CN103837867A

CN103837867A - 一种利用ais信息进行高频雷达天线通道校正的方法

Info

Publication number: CN103837867A
Application number: CN201410104866.7A
Authority: CN
Inventors: 文必洋; 王若琨; 杨静; 石阳升
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103837867B

Abstract

本发明提供一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，利用雷达覆盖海域内所接收到的大量船只AIS信息及船只回波，通过分析其在不同通道上响应的信号关系，进行单极子交叉环天线的通道校正。本发明完全不需要任何人工设置的辅助信号源，仅需要简易的AIS接收设备，是一种无源且方便易行的通道校正方法，并且可拓展到其它天线形式。本发明的优势在于：成本低，不需要有源校准时大量的复杂设备；使用大量而分布广泛的船舶AIS信号，得到的通道校正值具有良好的精度且稳定；计算量小，对天线形制没有要求，适用范围广。

Description

一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法

技术领域

本发明涉及一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法。

背景技术

高频地波雷达工作在3-30MHz的高频频段，可实现对海洋大范围的超视距探测，目前已广泛应用于探测海态参数，如流速、流向、浪高等。由于高频信号波长与机动目标（如飞机、舰船等）尺度相当，可获得较大的散射截面，从而在探测硬目标也有巨大的潜力。

高频雷达采用阵列式或紧凑式的天线，通过空间波束形成或方向扫描技术对目标方位进行估计。传统阵列式天线具有精度高、信号处理方便等特点，但同样具有造价高、架设不便等缺点。单极子交叉环天线是一种紧凑式天线，它由一个单极子天线和两个相互垂直的电小环天线组成，制造容易、架设方便且性能良好。在理想情况下，单极子天线的水平方向图是一个圆，两个环的方向图分别为正弦、余弦曲线，三个天线的最大幅度响应应该保持一致，相位响应则完全相同。

单极子交叉环天线测向的原理是利用目标回波在三个通道幅度响应不同而实现的，即“比幅”的方法，这种方法对天线通道的理想特性要求很高。在实际操作中，由于各接收通道硬件本身的差异及周边环境影响等多种因素的作用，天线三个通道的幅度及相位特性很容易发生改变，远离理想的天线特性，从而造成天线通道失配。通道失配的直接后果就是给测向带来显著的误差，给雷达数据的后续处理造成很大困难。这成为了限制单极子交叉环天线推广使用的重要因素，为保证雷达工作正常，必须对这种通道失配现象做校正处理，使误差尽可能小：一方面，在硬件制作时尽量提高工艺保证各通道尽量一致；另一方面，可以采用软件手段估计通道失配参数，进行接收通道幅相校正。

现有的软件通道矫正方法可分为有源校正和无源校正两类。在有源校正中，需要人工设置辅助信号源，在距离天线足够距离处发射参考信号，通过测量该已知信号在各接收通道输出信号的幅度和相位来估计天线的通道失配参数。美国CODAR公司测量天线方向图即采用此方法，需要大量额外的设备，操作不便，且不具有长时间的稳定性。中国专利CN101013147A，名称“高频线性调频雷达方向图测量方法”提供了一种采用单频连续正弦信号、利用时频分析得到天线方向图的方法，此方法与传统方法相比大大降低了测量所用的成本，但仍然需要额外的信号源，操作较为不便。

无源校正方法不需要额外信号源，直接利用接收到的回波信息配合其它先验知识估计通道失配参数。相较于有源校正，无源校正成本低、操作简便，是更适合的通道矫正方法。中国专利CN1566983A，名称“一种利用海洋回波进行阵列通道校正的方法”和中国专利CN1847877A，名称“一种基于非直线天线阵列的无源通道校正方法”给出了两种利用单到达角海洋回波进行天线通道校正的方法，在武汉大学早期所研制的阵列式高频地波雷达中得到了应用。然而这些方法有特殊阵列形制的限制，不易推广到紧凑式天线，并且计算略显复杂，性能也不能达到有源校准的水平；中国专利CN1804656A，名称“一种利用电离层回波进行高频雷达天线阵列通道校正的方法”给出一种利用电离层回波进行天线校正的方法，计算量小且性能良好，但存在着对电离层的依赖性，缺乏足够的稳定性；中国专利CN102707270A，名称“高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法”给出了一种通过软件计算天线方向图的方法，此方法的运算量较大，实用性尚需进一步的验证。

综合目前已有的无源校正方法，通常计算量较大且不够稳定，尚缺乏应用广泛、高性能的无源校正方法。

本专利提供了一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的新方法。船舶自动识别系统(Automatic Idenfication System,AIS)是近十余年来发展的新技术，用于船舶交管服务识别船舶以及船船间避碰。此标准于1998年在国际海事组织的大会上通过，之后成为国际船只海上通信的共同标准。AIS基于自组织的时分多址(SOTDMA)通信原理，海上的船只利用VHF信道定时向周边广播本船的信息。AIS信息分为四类：静态信息、动态信息、航次相关信息、安全相关信息。本发明主要利用的信息是其中的位置、速度及时间信息。

