專利名稱：一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于非直線天線陣列對高頻地波雷達進行無源通道校正的方法。
背景技術：
高頻地波雷達利用高頻電磁波在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，采用垂直極化天線輻射電波，能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機和導彈等運動目標。另外，高頻地波雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，從雷達回波中提取風場、浪場、流場等海態(tài)信息，可實現(xiàn)對海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實時監(jiān)測。
由于硬件本身的差異、接收通道的非理想特性、周邊環(huán)境影響等多種因素的作用，實際中天線陣列各個通道的幅相特性是有差異的，導致回波信號經過不同通道后的幅度和相位變化(復增益)不一致，一般稱之為通道失配。通道失配引起波束掃描和方位估計的誤差增大，甚至完全失效，是影響高頻地波雷達探測性能的關鍵問題之一。為了保證雷達能有效工作，必須采取措施使通道失配限制在一定的范圍內一方面，通過適當?shù)拇胧?如元器件篩選)使各通道在制作時盡量保證其一致性；另一方面，可以對通道失配系數(shù)進行測量或估計，然后通過校正進一步縮小通道特性的差異。
現(xiàn)有的通道校正方法可分為有源和無源兩類。在有源校正方法中，將輔助信號源置于天線陣前方足夠遠的開闊場地發(fā)射校正信號，再測量各接收通道的輸出，根據(jù)已知信號源方位扣除陣列空間位置引起的相位差，即可得到通道失配信息。在無源校正方法中，無需方位準確已知的輔助信號源，直接利用接收的實測數(shù)據(jù)和一些先驗知識(如陣列形式)估計通道失配系數(shù)，然后進行補償校正。有些無源校正方法還可以實現(xiàn)信號方位和通道失配的聯(lián)合估計。在劉德樹、羅景青等編著的《空間譜估計及其應用》(中國科技大學出版社1997年)一書中對一般無源校正方法有詳細闡述。
受地形條件、工作波長、電波傳播、雷達體制、天線陣列、(硬)目標回波、海洋雜波、噪聲干擾等多種因素的影響，高頻地波雷達的通道校正實現(xiàn)起來比較困難，現(xiàn)有方法都只能解決部分問題，且費時費力，成本高昂，代價很大。雷達天線陣前方是海面，如采用有源校正方法則輔助信號源只能放在艦船或島嶼上，其維護十分麻煩而昂貴，難以長期穩(wěn)定工作?，F(xiàn)有的無源校正方法一般需要多次復雜的迭代運算，計算量很大，不一定能滿足實時性要求，且有可能收斂于局部最優(yōu)，而不是全局最優(yōu)，以致出現(xiàn)完全錯誤的估計值。實際雷達系統(tǒng)與理想模型的差異，也使得一般無源校正方法的適用條件不能得到滿足，難以實用。通道校正已成為制約高頻地波雷達探測性能并阻礙其實際應用的重大技術難題，必須加以妥善解決。
武漢大學電波傳播實驗室曾考慮過將海上已知天然或人工物體對雷達電波的反射信號作為校正信號。只要反射源的距離、速度已知，就可以從回波中檢測出校正信號，然后根據(jù)已知反射源方位估計出各通道的失配系數(shù)。其具體實施細節(jié)可參考03128238.5號中國發(fā)明專利申請“一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法”。該發(fā)明可利用探測海域內已知的島嶼、燈塔和鉆井平臺等固定反射物，不存在輔助信號源的放置和維護問題，也無需額外的硬件開銷，實現(xiàn)了在線實時自動校正，具有一定的實用價值。但該發(fā)明實際上是一種特殊的有源校正方法，應用范圍和實際效果有限，不適用于沒有已知固定反射物的海域，且仍然受到噪聲干擾、艦船回波、多徑效應等不利因素的影響。由于該發(fā)明提出了一種對頻譜不重疊的單方位海洋回波的分離與檢測技術，滿足了本發(fā)明提出的無源通道校正方法的基本要求，因此下面將對其進行重點介紹。
高頻地波雷達一般采用調頻中斷連續(xù)波(frequency modulated interrupted continuouswave，縮寫FMICW)體制。Rafaat Khan等人發(fā)表的題為“高頻地波雷達目標探測與跟蹤”(Target Detection and Tracking With a High Frequency Ground Wave Radar，IEEE Journal ofOceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的論文中對此有詳細描述。在該波形體制下，海洋回波(包括海雜波和硬目標回波)進入接收機后，經混頻、低通濾波、A/D轉換和二維FFT(如圖1所示)可得距離-多普勒(速度)二維回波譜(如圖2所示)。在二維回波譜中，雷達接收的大量海洋回波按距離和速度進行了分離，分散在很多譜點上。當?shù)诙蜦FT(多普勒變換)相干積累時間較長(10分鐘左右)時，雷達可獲得很高的速度分辨力，二維回波譜中與海洋回波對應的譜點可達1000個以上，很適合用統(tǒng)計方法將其中頻譜不重疊的單方位回波檢測出來。
