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一種利用ais信息進行高頻雷達天線通道校正的方法
【專利摘要】本發明提供一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，利用雷達覆蓋海域內所接收到的大量船只AIS信息及船只回波，通過分析其在不同通道上響應的信號關系，進行單極子交叉環天線的通道校正。本發明完全不需要任何人工設置的輔助信號源，僅需要簡易的AIS接收設備，是一種無源且方便易行的通道校正方法，并且可拓展到其它天線形式。本發明的優勢在于：成本低，不需要有源校準時大量的復雜設備；使用大量而分布廣泛的船舶AIS信號，得到的通道校正值具有良好的精度且穩定；計算量小，對天線形制沒有要求，適用范圍廣。
【專利說明】一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法。
【背景技術】
[0002]高頻地波雷達工作在3-30MHZ的高頻頻段，可實現對海洋大范圍的超視距探測，目前已廣泛應用于探測海態參數，如流速、流向、浪高等。由于高頻信號波長與機動目標(如飛機、艦船等)尺度相當，可獲得較大的散射截面，從而在探測硬目標也有巨大的潛力。
[0003]高頻雷達采用陣列式或緊湊式的天線，通過空間波束形成或方向掃描技術對目標方位進行估計。傳統陣列式天線具有精度高、信號處理方便等特點，但同樣具有造價高、架設不便等缺點。單極子交叉環天線是一種緊湊式天線，它由一個單極子天線和兩個相互垂直的電小環天線組成，制造容易、架設方便且性能良好。在理想情況下，單極子天線的水平方向圖是一個圓，兩個環的方向圖分別為正弦、余弦曲線，三個天線的最大幅度響應應該保持一致，相位響應則完全相同。
[0004]單極子交叉環天線測向的原理是利用目標回波在三個通道幅度響應不同而實現的，即“比幅”的方法，這種方法對天線通道的理想特性要求很高。在實際操作中，由于各接收通道硬件本身的差異及周邊環境影響等多種因素的作用，天線三個通道的幅度及相位特性很容易發生改變，遠離理想的天線特性，從而造成天線通道失配。通道失配的直接后果就是給測向帶來顯著的誤差，給雷達數據的后續處理造成很大困難。這成為了限制單極子交叉環天線推廣使用的重要因素，為保證雷達工作正常，必須對這種通道失配現象做校正處理，使誤差盡可能小:一方面，在硬件制作時盡量提高工藝保證各通道盡量一致；另一方面，可以采用軟件手段估計通道失配參數，進行接收通道幅相校正。
[0005]現有的軟件通道矯正方法可分為有源校正和無源校正兩類。在有源校正中，需要人工設置輔助信號源，在距離天線足夠距離處發射參考信號，通過測量該已知信號在各接收通道輸出信號的幅度和相位來估計天線的通道失配參數。美國CODAR公司測量天線方向圖即采用此方法，需要大量額外的設備，操作不便，且不具有長時間的穩定性。中國專利CN101013147A，名稱“高頻線性調頻雷達方向圖測量方法”提供了一種采用單頻連續正弦信號、利用時頻分析得到天線方向圖的方法，此方法與傳統方法相比大大降低了測量所用的成本，但仍然需要額外的信號源，操作較為不便。
[0006]無源校正方法不需要額外信號源，直接利用接收到的回波信息配合其它先驗知識估計通道失配參數。相較于有源校正，無源校正成本低、操作簡便，是更適合的通道矯正方法。中國專利CN1566983A，名稱“一種利用海洋回波進行陣列通道校正的方法”和中國專利CN1847877A，名稱“一種基于非直線天線陣列的無源通道校正方法”給出了兩種利用單到達角海洋回波進行天線通道校正的方法，在武漢大學早期所研制的陣列式高頻地波雷達中得到了應用。然而這些方法有特殊陣列形制的限制，不易推廣到緊湊式天線，并且計算略顯復雜，性能也不能達到有源校準的水平；中國專利CN1804656A，名稱“一種利用電離層回波進行高頻雷達天線陣列通道校正的方法”給出一種利用電離層回波進行天線校正的方法，計算量小且性能良好，但存在著對電離層的依賴性，缺乏足夠的穩定性；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計算天線方向圖的方法，此方法的運算量較大，實用性尚需進一步的驗證。
[0007]綜合目前已有的無源校正方法，通常計算量較大且不夠穩定，尚缺乏應用廣泛、高性能的無源校正方法。
[0008]本專利提供了一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的新方法。船舶自動識別系統(Automatic Idenfication System, AIS)是近十余年來發展的新技術,用于船舶交管服務識別船舶以及船船間避碰。此標準于1998年在國際海事組織的大會上通過，之后成為國際船只海上通信的共同標準。AIS基于自組織的時分多址(SOTDMA)通信原理，海上的船只利用VHF信道定時向周邊廣播本船的信息。AIS信息分為四類:靜態信息、動態信息、航次相關信息、安全相關信息。本發明主要利用的信息是其中的位置、速度及時間信息。

【發明內容】

[0009]針對現有方法的局限性，本發明的目的是提供一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，利用接收到的AIS信息及船只回波，為高頻地波雷達提供一種廉價、準確且能適用于任意天線形式的無源通道校正方法。
[0010]本發明的技術方案是:
[0011]一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，通過接收海上攜帶AIS發射器船只的AIS信息并與雷達探測到的目標回波相匹配，劃分雷達視野為以I度為單位的角度網格，得到平均每個角度網格10個以上的目標，再把匹配的目標與其幅度進行加權平均處理來進行通道幅度和相位值的校正；具體包括以下步驟:
