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一種利用ais信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，利用雷達(dá)覆蓋海域內(nèi)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(yīng)的信號關(guān)系，進(jìn)行單極子交叉環(huán)天線的通道校正。本發(fā)明完全不需要任何人工設(shè)置的輔助信號源，僅需要簡易的AIS接收設(shè)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(fā)明的優(yōu)勢在于：成本低，不需要有源校準(zhǔn)時大量的復(fù)雜設(shè)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(wěn)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(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高頻地波雷達(dá)工作在3-30MHZ的高頻頻段，可實現(xiàn)對海洋大范圍的超視距探測，目前已廣泛應(yīng)用于探測海態(tài)參數(shù)，如流速、流向、浪高等。由于高頻信號波長與機動目標(biāo)(如飛機、艦船等)尺度相當(dāng)，可獲得較大的散射截面，從而在探測硬目標(biāo)也有巨大的潛力。
[0003]高頻雷達(dá)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(shù)對目標(biāo)方位進(jìn)行估計。傳統(tǒng)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(shè)不便等缺點。單極子交叉環(huán)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(huán)天線組成，制造容易、架設(shè)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(huán)的方向圖分別為正弦、余弦曲線，三個天線的最大幅度響應(yīng)應(yīng)該保持一致，相位響應(yīng)則完全相同。
[0004]單極子交叉環(huán)天線測向的原理是利用目標(biāo)回波在三個通道幅度響應(yīng)不同而實現(xiàn)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(huán)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(fā)生改變，遠(yuǎn)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(dá)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理造成很大困難。這成為了限制單極子交叉環(huán)天線推廣使用的重要因素，為保證雷達(dá)工作正常，必須對這種通道失配現(xiàn)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(shù)，進(jìn)行接收通道幅相校正。
[0005]現(xiàn)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(shè)置輔助信號源，在距離天線足夠距離處發(fā)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(shù)。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(shè)備，操作不便，且不具有長時間的穩(wěn)定性。中國專利CN101013147A，名稱“高頻線性調(diào)頻雷達(dá)方向圖測量方法”提供了一種采用單頻連續(xù)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(tǒng)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(shù)。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(jìn)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(dá)角海洋回波進(jìn)行天線通道校正的方法，在武漢大學(xué)早期所研制的陣列式高頻地波雷達(dá)中得到了應(yīng)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(fù)雜，性能也不能達(dá)到有源校準(zhǔn)的水平；中國專利CN1804656A，名稱“一種利用電離層回波進(jìn)行高頻雷達(dá)天線陣列通道校正的方法”給出一種利用電離層回波進(jìn)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(wěn)定性；中國專利CN102707270A，名稱“高頻地波雷達(dá)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(jìn)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(wěn)定，尚缺乏應(yīng)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(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的新方法。船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Idenfication System, AIS)是近十余年來發(fā)展的新技術(shù),用于船舶交管服務(wù)識別船舶以及船船間避碰。此標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(tài)信息、動態(tài)信息、航次相關(guān)信息、安全相關(guān)信息。本發(fā)明主要利用的信息是其中的位置、速度及時間信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有方法的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)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(dá)提供一種廉價、準(zhǔn)確且能適用于任意天線形式的無源通道校正方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0011]一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，通過接收海上攜帶AIS發(fā)射器船只的AIS信息并與雷達(dá)探測到的目標(biāo)回波相匹配，劃分雷達(dá)視野為以I度為單位的角度網(wǎng)格，得到平均每個角度網(wǎng)格10個以上的目標(biāo)，再把匹配的目標(biāo)與其幅度進(jìn)行加權(quán)平均處理來進(jìn)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(dá)距離-多普勒譜上采用基于恒虛警CFAR的三級目標(biāo)檢測算法檢測出雷達(dá)目標(biāo)點跡；
[0013]步驟2、將接收到的AIS數(shù)據(jù)通過經(jīng)緯度到極坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法把攜帶AIS發(fā)射器的船只對應(yīng)顯示到距離-多普勒譜上；