單方位回波的檢測是通過對特定形式陣列(如圖3所示)二維回波譜輸出的統(tǒng)計分析實現(xiàn)的。特定形式陣列由陣元1～4構成，其位置坐標為(xi，yi)，對應的某個二維回波譜點輸出為Yi，i＝1，2，3，4。陣元1和2組成陣元偶A1，3和4組成陣元偶A2，A1與A2之間具有平移不變性，則有(x2,y2)=(x1+d,y1)(x4,y4)=(x3+d,y3)]]>令η1=Y2Y3Y1Y4,]]>容易證明，在沒有噪聲的理想情況下，二維回波譜中單方位譜點對應的η1是一個只與通道失配有關的不變量，不妨記為η1′。實際系統(tǒng)中噪聲是不可避免的，單方位譜點對應的η1集中分布在η1′附近。另一方面，通過簡單分析和數(shù)值模擬可知，多方位譜點對應的η1是一個與目標距離、(徑向)速度、方位和回波信號振幅均有關的變量，由于這些目標參數(shù)的隨機性，η1將呈隨機分散狀態(tài)。綜合以上分析，將二維回波譜中所有超過一定信噪比門限的譜點對應的η1標在復平面上，則有且僅有一個區(qū)域(η1′附近)出現(xiàn)高度聚集現(xiàn)象，其中大多數(shù)η1值對應于單方位譜點。令η2=Y2Y1*Y4Y3*,]]>由與前面類似的分析可知，η2在復平面上也會出現(xiàn)聚集區(qū)，其中大多數(shù)η2值對應于單方位譜點。令η3=Y2Y4*Y1Y3*,]]>η3在復平面上同樣會出現(xiàn)聚集區(qū)，其中大多數(shù)η3值對應于單方位譜點。
經過理論分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，多方位譜點對應的η1、η2和η3同時落入各自聚集區(qū)概率極小，因此可以用η1、η2和η3能否同時落入各自聚集區(qū)作為檢測單方位譜點的判據(jù)。A1和A2作為一個平移不變陣元偶組，構成了檢測單方位回波(譜點)的特定形式陣列。若陣列中平移不變陣元偶組超過一個，則將是否同時被多個陣元偶組檢測到作為判據(jù)，可進一步篩選出單方位譜點。含有平移不變陣元偶組的陣列形式是很常見的，如均勻線陣(或均勻平面陣)。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有方法的局限性，本發(fā)明的目的是利用高頻地波雷達接收的單方位海洋回波，提供一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，以減少通道幅相失配，提高雷達系統(tǒng)性能。這里的非直線天線陣列是指并非所有天線陣元都位于同一直線上的陣列。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，將天線陣列設置為含有平移不變陣元偶組的非直線形式；通過平移不變陣元偶組檢測出單方位海洋回波；利用單方位海洋回波估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正；利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息估計通道相位失配系數(shù)，實現(xiàn)相位校正。
在上述方法中，可利用單方位海洋回波通過g^i=Σl=1L|Yi(l)|2/Σl=1L|Y1(l)|2]]>或g^i=1LΣl=1L|Yi(l)|2|Y1(l)|2]]>或g^i=Σl=1L|Yi(l)|/Σl=1L|Y1(l)|]]>或g^i=1LΣl=1L|Yi(l)||Y1(l)|]]>估計通道幅度失配系數(shù)，其中 為陣元i的通道幅度失配系數(shù)估計值，i＝1，2，Λ，M，M為陣元個數(shù)，Yi(l)為陣元i接收的第l個單方位回波輸出，l＝1，2，Λ，L，L為單方位回波個數(shù)。
本發(fā)明還可以利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息通過Ψ^=argminΨ||Y-f′(Ψ)||2]]>或Ψ^=argminΨ||Y-f~(Ψ)||2]]>估計通道相位失配系數(shù)，其中Ψ＝[θ1，θ2，Λ，θL，φ2，φ3，Λ，φM]TY=Y2Y3MYM]]>