[0012]步驟1、在雷達距離-多普勒譜上采用基于恒虛警CFAR的三級目標檢測算法檢測出雷達目標點跡；
[0013]步驟2、將接收到的AIS數據通過經緯度到極坐標的坐標轉換法把攜帶AIS發射器的船只對應顯示到距離-多普勒譜上；
[0014]步驟3、在雷達距離-多普勒譜上將攜帶AIS發射器的船只與雷達所探測到的點目標相匹配，從AIS數據讀取對應船只的經緯度，計算出目標相對于雷達站的到達角；
[0015]步驟4、統計處在同一角度網格的目標，平均每個角度網格積累10個目標以上，將其在兩環通道上的回波信號對單極子通道的信號比值幅度加權，從而得到該角度的通道幅度校正參數與相位校正參數；
[0016]步驟5、綜合整個角度范圍，得到天線的陣列流形。
[0017]所述步驟I的具體實現過程為:
[0018]采用基于恒虛警CFAR的三級目標檢測算法，在實時獲得的雷達數據的距離多普勒譜上檢測出雷達疑似目標點跡，剔除信噪低于IOdB的目標。
[0019]所述步驟2的具體實現過程為:
[0020]使用市面上比較普遍的簡易AIS接收裝置接收海上攜帶AIS發射器船只的AIS信息，得到雷達場次對應的時間段內所有攜帶AIS發射器船只的速度、位置信息，剔除其中靜止的船只，將剩下的船只通過經緯度到極坐標的坐標變換方法轉換到雷達距離-多普勒二維譜上。[0021]所述步驟3的具體實現過程為:
[0022]尋找雷達目標與AIS目標匹配的組合，當兩者相差一個距離元、兩個多普勒元之內，即匹配成功，將匹配后的雷達目標作為校正源。
[0023]所述步驟4的具體實現過程為:
[0024]將雷達視野中感興趣的海域劃分為M個角度網格，把已知方位角的校正源落入設置角度網格里，保存每個校正源在三個通道的復數響應值，即(X1WX2WX3ij)的形式，其中
1、2、3代表單極子天線與兩環，i代表角度網格序號，j代表落入該網格的校正源序號。
[0025]所述步驟5的具體實現過程為:
[0026]平均每個方位角都積累10個以上校正源之后，對每一個距離網格里的所有校正源進行幅相與信號幅度加權平均，得到該方向的通道幅相校正值，的具體實現步驟包括:
[0027]對于第i個網格，假設有Ni個校正源，則以單極子天線為參考通道，最終得到的幅度校正參數為:
【權利要求】
1.一種利用Ais信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，其特征在于:通過接收海上攜帶AIS發射器船只的AIS信息并與雷達探測到的目標回波相匹配，劃分雷達視野為以I度為單位的角度網格，得到平均每個角度網格10個以上的目標，再把匹配的目標與其幅度進行加權平均處理來進行通道幅度和相位值的校正；具體包括以下步驟: 步驟1、在雷達距離-多普勒譜上采用基于恒虛警CFAR的三級目標檢測算法檢測出雷達目標點跡； 步驟2、將接收到的AIS數據通過經緯度到極坐標的坐標轉換法把攜帶AIS發射器的船只對應顯示到距離-多普勒譜上； 步驟3、在雷達距離-多普勒譜上將攜帶AIS發射器的船只與雷達所探測到的點目標相匹配，從AIS數據讀取對應船只的經緯度，計算出目標相對于雷達站的到達角； 步驟4、統計處在同一角度網格的目標，平均每個角度網格積累10個目標以上，將其在兩環通道上的回波信號對單極子通道的信號比值幅度加權，從而得到該角度的通道幅度校正參數與相位校正參數； 步驟5、綜合整個角度范圍，得到天線的陣列流形。
2.根據權利要求1所述的一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟I的具體實現過程為: 采用基于恒虛警CFAR的三級目標檢測算法，在實時獲得的雷達數據的距離多普勒譜上檢測出雷達疑似目標點跡，剔除信噪低于IOdB的目標。
3.根據權利要求2所述的一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟2的具體實現過程為: 使用AIS接收裝置接收海上攜帶AIS發射器船只的AIS信息，得到雷達場次對應的時間段內所有攜帶AIS發射器船只的速度、位置信息，剔除其中靜止的船只，將剩下的船只通過經緯度到極坐標的坐標變換方法轉換到雷達距離-多普勒二維譜上。
4.根據權利要求3所述的一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟3的具體實現過程為: 尋找雷達目標與AIS目標匹配的組合，當兩者相差一個距離元、兩個多普勒元之內，即匹配成功，將匹配后的雷達目標作為校正源。
5.根據權利要求4所述的一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟4的具體實現過程為: 將雷達視野中感興趣的海域劃分為M個角度網格，把已知方位角的校正源落入所設置的角度網格里，在距離-多普勒圖上讀取并保存每個校正源在三個通道的復數響應值X3ij，其中1、2、3代表單極子天線與兩環，i代表角度網格序號，j代表落入該網格的校正源序號。
6.根據權利要求5所述的一種利用AIS信息進行高頻雷達天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟5的具體實現過程為: 平均每個方位角都積累10個以上校正源之后，對每一個距離網格里的所有校正源進行幅相與信號幅度加權平均，得到該方向的通道幅相校正值；具體實現步驟包括: 對于第i個網格，假設有Ni個校正源，則以單極子天線為參考通道，最終得到的幅度校正參數為:
【文檔編號】G01S7/40GK103837867SQ201410104866
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】文必洋, 王若琨, 楊靜, 石陽升 申請人:武漢大學