发明内容

针对现有方法的局限性，本发明的目的是提供一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，利用接收到的AIS信息及船只回波，为高频地波雷达提供一种廉价、准确且能适用于任意天线形式的无源通道校正方法。

本发明的技术方案是：

一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，通过接收海上携带AIS发射器船只的AIS信息并与雷达探测到的目标回波相匹配，划分雷达视野为以1度为单位的角度网格，得到平均每个角度网格10个以上的目标，再把匹配的目标与其幅度进行加权平均处理来进行通道幅度和相位值的校正；具体包括以下步骤：

步骤1、在雷达距离-多普勒谱上采用基于恒虚警CFAR的三级目标检测算法检测出雷达目标点迹；

步骤2、将接收到的AIS数据通过经纬度到极坐标的坐标转换法把携带AIS发射器的船只对应显示到距离-多普勒谱上；

步骤3、在雷达距离-多普勒谱上将携带AIS发射器的船只与雷达所探测到的点目标相匹配，从AIS数据读取对应船只的经纬度，计算出目标相对于雷达站的到达角；

步骤4、统计处在同一角度网格的目标，平均每个角度网格积累10个目标以上，将其在两环通道上的回波信号对单极子通道的信号比值幅度加权，从而得到该角度的通道幅度校正参数与相位校正参数；

步骤5、综合整个角度范围，得到天线的阵列流形。

所述步骤1的具体实现过程为：

采用基于恒虚警CFAR的三级目标检测算法，在实时获得的雷达数据的距离多普勒谱上检测出雷达疑似目标点迹，剔除信噪低于10dB的目标。

所述步骤2的具体实现过程为：

使用市面上比较普遍的简易AIS接收装置接收海上携带AIS发射器船只的AIS信息，得到雷达场次对应的时间段内所有携带AIS发射器船只的速度、位置信息，剔除其中静止的船只，将剩下的船只通过经纬度到极坐标的坐标变换方法转换到雷达距离-多普勒二维谱上。

所述步骤3的具体实现过程为：

寻找雷达目标与AIS目标匹配的组合，当两者相差一个距离元、两个多普勒元之内，即匹配成功，将匹配后的雷达目标作为校正源。

所述步骤4的具体实现过程为：

将雷达视野中感兴趣的海域划分为M个角度网格，把已知方位角的校正源落入设置角度网格里，保存每个校正源在三个通道的复数响应值，即(X_1ij,X_2ij,X_3ij)的形式，其中1、2、3代表单极子天线与两环，i代表角度网格序号，j代表落入该网格的校正源序号。

所述步骤5的具体实现过程为：

平均每个方位角都积累10个以上校正源之后，对每一个距离网格里的所有校正源进行幅相与信号幅度加权平均，得到该方向的通道幅相校正值，的具体实现步骤包括：

对于第i个网格，假设有Ni个校正源，则以单极子天线为参考通道，最终得到的幅度校正参数为：

\hat{g} (i, k) = \frac{Σ_{j = 1}^{N_{i}} (| X_{1 ij} | \cdot | X_{kij} / X_{1 ij} |)}{Σ_{j = 1}^{N_{i}} | X_{1 ij} |}

相位校正参数是：

其中，i代表第i个角度网格，k代表通道号，j代表该角度网格的校正源序号，Ni代表该角度网格的校正源总数；

将每个角度网格的校正参数合并，即得整个雷达覆盖区域的天线阵流形：

其中，M代表角度网格总数。

本发明的创新点在于：首次把AIS信息引入到高频雷达整个阵列流形的校正方法，在大量AIS信息的辅助下，可以得到精度较高的阵列流形。

本发明的优势在于：不需要额外设置信号源，成本低廉；算法简便，不需要像以往的校正方法那样采用复杂的迭代最优化算法；由于沿海地区船只众多，校正源充足，得到的通道校正参数稳定而可靠；校正源来自很大的角度范围，故可以对整个角度范围网格分别得到校正值，而不是只得到一组校正值来校正理想天线特性；校正方法对天线形式没有任何限制，完全可以移植到其他天线系统。

附图说明

图1为现有技术中本发明实施例的高频地波雷达工作原理图。

图2为现有技术中本发明实施例典型的距离-多普勒谱图。

图3为现有技术中单极子交叉环天线方向图。

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作更加详细的说明。

高频地波雷达工作原理如图1所示。高频地波雷达通常由发射天线、接收天线阵、发射机、接收机等组成，通常收发共址。雷达发射天线为长度为雷达波长1/4长的竖直鞭天线，全向向外辐射电磁波。电磁波在海上传播，遇到特定参数的海浪、船只、岛屿等会将电磁波后向散射，为雷达接收机所接收。雷达通常采用线性调频体制，在每个扫频周期内完成发射、接收，对接收信号解调后进行放大、滤波、混频、采样和快时域的离散傅里叶变换得到距离谱数据。该数据通过USB总线被上传到PC机上进行后续处理。通过对N个扫频周期的距离谱数据进行第二次离散傅里叶变换，实现速度信息的分离，得到距离-多普勒二维谱，从中可以提取海态及目标信息。距离-多普勒谱中主要的强回波是海杂波及目标回波，有时也存在电离层回波及射频干扰回波等。其中海杂波是特定波长特定运动方向的海浪引起的布拉格散射，分为强的一阶峰以及分布在其两边的二阶连续谱。目标回波大部分分布在两一阶峰之间，图2为典型的雷达距离-多普勒二维谱，所显示的谱图来自单极子天线，两个环的谱图与其类似。