Yi＝[Yi(1)，Yi(2)，Λ，Yi(L)]Tf′(Ψ)=f2′(Ψ)f3′(Ψ)MfM′(Ψ)]]>fi′(Ψ)=[Y1(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],Y1(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,Y1(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φi]]T]]>f~(Ψ)=f~2(Ψ)f~3(Ψ)Mf~M(Ψ)]]>f~i(Ψ)=[A^(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],A^(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,A^(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φi]]T]]>A^(l)=1MΣi=1MYi(l)e-j[2πλ(xisinθl+yicosθl)+φi]=1M{Σi=2MYi(l)e-j[2πλ(xisinθl+yicosθl)+φi]+Y1(l)}]]>θl為第l個單方位回波的到達角，φi為陣元i的通道相位失配系數(shù)，(xi，yi)為陣元位置坐標，陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)，λ為回波信號波長， 為Ψ的估計值。
本發(fā)明從所有陣元中選出3個陣元構成一個三角陣，對該三角陣進行降低全局最優(yōu)化維數(shù)的處理，并通過初值預估和局部最優(yōu)化方法估計通道相位失配系數(shù)，以降低多維參數(shù)估計的運算量。
1)先從所有陣元中選出3個陣元構成一個三角陣，再選出3個單方位回波用于參數(shù)估計；2)以該三角陣中的任一陣元為基準通道，采用全局最優(yōu)化方法估計另兩個通道的相位失配系數(shù)和3個單方位回波的到達角；3)增加一個單方位回波用于三角陣的參數(shù)估計，得出該單方位回波的到達角；4)按步驟3)得出其它單方位回波的到達角；5)將三角陣與另一個陣元組合成4元陣，再把所有單方位回波用于該4元陣的參數(shù)估計，得到新加入陣元的通道相位失配系數(shù)；6)按步驟5)得出其它陣元的通道相位失配系數(shù)。
本發(fā)明也可在經過步驟4)后，將所有單方位回波用于三角陣的參數(shù)估計，以已求得的單方位回波到達角和通道相位失配系數(shù)的估計值為初值，采用局部最優(yōu)化方法求得這些參數(shù)更精確的估計值，然后進行后面的步驟5)和6)。
在經過步驟6)后，將所有單方位回波用于整個陣列的參數(shù)估計，以已求得的單方位回波到達角和通道相位失配系數(shù)的估計值為初值，采用局部最優(yōu)化方法求得這些參數(shù)更精確的估計值。
對于M元L形陣，將陣元1、2、M作為步驟1)中所選的三角陣用于參數(shù)估計，實現(xiàn)通道相位校正。
對于4元T形陣，將陣元1、2、4或陣元2、3、4作為步驟1)中所選的三角陣用于參數(shù)估計，實現(xiàn)通道相位校正。
對于4元矩形陣，將其中任意3個陣元作為步驟1)中所選的三角陣用于參數(shù)估計，實現(xiàn)通道相位校正。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于其出色的實用性能完全不需要任何輔助信號源，是一種真正的無源通道校正方法。本發(fā)明只利用了單方位回波，不存在有源通道校正方法面臨的船只回波干擾、多徑效應等棘手問題；利用了大量(可達100個以上)高強度單方位海洋回波，信息利用率較高，具有良好的精度和穩(wěn)健性；采用一些特殊處理時運算量較小，能滿足實時性要求；由于海洋回波總是大量存在，該方法能長期不間斷穩(wěn)定工作；大大改善了雷達的應用靈活性，天線系統(tǒng)可隨意更換、增減、移動，這在以前是難以想象的；在提高探測性能的同時，大幅降低了雷達的研制成本和維護費用。


圖1為高頻地波雷達工作原理圖；圖2為高頻地波雷達距離-多普勒(速度)二維回波譜圖；圖3為用于檢測單方位回波的特定形式陣列示意圖；圖4為本發(fā)明M元任意非直線陣列示意圖；圖5為三角陣示意圖；圖6為M元L形陣示意圖；圖7為4元矩形陣示意圖；圖8為4元T形陣示意圖；具體實施方式
本發(fā)明的關鍵在于通過建立非直線天線陣列接收的單方位回波信號模型，將通道校正問題轉化成了參數(shù)估計問題，并由此得到了較為精確的通道失配估計。