[0014]步驟3、在雷達(dá)距離-多普勒譜上將攜帶AIS發(fā)射器的船只與雷達(dá)所探測到的點目標(biāo)相匹配，從AIS數(shù)據(jù)讀取對應(yīng)船只的經(jīng)緯度，計算出目標(biāo)相對于雷達(dá)站的到達(dá)角；
[0015]步驟4、統(tǒng)計處在同一角度網(wǎng)格的目標(biāo)，平均每個角度網(wǎng)格積累10個目標(biāo)以上，將其在兩環(huán)通道上的回波信號對單極子通道的信號比值幅度加權(quán)，從而得到該角度的通道幅度校正參數(shù)與相位校正參數(shù)；
[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(xiàn)過程為:
[0018]采用基于恒虛警CFAR的三級目標(biāo)檢測算法，在實時獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)的距離多普勒譜上檢測出雷達(dá)疑似目標(biāo)點跡，剔除信噪低于IOdB的目標(biāo)。
[0019]所述步驟2的具體實現(xiàn)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(fā)射器船只的AIS信息，得到雷達(dá)場次對應(yīng)的時間段內(nèi)所有攜帶AIS發(fā)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(jīng)緯度到極坐標(biāo)的坐標(biāo)變換方法轉(zhuǎn)換到雷達(dá)距離-多普勒二維譜上。[0021]所述步驟3的具體實現(xiàn)過程為:
[0022]尋找雷達(dá)目標(biāo)與AIS目標(biāo)匹配的組合，當(dāng)兩者相差一個距離元、兩個多普勒元之內(nèi)，即匹配成功，將匹配后的雷達(dá)目標(biāo)作為校正源。
[0023]所述步驟4的具體實現(xiàn)過程為:
[0024]將雷達(dá)視野中感興趣的海域劃分為M個角度網(wǎng)格，把已知方位角的校正源落入設(shè)置角度網(wǎng)格里，保存每個校正源在三個通道的復(fù)數(shù)響應(yīng)值，即(X1WX2WX3ij)的形式，其中
1、2、3代表單極子天線與兩環(huán)，i代表角度網(wǎng)格序號，j代表落入該網(wǎng)格的校正源序號。
[0025]所述步驟5的具體實現(xiàn)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(wǎng)格里的所有校正源進(jìn)行幅相與信號幅度加權(quán)平均，得到該方向的通道幅相校正值，的具體實現(xiàn)步驟包括:
[0027]對于第i個網(wǎng)格，假設(shè)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(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種利用Ais信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，其特征在于:通過接收海上攜帶AIS發(fā)射器船只的AIS信息并與雷達(dá)探測到的目標(biāo)回波相匹配，劃分雷達(dá)視野為以I度為單位的角度網(wǎng)格，得到平均每個角度網(wǎng)格10個以上的目標(biāo)，再把匹配的目標(biāo)與其幅度進(jìn)行加權(quán)平均處理來進(jìn)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(dá)距離-多普勒譜上采用基于恒虛警CFAR的三級目標(biāo)檢測算法檢測出雷達(dá)目標(biāo)點跡； 步驟2、將接收到的AIS數(shù)據(jù)通過經(jīng)緯度到極坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法把攜帶AIS發(fā)射器的船只對應(yīng)顯示到距離-多普勒譜上； 步驟3、在雷達(dá)距離-多普勒譜上將攜帶AIS發(fā)射器的船只與雷達(dá)所探測到的點目標(biāo)相匹配，從AIS數(shù)據(jù)讀取對應(yīng)船只的經(jīng)緯度，計算出目標(biāo)相對于雷達(dá)站的到達(dá)角； 步驟4、統(tǒng)計處在同一角度網(wǎng)格的目標(biāo)，平均每個角度網(wǎng)格積累10個目標(biāo)以上，將其在兩環(huán)通道上的回波信號對單極子通道的信號比值幅度加權(quán)，從而得到該角度的通道幅度校正參數(shù)與相位校正參數(shù)； 步驟5、綜合整個角度范圍，得到天線的陣列流形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟I的具體實現(xiàn)過程為: 采用基于恒虛警CFAR的三級目標(biāo)檢測算法，在實時獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)的距離多普勒譜上檢測出雷達(dá)疑似目標(biāo)點跡，剔除信噪低于IOdB的目標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟2的具體實現(xiàn)過程為: 使用AIS接收裝置接收海上攜帶AIS發(fā)射器船只的AIS信息，得到雷達(dá)場次對應(yīng)的時間段內(nèi)所有攜帶AIS發(fā)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(jīng)緯度到極坐標(biāo)的坐標(biāo)變換方法轉(zhuǎn)換到雷達(dá)距離-多普勒二維譜上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟3的具體實現(xiàn)過程為: 尋找雷達(dá)目標(biāo)與AIS目標(biāo)匹配的組合，當(dāng)兩者相差一個距離元、兩個多普勒元之內(nèi)，即匹配成功，將匹配后的雷達(dá)目標(biāo)作為校正源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟4的具體實現(xiàn)過程為: 將雷達(dá)視野中感興趣的海域劃分為M個角度網(wǎng)格，把已知方位角的校正源落入所設(shè)置的角度網(wǎng)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(fù)數(shù)響應(yīng)值X3ij，其中1、2、3代表單極子天線與兩環(huán)，i代表角度網(wǎng)格序號，j代表落入該網(wǎng)格的校正源序號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用AIS信息進(jìn)行高頻雷達(dá)天線通道校正的方法，其特征在于:所述步驟5的具體實現(xiàn)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(wǎng)格里的所有校正源進(jìn)行幅相與信號幅度加權(quán)平均，得到該方向的通道幅相校正值；具體實現(xiàn)步驟包括: 對于第i個網(wǎng)格，假設(shè)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(shù)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(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】文必洋, 王若琨, 楊靜, 石陽升 申請人:武漢大學(xué)