天地波混合组网高频超视距雷达阵列幅相误差的校准方法

天地波混合组网高频超视距雷达阵列幅相误差的校准方法刘帅;吴雄斌;张兰【摘要】针对天地波混合组网高频超视距海洋探测雷达系统,研究了阵列通道幅相误差的校准方法.通过相位偏置,将各站不同频率的回波分离开来;利用直达波校正原理,以及双层优选直达波幅相校准系数的方法,优选出最稳定的地波站直达波的幅相校准系数进行阵列幅相误差的校准,实现天波直达波到达角的估计.试验结果表明,该方法可以有效地避免杂波干扰引起的、不正确的校准值的影响,从而获得稳定的幅度和相位校准值,实现对阵列实时的校正.在此基础上,将校准后船只航迹的定位与AIS数据进行对比,结果吻合,表明了方法的可行性.%To calibrate the array errors with gain and phase uncertainty for hybrid networking HF-OTHR, a calibration approach for evaluating gain-phase errors is presented.The echoes of different frequency from every station are separated based on phase offset.Based on the direct wave calibration principle and the double preferred method for getting amplitude and phase calibration value,the array error can be calibrated with the most stable amplitude and phase calibration value and thus the sky direct wave DOA estimation can be achieved in real time.Experimental results show that it can avoid the effect of the error calibration value interference by the different clutters, getting a stable amplitude and phase calibration value to achieve real-time processing.The calibrated radar data and AIS on the target azimuthal angle and velocity are highly correlated which serve as a validation proof of the algorithm.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)018【总页数】6页(P25-30)【关键词】天地波组网高频超视距雷达;阵列校准;直达波校正;双层优选【作者】刘帅;吴雄斌;张兰【作者单位】武汉大学电子信息学院,武汉 430072;武汉大学电子信息学院,武汉430072;武汉大学电子信息学院,武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】P733.6天地波混合组网模式下分布式高频超视距雷达(3～30 MHz)工作于以天波反射/地波绕射为基础的新传播模式，包含了天波和地波两种形式的发射系统，也包含了若干个结构相同的地波接收机，它们分布在不同的地理位置，方便灵活组合。

天地波混合组网体制雷达系统能够提供多种探测方式，利用了天波的远距离传播体制，通过分布式雷达组网以及天地波一体化，结合了天波雷达和地波雷达的优点，突破了地波雷达目前仅能沿海岸线布设的模式，克服了传统单站超视距雷达有效覆盖范围不足、探测方式单一的问题，拓展了海洋监测雷达探测距离的有效途径，提高了观测的距离准确度、方位精度和速度精度，进一步提升了雷达对远海的探测能力、抗干扰能力和应用的灵活性[1,2]。

武汉大学天地波组网模式的分布式超视距雷达基于Barrick提出的一阶海洋回波理论[3]，对接收到的后向散射回波和非后向散射回波进行MUSIC(multiple signal classification)超分辨空间谱估计[4]提取海流到达角信息。

MUSIC超分辨算法需知雷达阵列的幅相特性，在实际应用中，接收回波信号的雷达阵列的幅相特性存在差异，会使得MUSIC超分辨算法性能严重下降；所以为了确保雷达数据的可靠性，需要在进行海流反演之前对阵列的幅相误差进行校准。

阵列误差校准的方法主要分为有源校正类和自校正类。

有源校正通过在空间放置方位精确已知的辅助信源对阵列扰动参数进行离线估计[5—7]，而有源校正类算法对辅助信号源的方位信息精度有较高的要求。

当辅助源的方位信号有偏差时，会影响算法的性能。

若使用辅助信号源对阵列幅相误差进行校准，需要在距离雷达接收阵列远场区架设一个稳定的信号源；但该信号源不利于长期使用和维护，以及考虑到雷达阵列的长度，会导致信号源费用昂贵且不方便，综合考虑一般不使用辅助信源的方法对阵列的幅相误差进行校准；而自校正类方法通常根据某种优化函数对空间信源的方位与阵列的扰动参数进行联合估计。

阵列自校正算法可以在线完成实际方位估计，精度较高；但是由于误差参数与方位之间的耦合和某些病态的阵列结构，会存在参数估计模糊，并带来庞大计算量[8,9]。

武汉大学研制的基于天地波混合组网模式的分布式高频超视距雷达，工作于多频模式，其工作体制分为天波发射/地波接收和地波发射/地波接收。

在该模式下工作的雷达系统，各站点位置精确已知，使得利用地波站间高信噪比、高能量的直达波信号对天波回波信号的阵列误差进行校准成为可能。

文献[10]提出利用直达波，基于协方差矩阵的特征结构对双基地高频地波雷达发射通道的幅相误差校准，其接收平台为运动状态，使得估计精度受影响，且该文只是进行了仿真。

文献[11]提出使用方位已知的直达波信号的多普勒谱来估计通道幅相误差，避免了传统自校准方法的迭代过程；但是本文只是针对地波雷达系统的阵列幅相误差的校准。

文献[12]针对天地波雷达系统即岸基地波接收天地波雷达系统，提出用高信噪比的天波直达波进行阵列的幅相误差的校准；但由于电离层的变化与地理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关，复杂的电离层形态会造成天波回波的不稳定，造成天波回波信号发生频移等情况，以至不能准确的确定天波直达波的位置，造成错误的阵列的幅相误差的校准。

