基于AIS的高频超视距雷达阵列幅相误差校准

【摘要】：高频地波雷达是一种对于海面动力学环境和海上目标进行观测的有效手段,它的监测范围一般可达200公里。在利用高频地波雷达对海流、舰船目标等定位估计时,需要对阵列流形精确已知,但在实际的工程应用中,由于硬件本身的差异、复杂的背景环境变化等使得接收通道的幅度和相位特性会出现一定程度的偏差和扰动,阵列流形畸变,测向算法的性能显著下降甚至失效。因此,阵列幅相误差校准是高频地波雷达必备的标准功能之一,相关方法的研究也是雷达性能不断提升的关键。本文在单辅助信源幅相误差校准方法的基础上,根据阵列信号处理基本原理,提出了结合船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)提供的大量舰船目标信息和聚类分析的高频地波雷达阵列幅相误差校准方法,并进行了对比验证。论文的主要内容如下:(1)阵列幅相误差分析和常用阵列幅相误差校准算法的对比研究。利用阵列接收信号数学模型,通过数值模拟,分析了阵列幅相误差对于雷达系统测向性能的影响。介绍了基于单辅助信源的有源校准、基于子空间正交的自校准和基于辅助阵元的自校准三种经典算法的工作原理,通过计算机仿真比较了三种算法的性能。此外,结合现有高频地波雷达系统的校准方法,研究了有源校准中的直达波校准、无源校准中的海洋回波校准。(2)基于AIS信息的高频地波雷达阵列幅相误差校准。提供AIS信息的船舶可以做为一个标定物来进行雷达阵列幅相误差校准。但根据AIS信息在雷达回波谱中确定船舶回波谱点时往往会不准确,这使得利用单一船舶AIS信息进行雷达阵列幅相校准不可行。在AIS信息丰富时,可以在雷达回波谱中估算出更多的船舶回波,进而可以得到多组雷达阵列幅相误差校准结果。根据不同船舶得到的正确校准值之间必然一致这一基本事实,提出利用相关系数分析或kmeans聚类分析从利用AIS信息进行雷达阵列幅相误差估计得到的误差集合中提取正确校准值的方法,使基于AIS信息进行雷达阵列幅相误差校准方法具有工程应用性。(3)高频地波雷达实测数据校准分析。本文将所提方法应用于地波雷达实测数据处理中,阵列所有天线校准值24小时相位标准差不大于9°,24小时幅度标准差不大于1d B。直达波DOA估计误差由校准前的20°减小至5°以内。海流反演结果显示,校准后雷达观测海流覆盖率提升约15%,与浮标海流对比,24小时雷达观测与浮标观测之间偏差的均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)由校准前的18.3cm/s减小到校准后的10.9 cm/s以内,相关系数达到0.95,研究结果有效验证了新方法在实测数据处理中的准确性和可行性。