首先考慮圖4所示的M(M≥3)元任意非直線天線陣列的情況，以下分步驟對本發(fā)明在該情況下的具體實施方式
進行描述。
(一)信號模型設圖4所示的非直線天線陣列的陣元位置坐標分別為(xi，yi)(i＝1，2，Λ，M)，其中陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)。海洋回波可看作平面波，假設從距離-多普勒(速度)二維回波譜中檢測出的單方位回波有L(L≥3)個，則陣元i接收的第l(l＝1，2，Λ，L)個單方位回波輸出為
Yi(l)=giejφi[A(l)ej2πλ(xisinθl+yicosθl)+Wi(l)]---(1)]]>其中，θl和A(l)分別為第l個單方位回波的到達角和復振幅，gi和φi分別為陣元i的通道幅度失配系數(shù)和相位失配系數(shù)，λ為回波信號波長，Wi(l)為加性噪聲。以陣元1為基準通道，即g1ejφ1=1]]>則由(1)式有Y1(l)＝A(l)+W1(l)(2)對加性噪聲Wi(l)采用以下假設1)對應于不同i或l的Wi(l)相互獨立；2)Wi(l)為具有相同方差σ2的高斯白噪聲。
則(1)和(2)式構成了通道失配估計的信號模型。
(二)通道幅度校正陣元i的通道幅度失配估計可直接通過g^i=Σl=1L|Yi(l)|2/Σl=1L|Y1(l)|2---(3)]]>計算求得，根據(jù) 即可對通道幅度失配進行校正。(3)式還可以有其它形式，如g^i=1LΣl=1L|Yi(l)|2|Y1(l)|2,]]>g^i=Σl=1L|Yi(l)|/Σl=1L|Y1(l)|,]]>g^i=1LΣl=1L|Yi(l)||Y1(l)|,]]>等等。
(三)通道相位校正陣列接收通道經過幅度校正后，陣元i接收的第l個單方位回波輸出為Yi(l)=giejφi[A(l)ej2πλ(xisinθl+yicosθl)+Wi(l)]---(4)]]>定義Yi＝[Yi(1)，Yi(2)，Λ，Yi(L)]Ti＝2，3，Λ，MY=Y2Y3MYM]]>
Ψ＝[θ1，θ2，Λ，θL，φ2，φ3，Λ，φM]Tfi(Ψ)=[A(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],A(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,A(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φi]]T]]>f(Ψ)=f2(Ψ)f3(Ψ)MfM(Ψ)]]>以Ψ為待估參數(shù)矢量，根據(jù)(4)式和噪聲模型假設，采用最大似然法(請參考張賢達所著《現(xiàn)代信號處理》，清華大學出版社，1994年)可得Ψ的估計值為Ψ^argminΨ{[Y-f]ΨH[Y-f(Ψ)]}=argminΨ||Y-f(Ψ)||2---(5)]]>其中， 表示后面表達式極小化時Ψ的取值，‖X‖2表示矢量X的2-范數(shù)。顯然，通道相位失配系數(shù)和單方位回波到達角實現(xiàn)了聯(lián)合估計。
A(l)包含在有噪聲的Yi(l)中，是不可能直接得到的，fi(Ψ)也是不可能直接構造的，實際中用于通道相位失配估計的不可能是(5)式，需要進行改進。在一般信噪比條件(≥20dB)下，由(2)式可得Y1(l)≈A(l)，用Y1(l)替換(5)式中的A(l)，得到Ψ的估計值實際表達式為Ψ^=argminΨ||Y-f′(Ψ)||2---(6)]]>其中f′(Ψ)=f2′(Ψ)f3′(Ψ)MfM′(Ψ)]]>fi′(Ψ)=[Y1(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],Y1(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,Y1(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φi]]T]]>根據(jù) 即可對通道相位失配進行校正。如用其它量替換(5)式中的A(l)，(6)式還可以有其它形式，如Ψ^=argminΨ||Y-f~(Ψ)||2,]]>其中Y和Ψ定義與前面相同， 定義為