针对天地波组网高频超视距雷达的特点，利用组网系统中来自地波雷达站的直达波信号，基于直达波校准方法以及双层优选直达波校准值的方法，对天发地收模式的回波信号的阵列幅相误差进行校准，使用校准后的数据对探测区域中的船只航迹跟踪，与AIS数据相吻合。

天地波组网高频超视距雷达采用线性调频中断波形(FMICW)，其波形为ST(t)= S(t)g(t)=式(1)中，0≤t≤T，S(t)为调频连续波信号，ST(t)为发射的FMICW信号，g(t)为门控信号，f0为载波频率，T为扫频周期，T0为脉冲宽度，t为时间，q为门控脉冲周期，p为门控信号的脉冲间隔，P为一个扫频周期中的控制脉冲的总个数，K=B/T为调频斜率，B为雷达带宽。

该雷达工作于多频模式，通过对不同频率的发射信号进行了相位偏置，使得不同扫频周期的发射信号的初始相位是不同的。

对于某一工作频率，使其线性相位偏置的梯度为Δθ，则发射信号就为ST(t)= S(t)g(t)式(2)中，0≤t≤T,n=0～(N-1)，n为扫频数，N为一个相干积累时间中的总扫频数，第n个扫频的初始相位为nΔθ，且-π≤Δθ≤π。

利用单个全向接收天线进行接收，则对位于R0以速度v匀速运动的目标回波信号相对发射瞬间的时延为τ=2(R0+vt)/c，式中c为光速。

回波信号到达接收机经压地波控制后的接收信号为St(t)=ST(t-τ)g(t-τ)[1-g(τ)]接收信号与本地信号混频后，经过低通滤波器去掉高频成分和脉冲调制得到基带信号为SI(t)≈(φτ+nΔθ)考虑使用间距为d的N元均匀线性天线阵列接收来自空间θ方向上的信号S(t)，相邻天线元之间的信号延迟为τ，此时：假设接收信号为窄带信号，将信号时延转化为通道间空间相位差，因此第l(l=1,2…，N)个天线元上的接收信号为xl(t)=SI[t-(l-1)τ]≈SI(t)阵列的输出向量为X(t)= [x1(t),…,xN(t)]T=A(θ)S(t)式(7)中θ=[θ1,…θK]T，K为信号的个数。

再考虑每个阵元上的噪声和幅相误差，则X(t)=ΓA(θ)S(t)+N(t)式(8)中，Γ=diag[Γ1,…，ΓN]为幅相误差矩阵，N(t)=[n1(t),…，nN(t)]T是阵列噪声向量。

对于每个接收站点，除了接收到本站发射信号与海面相互作用的后向散射杂波外，还能同步接收来自其他站点发射信号与海面相互作用的非后向散射回波和直达波信号，这就使得直达波信号的提取需考虑其他信号干扰的影响。

2.1 直达波校正原理2.1.1 距离变换对基带信号中相位信息求导可以得到瞬时频率：fI(t)≈对基带信号A/D采样后经一次FFT作距离变换，可以得到与距离信息对应的离散频谱，此时，雷达站的GPS信息可以提供各站点的地理位置，就可以把另一个站的直达波距离信息提取出来。

2.1.2 多普勒变换FMICW信号会重复发射多次，将每一次扫频得到的距离谱作为一行，则连续的距离谱就可以构成一个矩阵，在第m次扫频时，目标距离为Rm=R0-V(m-1)T，此时的基带信号相位为φm=2πΔθ连续两次扫频的基带信号之间的相位差为Δφ≈2π对同一距离元的所有时间再做一次FFT，就可以得到与速度对应的多普勒谱。

而不进行相位偏置的话，所有的直达波只是在距离上被分开，其中心频率均在一起，通过相位偏置就可以使得不同频率的回波信号的中心频率发生了偏置，这样子就可以将不同站的回波信号分开，直达波信息更为干净。

2.1.3 直达波校正原理对输出的信号Y求协方差矩阵Ryy=E[YH(t)Y(t)]对协方差矩阵Ryy进行特征分解，则其信号子空间和阵列流型空间是一个空间，而直达波的个数为1，最大特征值对应的特征矢量e1即为实际的导向矢量，与修正后的信号导向矢量a′(θ)满足：Γa′(θ)=ke1式(16)中，k是一个未知的复常数，θ是直达波对应的接收站方位。

如果以阵列中的第1 阵元作为参考阵元即Γ1=1，那么阵元1的幅度误差为1，相位误差为0，这样就可以确定k，从而可以求出解幅相误差系数矩阵其他对角线元素：，i=1,2,…,N2.2 双层优选地波直达波幅相校准值由于各站的地理位置精确已知，地波站间直达波的方位信息可以根据几何关系计算出来，考虑天波和地波传播路径的不同，一个地波雷达站会接收另外两部地波雷达站的高低频地波信号和天波发射站的天波信号，利用来自另两部地波雷达站的高信噪比、高能量的直达波，基于直达波校正原理可以得到两组高低频幅相校准值。