单极子交叉环的理想方向图如图3所示，当有目标信号从某个到达角入射，通过比较三个通道上的信号关系即可解出角度。然而由于硬件及周边环境因素的影响，天线的实际方向图会偏离理想情况，必须做出校正。如果已知实际中目标在某一个角度上三个通道回波的相互关系，就可以得到该角度的通道校正值。

本发明的关键在于如何确定大量目标校正源的角度信息。雷达距离-多普勒二维谱上的目标可以方便地解出距离和速度，却无法直接知道其来波方向。然而添加AIS辅助信息可以提供所需要的角度信息。

本发明的流程示意图见图4，具体实施步骤如下所述：

步骤1、采用基于恒虚警（CFAR）的三级目标检测算法，雷达数据的距离多普勒谱上检测出雷达疑似目标点迹，剔除信噪比较低的目标。

步骤2、使用简易的AIS接收装置接收海上船只AIS信息，得到雷达场次对应的时间段内所有船只速度、位置信息，剔除静止的AIS船只，将剩下的AIS目标通过坐标变换的方法转换到雷达距离-多普勒二维谱上。

步骤3、寻找雷达目标与AIS目标匹配的组合，当两者相差一个距离元、两个多普勒元之内，便算做匹配成功，匹配后的雷达目标可作为校正源。

步骤4、将雷达视野中感兴趣的海域划分为M个角度网格，把已知方位角的校正源落入设置的角度网格里，从雷达的距离-多普勒谱上读取并保存每个校正源在三个天线通道上的复数响应值X_1ij,X_2ij,X_3ij，其中1、2、3代表单极子天线与两环，i代表角度网格序号，j代表落入该网格的校正源序号。

步骤5、积累大量不同方位的校正源之后，对每一个距离网格里的所有校正源进行统计分析，得到该方向的通道幅相校正值。具体做法是：

对于第i个网格，假设有N_i个校正源，则以单极子天线为参考通道，最终得到的幅度校正参数为：

\hat{g} (i, k) = \frac{Σ_{j = 1}^{N_{i}} (| X_{1 ij} | \cdot | X_{kij} / X_{1 ij} |)}{Σ_{j = 1}^{N_{i}} | X_{1 ij} |}

相位校正参数是：

其中i代表第i个角度网格，k代表通道号，k=1或2或3，j代表该角度网格的校正源序号，Ni代表该角度网格的校正源总数。

其中M代表角度网格总数。

Claims

1.一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，其特征在于：通过接收海上携带AIS发射器船只的AIS信息并与雷达探测到的目标回波相匹配，划分雷达视野为以1度为单位的角度网格，得到平均每个角度网格10个以上的目标，再把匹配的目标与其幅度进行加权平均处理来进行通道幅度和相位值的校正；具体包括以下步骤：

步骤5、综合整个角度范围，得到天线的阵列流形。

2.根据权利要求1所述的一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现过程为：

3.根据权利要求2所述的一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现过程为：

使用AIS接收装置接收海上携带AIS发射器船只的AIS信息，得到雷达场次对应的时间段内所有携带AIS发射器船只的速度、位置信息，剔除其中静止的船只，将剩下的船只通过经纬度到极坐标的坐标变换方法转换到雷达距离-多普勒二维谱上。

4.根据权利要求3所述的一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现过程为：

5.根据权利要求4所述的一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现过程为：

将雷达视野中感兴趣的海域划分为M个角度网格，把已知方位角的校正源落入所设置的角度网格里，在距离-多普勒图上读取并保存每个校正源在三个通道的复数响应值X_1ij,X_2ij,X_3ij，其中1、2、3代表单极子天线与两环，i代表角度网格序号，j代表落入该网格的校正源序号。

6.根据权利要求5所述的一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现过程为：

平均每个方位角都积累10个以上校正源之后，对每一个距离网格里的所有校正源进行幅相与信号幅度加权平均，得到该方向的通道幅相校正值；具体实现步骤包括：

\hat{g} (i, k) = \frac{Σ_{j = 1}^{N_{i}} (| X_{1 ij} | \cdot | X_{kij} / X_{1 ij} |)}{Σ_{j = 1}^{N_{i}} | X_{1 ij} |}

相位校正参数是：

其中，M代表角度网格总数。