一種用于hf/vhf雷達的微型接收天線及方位角估計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達技術領域，尤其涉及一種用于接收海面、水面散射回波和目標回 波，以及低空目標回波的HF/VHF雷達的微型水平正交環(huán)天線，與一種不需要測量天線實際 方向圖或借助任何輔助校準源進行校準就能進行方位角估計的方法。
【背景技術】
[0002] 采用垂直極化方式的高頻雷達可以實現(xiàn)對海洋表面環(huán)境的全天候、大面積、超視 距、實時監(jiān)測，已廣泛應用于海洋表面風、浪、流等動力學參數(shù)的反演，以及海面低空飛行目 標或船只的探測。參數(shù)反演和目標探測的精度在很大程度上依賴所采用的雷達接收天線陣 列的口徑和方向圖的準確性。
[0003]目前探測海洋的高頻雷達主要采用的天線陣列有兩種：一種是傳統(tǒng)的相控天線 陣，其特點是天線口徑大、波束窄，從而角度分辨率高，但也存在占地面積大、成本高、難以 維護、機動性差的缺點；另一種是以單極子/交叉環(huán)天線為代表的小型化天線陣，它由一 個單極子和兩個共相位中心的正交環(huán)天線組成，通過比幅的方式來判斷來波方位角，其特 點是體積小、易于架設和維護，成本低，缺點是波束寬，角度分辨能力差，但是越來越多的研 宄表明，單極子/交叉環(huán)天線在海面動力學參數(shù)反演方面具有和相控天線陣近似的性能， 在目標探測方面的潛能也日益受到重視，因此小型化天線逐漸成為高頻探海雷達的一大趨 勢。目前，采用單極子/交叉環(huán)天線的高頻雷達系統(tǒng)主要以美國Codar公司生產(chǎn)的SeaSonde 系統(tǒng)和武漢大學研制的0SMAR-S系統(tǒng)為代表，這兩套系統(tǒng)均已成功業(yè)務化運行，并得到了 業(yè)界的廣泛認可。
[0004] 對于單極子/交叉環(huán)天線而言，目標的方位信息主要體現(xiàn)在不同通道的幅度差異 上，其中單極子感應垂直極化回波中的電場分量，理想方向圖呈現(xiàn)各向同性的圓；兩個正交 環(huán)感應到的均為磁場分量，理想方向圖呈現(xiàn)對稱的"8"字形；環(huán)天線接收信號幅度以單極 子上的幅度做參考，從而抵消來自不同距離、方位的電磁波衰減的不一致。由于感應的電磁 場分量不一樣，環(huán)境因素（例如金屬欄桿、山體、房屋、地勢起伏等）對單極子和兩個環(huán)天線 的影響也各不一樣，因此造成了天線方向圖的畸變。當天線的實際方向圖發(fā)生畸變時，如果 仍然用理想方向圖去估算方位，則會產(chǎn)生估計偏差，畸變越大，偏差也越大。為了保證方位 估計的準確性，每次架設完天線后都需要重新實地測試天線的方向圖。
[0005] 天線方向圖的測試方法大體分為兩種：一種是借助輔助信號源的測試，另一種是 通過軟件算法去估計。美國Codar公司公布了一種采用船載應答器測量遠場天線方向圖 的方法 [1]，接收機通道接收到應答器在不同的方位上發(fā)射的模擬目標信號，并根據(jù)應答器 上記錄的GPS坐標，來計算天線的方向圖。中國專利CN101013147A，名稱"高頻線性調(diào)頻雷 達方向圖測量方法"公開了利用單頻信號發(fā)生器代替應答器來測量天線方向圖的方法。這 兩種通過設置人工信源來測試天線方向圖的方法均存在耗時長，成本高，操作不便等缺點， 且每當環(huán)境發(fā)生變化時需要重新測試，工作量大。中國專利CN103837867A，名稱"一種利用 AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法"公布了一種借助船舶輔助信息來測量天線方 向圖的方法，利用海面船舶的距離、速度、航向、位置等信息來計算雷達接收通道在不同方 位的幅度響應，從而計算出天線的方向圖，但是該方法的有效性受船舶的數(shù)量、方位分布影 響較大，在對湖泊、海灣、江河入?？诘刃枰玫缴醺哳l雷達進行近程探測的場合，船只分 布少，尤其不適用。中國專利CN102707270A，名稱"高頻地波雷達相對天線方向圖自動估計 方法"給出了一種通過軟件遞推算法估計天線方向圖的方法，其有效性和可靠性尚需進一 步驗證。
[0006] 綜上所述，小型化天線在高頻/甚高頻雷達中的應用日益增多，但是天線方向特 性受環(huán)境影響的問題卻亟待解決，一旦方向圖發(fā)生畸變，將對目標方位估計產(chǎn)生惡劣的影 響，必須花費更大的代價去測試天線的實際方向圖，這是一項耗時、耗力、量大的重復性工 作。如何從源頭上解決天線方向圖受環(huán)境影響的問題已是迫在眉睫。
[0007] [l]CODAR Ocean Sensors, Ltd. , User's Guide for:SeaSonde Radial Site Antenna Pattern Measurement, 2003.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有天線中存在的問題，本發(fā)明的目的是設計一種新的用于HF/VHF雷達的 微型接收天線以及相應的方位角估計的新技術，消除環(huán)境對天線方向性的影響，實現(xiàn)不需 要實測天線方向圖也能對方位進行準確估計的目的。
[0009] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0010] 一種用于HF/VHF雷達的微型接收天線，包含兩個獨立的單元，各單元均包括相同 的部件，具體包括：環(huán)天線、天線諧振回路、天線放大器、供電模塊、外圍電路；兩個單元相 互正交地固定于同一電路板上，電路板用絕緣、防水外盒封閉，盒體底部留有兩個同軸電纜 插座，各單元輸出信號分別與同軸電纜插座相連。
[0011] 所述的環(huán)天線包括兩組繞制在鐵氧體磁棒上的線圈，兩個單元中的環(huán)天線分別為 環(huán)天線A和環(huán)天線B ;環(huán)天線A對應線圈a、b，環(huán)天線B對應線圈c、d ;四個線圈均水平擺放 在電路板上，并且關于電路板中心對稱；擺放方式包括兩種：十字擺放和方形擺放；十字擺 放即線圈a、線圈b位于"十"字的一條邊上，線圈c、線圈d共軸地位于另一邊，且與前者正 交；方形擺放即線圈a、線圈b位于方形的兩條對邊上，線圈c、線圈d位于另外兩條對邊上。
[0012] 所述環(huán)天線中，兩個線圈的一端分別與同一個串聯(lián)諧振電容連接，兩個線圈的另 一端分別與同一個天線放大器連接，天線放大器通過電纜與接收機通道連接。
[0013] 一種利用上述天線進行方位角估計的方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟1、架設天線之前，測量對應兩個環(huán)天線的接收通道的幅度差異及兩個環(huán) 天線分別達到最大響應時的幅度差異Ga，架設天線之后的通道幅度差異記為