一种基于直达波的天地波阵列校准方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104020455 A (43)申请公布日 2014.09.03 CN 104020455 A (21)申请号 201410239577.8 (22)申请日 2014.05.30 G01S 7/40(2006.01) (71)申请人 中国电子科技集团公司第二十二研 究所 地址 266107 山东省青岛市城阳区仙山东路 36 号 (72)发明人 黄晓静 杨龙泉 杨雷鸣 (54) 发明名称 一种基于直达波的天地波阵列校准方法 (57) 摘要 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。

2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明。

3、书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104020455 A CN 104020455 A 1/1 页 2 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。

4、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/R， P 为电波从发射设备传播到接收设备的群距离， D PD+50km， D 为收发站间距， R 为距离分辨率。 4. 根据权利要求 3 所述的基于直达波的天。

5、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/fd， fd 为电离层造成的多普勒频偏， 绝对值小于 1Hz， fd 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/R， Nmax= （D+50km） /R， 搜索的多普勒频率元范围为 Mmin至 Mmax， Mmin= -1Hz /fd， Mmax= 1Hz /fd， 该范围即为 (N, M) 可能出现的区域。

6、 ； 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 。

7、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。 权 利 要 求 书 CN 104020455 A 2 1/4 页 3 。

8、一种基于直达波的天地波阵列校准方法 技术领域 0001 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 0002 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 0003 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。 0004 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。

9、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。 0005 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。 0006 优化的， 步骤 2 中所述的 A 型。

10、谱， 包含直达波信号的距离元为 N=P/R， P 为电波从发射设备传播到接收设备的群距离， D PD+50km， D 为收发站间距， R 为距离分辨率。 0007 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/fd， fd 为电离层造成的多普勒频偏， 绝对值小于 1Hz， fd 为多普勒分辨率。 0008 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/R， Nmax= （D+50km） /R， 搜索的多普勒频率元范围为 Mmin至 Mmax， Mmin= -1Hz /。

11、fd， Mmax= 1Hz / fd， 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。 0009 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。

12、 S1/a1/S0 Sn-1/an-1/S0， A=1 a1 说 明 书 CN 104020455 A 3 2/4 页 4 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。 0010 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。 0011 优化的， 校准以第 1 通道为基准。 0012 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。

13、， 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 0013 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 0014 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。 0015 雷达的有用信号是指。

14、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。 0016 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。 0017 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 。

15、； 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。 0018 步骤 1 中。

16、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。 0019 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 说 明 书 CN 104020455 A 4 3/4 页 5 型谱中， 包含直达波信号的距离元为 N=P/R。其中， P 为电波从发射设备传播到接收设备 的群距离， R 为距离分辨率。P 满足关系 D 。

17、PD+50km， D 为收发站间距。 0020 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/fd。其中， fd为电离层造成的多普勒频偏， 绝对值小于 1Hz ； fd为多普勒分 辨率。 0021 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/R， Nmax= （D+50km） /R ； 搜索的多普勒频率元范围。

18、为 Mmin至 Mmax， Mmin= -1Hz / fd， Mmax= 1Hz /fd； 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-。

19、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。 0022 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， d/2， 直达波方向与阵列法向夹角为， 忽略其俯仰角， 则A=1 a an-1。其中， a=exp(j*2*dsin/)。接收数据除以校准系数即可获得通道一致性。 0023 具体的说，。

20、 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。 0024 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。

21、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。 0025 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 2。

22、0s。 0026 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/R。其中， P 为电波从发射设备传播到接收设备的群距离， R 为距离 分辨率。P 满足关系 D PD+50km， D 为收发站间距。接收机采样率为 51.2kHz 时， 距离分辨 率 R 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 说 明 书 CN 104020455 A 5 4/4 页 6 理数据， 每个脉冲得到一幅 A 型谱， 共得到 1024 幅 A 型谱序列。 0027 步骤3对A型谱进行相干积累， 得到距离多。

23、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/fd。其中， fd为电离层造成的多普 勒频偏， 绝对值小于 1Hz ； fd 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。 0028 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/R， Nmax= （D+50km） /R ； 搜索的多普勒频率元范围为 Mmin至 Mmax，。

24、 Mmin= -1Hz / fd， Mmax= 1Hz /f。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。 0029 如图 4 所示， 本实施例采用 8 通道系统， 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。

25、./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 =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。 0030 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。 说 明 书 CN 104020455 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104020455 A 7 2/2 页 8 图 4 说 明 书 附 图 CN 104020455 A 8 。