f~(Ψ)=f~2(Ψ)f~3(Ψ)Mf~M(Ψ)]]>f~i(Ψ)=[A^(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],A^(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,A^(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φi]]T]]>A^(l)=1MΣi=1MYi(l)e-j[2πλ(xisinθl+yicosθl)+φi]=1M{Σi=2MYi(l)e-j[2πλ(xisinθl+yicosθl)+φi]+Y1(l)}]]>理論分析和仿真實驗表明，上述通道相位校正方法的適用條件是采用非直線陣列且存在至少兩個角度相差不為0°或180°的單方位回波。通道相位失配估計由于涉及所有陣元，實際上是一個多維參數(shù)估計問題，要通過多維搜索求得，這就涉及最優(yōu)化方法的選擇。由于存在局部極小，必須采用全局最優(yōu)化方法(請參考唐芳、王凌發(fā)表的論文“從局部極小到全局最優(yōu)”，計算機工程與應用，2002.656～58)對通道相位失配進行估計，在參數(shù)較多(可達100個以上)的情況下運算量十分驚人，達不到實時性要求。本發(fā)明采用了特殊處理以降低運算量，下面將對此作詳細說明。
圖5所示為最簡單的非直線陣列由不共直線的3個陣元構成的三角陣。若只利用3個單方位回波聯(lián)合估計該三角陣的通道相位失配系數(shù)和單方位回波到達角，則根據(jù)(6)式可判斷為5維搜索(有一個陣元作為基準通道)。由于維數(shù)較少，即使采用模擬退火、進化計算、混沌搜索、隨機抽樣等全局最優(yōu)化方法，該5維搜索的運算量也不大，可滿足實時性要求。
對于圖4所示的M元任意非直線陣列，為了降低多維參數(shù)估計的運算量，可利用其中包含的某個三角陣先對待估參數(shù)進行初值預估，再采用局部最優(yōu)化方法(如最速下降法)求得更精確估計，具體步驟如下1)先從所有陣元中選出3個陣元構成一個三角陣，再從大量單方位回波中選出3個用于參數(shù)估計。
2)以該三角陣中的某個陣元為基準通道，采用全局最優(yōu)化方法估計另兩個通道的相位失配系數(shù)和3個單方位回波的到達角，這是5維搜索。
3)增加一個單方位回波用于三角陣的參數(shù)估計，則(6)式中待估參數(shù)也增加了一個(即新增單方位回波的到達角)，由5維搜索變成了6維搜索；將步驟2)求得的5個參數(shù)估計值代入含有6個待估參數(shù)的(6)式，再采用只剩一個待估參數(shù)的(6)式估計新增單方位回波的到達角，這是1維搜索。
4)除了步驟1)中選出的3個單方位回波，其它L-3個單方位回波的到達角估計值都可采用步驟3)中的方法求得。
5)將所有L個單方位回波用于三角陣的參數(shù)估計，以已求得的L+2個參數(shù)(L個單方位回波到達角和2個通道相位失配系數(shù))估計值為初值，采用局部最優(yōu)化方法求得這些參數(shù)更精確的估計值。
6)將三角陣與另一個陣元組合成4元陣，再把所有L個單方位回波用于該4元陣的參數(shù)估計，則(6)式中待估參數(shù)為L+3個；將步驟5)已求得的L+2個參數(shù)估計值代入(6)式，則(6)式只剩一個待估參數(shù)，即新加入陣元的通道相位失配系數(shù)，可采用1維搜索求得其估計值。
7)除了步驟1)中選出的三角陣，其它M-3個陣元的通道相位失配估計值都可采用步驟6)中的方法求得。
8)將所有L個單方位回波用于整個M元陣列的參數(shù)估計，以已求得的L+M-1個參數(shù)(L個單方位回波到達角和M-1個通道相位失配系數(shù))估計值為初值，采用局部最優(yōu)化方法求得這些參數(shù)更精確的估計值。
在參數(shù)初值預估誤差不大的情況下，局部最優(yōu)化所得結果也是全局最優(yōu)，而計量量卻比全局最優(yōu)化小得多。以上特殊處理中的初值預估實際上占用了大部分計算時間，但其中最多只涉及5維搜索的全局最優(yōu)化，因而能滿足實時性要求。以上8個步驟是特殊處理的典型方式，在實際應用中可根據(jù)具體情況進行簡化、充實、調整或改進，其基本思想是利用對三角陣的處理降低全局最優(yōu)化的維數(shù)，并通過初值預估盡可能采用局部最優(yōu)化方法，以達到降低多維參數(shù)估計運算量的目的。
圖6所示為M元L形陣，是本發(fā)明較常見的一個實施例。陣元1～M-1構成一個均勻線陣，其中可劃分出多個用于檢測單方位回波的平移不變陣元偶組。通道幅度校正可通過(3)式實現(xiàn)，關鍵是通道相位校正。將陣元1、2、M構成的三角陣用于參數(shù)初值預估，通過(6)式和特殊處理即可實現(xiàn)通道相位校正。
圖7所示為4元矩形陣。在該實施例中，4個陣元僅構成了一個可用于檢測單方位回波的平移不變陣元偶組，其中任意3個陣元構成的三角陣都可用于參數(shù)初值預估。
圖8所示為4元T形陣。在該實施例中，陣元1～3構成3元均勻線陣，只能劃分出一個用于檢測單方位回波的平移不變陣元偶組。陣元1、2、4和陣元2、3、4構成的兩個三角陣都可用于參數(shù)初值預估。
