列采样信号协方差矩阵的奇异值特征进行单信源判断；

假设K元平面阵的坐标如下：

x＝(x

y＝(y

(x

θ表示目标相对于正东方向向北旋转的角度。α(t)是该信号的实时幅度，

通道校正的任务就是求解c。以一号天线为参考，a

r

存在幅相误差的阵列信号可以表示如下：

X(t)＝Γα(θ

其中，x(t)为M×1维数据矢量；Γ表示M×M维幅相误差矩阵；s(t)表示来自θ

阵列协方差矩阵表示如下：

其中，

对阵列协方差矩阵e

Γα(θ

其中q为一未知的复常数，由上式得

由此可以判断回波中的单信源。

步骤2.对筛选的单信源采取双目标联合搜索的方法，考虑来自两个方向的单信源。考虑来自两个方向θ

r

r

其中，r

其中，θ

步骤3.联合这两个单信源，将相同天线的信号相除，便可以扣除阵列的幅相不一致向量c，得到确定的联合信号模型为

步骤4.联合信号模型消除了阵列的幅相不一致性，通过二维方位搜索便可以确定单信源的两个方向θ

步骤5.确定这两个方位之后，便可以确定阵列幅相不一致性矢量。扣除理想导向矢量部分，便可以求解幅相不一致性矢量。

其中，r(t)为接收阵列接收的矢量信号，θ表示目标相对于正东方向向北旋转的角度，x

需要注意的是，θ

步骤6.浮动平台地波雷达在所有方位具有回波，可以通过多组测量结果的众值估计来解决模糊问题。

使用一阶谱信号进行相位校正不同于幅度校正，幅度校正不需要所选择的一阶谱信号为单信源，但是相位校正需要这样的限制。采用基于阵列采样信号协方差的奇异值特征进行单信源判断。使用筛选得到的单信源，利用双目标联合搜索理论便可进行通道相位校正。在实际的信号处理的过程之中，单信源的个数应尽可能多。对每一组单信源信号可以获得多组相位校正值，最终多个相位校正值的众数作为最终的相位校正值。

实例验证

2016年1月份武汉大学海态实验室在湖北武汉和福建的龙海、赤湖和东山进行了天地波雷达组网实验，地波接收站位于福建的龙海、赤湖和东山。实测数据分析利用实验期间东山和赤湖接收的雷达数据，单场数据相干积累时间为5分钟。

如附图2，统计了在东山和赤湖实验期间所有8根天线的相位校正值。两直达波校正结果的最大误差为2°。一阶谱与东山直达波校正值的最大误差为17°，最小误差为3°。一阶谱与赤湖直达波校正值的最大误差为14°，最小误差为3°。一阶谱能够得到与直达波接近的相位校正结果，但是其误差相较于直达波之间的误差更大。统计整个实验期间直达波和一阶谱的相位校正值，得到其频数分布直方图，如下图3(a)-图3(c)所示。赤湖直达波和东山直达波的校正结果分布非常集中，两者的一致性较好。一阶谱的校正结果相较于直达波的校正结果基本上是无偏的，但是其分布范围比直达波大。虽然直达波的校正稳定性和可靠性要高于一阶谱，但是一阶谱不需要引入外部设备，提供了一种经济的方案。不同于以往根据单信源一阶回波的优化方案获取通道相位校正值的方法，双目标联合搜索方案是一种解析方法。

这里展示了天线统计能量进行通道幅度校正的思路和理论依据，并且使用一阶谱数据成功地得到了稳定的天线幅度校正结果。同时将双目标联合搜索理论引入地波雷达通道校正，使用一阶海洋回波实现了通道相位校正。并且指出利用多组测量值取众数的方法，可以有效解决该方法在方位搜索阶段的“平移-对换”角度模糊问题。此处提出的方法具备在五分钟这样短时间内给出稳定校正结果的潜能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。