雖然本發(fā)明描述的通道校正方法首先在高頻地波雷達上獲得了成功，但從本質上講，該方法也有可能應用于其它接收了大量單方位信號的探測系統(tǒng)或通信系統(tǒng)。
權利要求
1.一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于將天線陣列設置為含有平移不變陣元偶組的非直線形式；通過平移不變陣元偶組檢測出單方位海洋回波；利用單方位海洋回波估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正；利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息估計通道相位失配系數(shù)，實現(xiàn)相位校正。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于利用單方位海洋回波通過g^i=Σl=1L|Yi(l)|2/Σl=1L|Y1(l)|2]]>估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正，其中 為陣元i的通道幅度失配系數(shù)估計值，i＝1，2，Λ，M，M為陣元個數(shù)，Yi(l)為陣元i接收的第l個單方位回波輸出，l＝1，2，Λ，L，L為單方位回波個數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于利用單方位海洋回波通過g^i=1LΣl=1L|Yi(l)|2|Y1(l)|2]]>估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正，其中 為陣元i的通道幅度失配系數(shù)估計值，i＝1，2，Λ，M，M為陣元個數(shù)，Yi(l)為陣元i接收的第l個單方位回波輸出，l＝1，2，Λ，L，L為單方位回波個數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于利用單方位海洋回波通過g^i=Σl=1L|Yi(l)|/Σl=1L|Y1(l)|]]>估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正，其中 為陣元i的通道幅度失配系數(shù)估計值，i＝1，2，Λ，M，M為陣元個數(shù)，Yi(l)為陣元i接收的第l個單方位回波輸出，l＝1，2，Λ，L，L為單方位回波個數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于利用單方位海洋回波通過g^i=1LΣl=1L|Yi(l)||Y1(l)|]]>估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正，其中 為陣元i的通道幅度失配系數(shù)估計值，i＝1，2，Λ，M，M為陣元個數(shù)，Yi(l)為陣元i接收的第l個單方位回波輸出，l＝1，2，Λ，L，L為單方位回波個數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1至5所述任意一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息通過Ψ^=argminΨ||Y-f′(Ψ)||2]]>估計通道相位失配系數(shù)，實現(xiàn)相位校正，其中Ψ＝[θ1，θ2，Λ，θL，φ2，φ3，Λ，φM]TY=Y2Y3MYM]]>Yi＝[Yi(1)，Yi(2)，Λ，Yi(L)]Tf′(Ψ)=f2′(Ψ)f3′(Ψ)MfM′(Ψ)]]>fi′(Ψ)=[Y1(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],Y1(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,Y1(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φI]]T]]>θl為第l個單方位回波的到達角，φi為陣元i的通道相位失配系數(shù)，(xi，yi)為陣元位置坐標，陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)，λ為回波信號波長， 為Ψ的估計值。
7.根據(jù)權利要求1至5所述任意一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息通過Ψ^=argminΨ||Y-f~(Ψ)||2]]>估計通道相位失配系數(shù)，實現(xiàn)相位校正，其中Ψ＝[θ1，θ2，Λ，θL，φ2，φ3，Λ，φM]TY=Y2Y3MYM]]>Yi＝[Yi(1)，Yi(2)，Λ，Yi(L)]Tf~(Ψ)=f2~(Ψ)f3~(Ψ)MfM~(Ψ)]]>fi~(Ψ)=[A^(1)ej[2πλ(xisinθ1+yicosθ1)+φi],A^(2)ej[2πλ(xisinθ2+yicosθ2)+φi],Λ,A^(L)ej[2πλ(xisinθL+yicosθL)+φI]]T]]>A^(l)=1MΣi=1MYi(l)e-j[2πλ(xisinθl+yicosθl)+φi]=1M{Σi=2MYi(l)e-j[2πλ(xisinθl+yicosθl)+φi]+Y1(l)}]]>θl為第l個單方位回波的到達角，φi為陣元i的通道相位失配系數(shù)，(xi，yi)為陣元位置坐標，陣元1為坐標原點，即(x1，y1)＝(0，0)，λ為回波信號波長， 為Ψ的估計值。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于從所有陣元中選出3個陣元構成一個三角陣，對該三角陣進行降低全局最優(yōu)化維數(shù)的處理，并通過初值預估和局部最優(yōu)化方法估計通道相位失配系數(shù)。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于1)先從所有陣元中選出3個陣元構成一個三角陣，再選出3個單方位回波用于參數(shù)估計；2)以該三角陣中的任一陣元為基準通道，采用全局最優(yōu)化方法估計另兩個通道的相位失配系數(shù)和3個單方位回波的到達角；3)增加一個單方位回波用于三角陣的參數(shù)估計，得出該單方位回波的到達角；4)按步驟3)得出其它單方位回波的到達角；5)將三角陣與另一個陣元組合成4元陣，再把所有單方位回波用于該4元陣的參數(shù)估計，得到新加入陣元的通道相位失配系數(shù)；6)按步驟5)得出其它陣元的通道相位失配系數(shù)。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于在經過步驟4)后，將所有單方位回波用于三角陣的參數(shù)估計，以已求得的單方位回波到達角和通道相位失配系數(shù)的估計值為初值，采用局部最優(yōu)化方法求得這些參數(shù)更精確的估計值，然后進行后面步驟。
11.根據(jù)權利要求9所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于在經過步驟6)后，將所有單方位回波用于整個陣列的參數(shù)估計，以已求得的單方位回波到達角和通道相位失配系數(shù)的估計值為初值，采用局部最優(yōu)化方法求得這些參數(shù)更精確的估計值。
12.根據(jù)權利要求9所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于對于M元L形陣，將陣元1、2、M作為步驟1)中所選的三角陣用于參數(shù)估計，實現(xiàn)通道相位校正。
13.根據(jù)權利要求9所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于對于4元T形陣，將陣元1、2、4或陣元2、3、4作為步驟1)中所選的三角陣用于參數(shù)估計，實現(xiàn)通道相位校正。
14.根據(jù)權利要求9所述的一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，其特征在于對于4元矩形陣，將其中任意3個陣元作為步驟1)中所選的三角陣用于參數(shù)估計，實現(xiàn)通道相位校正。
全文摘要
一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法，將天線陣列設置為含有平移不變陣元偶組的非直線形式；通過平移不變陣元偶組檢測出單方位海洋回波；利用單方位海洋回波估計通道幅度失配系數(shù)，實現(xiàn)幅度校正；利用已經過幅度校正的單方位海洋回波和已知的陣列位置信息估計通道相位失配系數(shù)，實現(xiàn)相位校正。本發(fā)明完全不需要任何輔助信號源，是一種真正的無源通道校正方法，其優(yōu)勢在于不存在有源通道校正方法面臨的船只回波干擾、多徑效應等棘手問題；利用了大量高強度單方位海洋回波，具有良好的精度和穩(wěn)健性；運算量較??；能長期不間斷穩(wěn)定工作；大大改善了雷達的應用靈活性；在提高探測性能的同時，大幅降低了雷達的研制成本和維護費用。
文檔編號G01S13/00GK1847877SQ200610071360
公開日2006年10月18日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權日2005年3月24日
發(fā)明者程豐, 吳雄斌 申請人:武漢大學