一种用于HF/VHF雷达的微型接收天线及方位角估计方法

摘要

本发明公开一种用于高频（HF）或甚高频（VHF）雷达的微型接收天线及方位角估计方法。该天线主体由两个正交摆放的环天线组成，两个环天线置于同一个防水盒中，由一根支撑杆架设在地面上，主要用于探测海面、水面散射回波和目标回波，以及低空目标回波。两个环接收到的信号分别为磁场的两个正交分量，对磁场模量归一化后可得到理想方向图用于方位角估计。本发明的优势在于：天线对架设环境没有太大限制，只要探测范围没有巨型遮挡物造成回波较大衰减即可，一般的金属栏杆、矮小房屋、树木、小型石头等对方位的估计皆没有影响。本发明的天线在任何环境下使用，不需要另外单独现场测量其方向图，全部按理想方向图处理即可，不会影响方位估计的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种用于接收海面、水面散射回波和目标回波，以及低空目标回波的HF/VHF雷达的微型水平正交环天线，与一种不需要测量天线实际方向图或借助任何辅助校准源进行校准就能进行方位角估计的方法。

背景技术

采用垂直极化方式的高频雷达可以实现对海洋表面环境的全天候、大面积、超视距、实时监测，已广泛应用于海洋表面风、浪、流等动力学参数的反演，以及海面低空飞行目标或船只的探测。参数反演和目标探测的精度在很大程度上依赖所采用的雷达接收天线阵列的口径和方向图的准确性。

目前探测海洋的高频雷达主要采用的天线阵列有两种：一种是传统的相控天线阵，其特点是天线口径大、波束窄，从而角度分辨率高，但也存在占地面积大、成本高、难以维护、机动性差的缺点；另一种是以单极子/交叉环天线为代表的小型化天线阵，它由一个单极子和两个共相位中心的正交环天线组成，通过比幅的方式来判断来波方位角，其特点是体积小、易于架设和维护，成本低，缺点是波束宽，角度分辨能力差，但是越来越多的研究表明，单极子/交叉环天线在海面动力学参数反演方面具有和相控天线阵近似的性能，在目标探测方面的潜能也日益受到重视，因此小型化天线逐渐成为高频探海雷达的一大趋势。目前，采用单极子/交叉环天线的高频雷达系统主要以美国Codar公司生产的SeaSonde系统和武汉大学研制的OSMAR-S系统为代表，这两套系统均已成功业务化运行，并得到了业界的广泛认可。

对于单极子/交叉环天线而言，目标的方位信息主要体现在不同通道的幅度差异上，其中单极子感应垂直极化回波中的电场分量，理想方向图呈现各向同性的圆；两个正交环感应到的均为磁场分量，理想方向图呈现对称的“8”字形；环天线接收信号幅度以单极子上的幅度做参考，从而抵消来自不同距离、方位的电磁波衰减的不一致。由于感应的电磁场分量不一样，环境因素(例如金属栏杆、山体、房屋、地势起伏等)对单极子和两个环天线的影响也各不一样，因此造成了天线方向图的畸变。当天线的实际方向图发生畸变时，如果仍然用理想方向图去估算方位，则会产生估计偏差，畸变越大，偏差也越大。为了保证方位估计的准确性，每次架设完天线后都需要重新实地测试天线的方向图。

天线方向图的测试方法大体分为两种：一种是借助辅助信号源的测试，另一种是通过软件算法去估计。美国Codar公司公布了一种采用船载应答器测量远场天线方向图的方法^[1]，接收机通道接收到应答器在不同的方位上发射的模拟目标信号，并根据应答器上记录的GPS坐标，来计算天线的方向图。中国专利CN101013147A，名称“高频线性调频雷达方向图测量方法”公开了利用单频信号发生器代替应答器来测量天线方向图的方法。这两种通过设置人工信源来测试天线方向图的方法均存在耗时长，成本高，操作不便等缺点，且每当环境发生变化时需要重新测试，工作量大。中国专利CN103837867A，名称“一种利用AIS信息进行高频雷达天线通道校正的方法”公布了一种借助船舶辅助信息来测量天线方向图的方法，利用海面船舶的距离、速度、航向、位置等信息来计算雷达接收通道在不同方位的幅度响应，从而计算出天线的方向图，但是该方法的有效性受船舶的数量、方位分布影响较大，在对湖泊、海湾、江河入海口等需要用到甚高频雷达进行近程探测的场合，船只分布少，尤其不适用。中国专利CN102707270A，名称“高频地波雷达相对天线方向图自动估计方法”给出了一种通过软件递推算法估计天线方向图的方法，其有效性和可靠性尚需进一步验证。

综上所述，小型化天线在高频/甚高频雷达中的应用日益增多，但是天线方向特性受环境影响的问题却亟待解决，一旦方向图发生畸变，将对目标方位估计产生恶劣的影响，必须花费更大的代价去测试天线的实际方向图，这是一项耗时、耗力、量大的重复性工作。如何从源头上解决天线方向图受环境影响的问题已是迫在眉睫。

[1]CODAR Ocean Sensors,Ltd.,User's Guide for:SeaSonde Radial Site AntennaPattern Measurement,2003.

发明内容

针对现有天线中存在的问题，本发明的目的是设计一种新的用于HF/VHF雷达的微型接收天线以及相应的方位角估计的新技术，消除环境对天线方向性的影响，实现不需要实测天线方向图也能对方位进行准确估计的目的。

本发明的技术方案如下：

一种用于HF/VHF雷达的微型接收天线，包含两个独立的单元，各单元均包括相同的部件，具体包括：环天线、天线谐振回路、天线放大器、供电模块、外围电路；两个单元相互正交地固定于同一电路板上，电路板用绝缘、防水外盒封闭，盒体底部留有两个同轴电缆插座，各单元输出信号分别与同轴电缆插座相连。

所述的环天线包括两组绕制在铁氧体磁棒上的线圈，两个单元中的环天线分别为环天线A和环天线B；环天线A对应线圈a、b，环天线B对应线圈c、d；四个线圈均水平摆放在电路板上，并且关于电路板中心对称；摆放方式包括两种：十字摆放和方形摆放；十字摆放即线圈a、线圈b位于“十”字的一条边上，线圈c、线圈d共轴地位于另一边，且与前者正交；方形摆放即线圈a、线圈b位于方形的两条对边上，线圈c、线圈d位于另外两条对边上。

所述环天线中，两个线圈的一端分别与同一个串联谐振电容连接，两个线圈的另一端分别与同一个天线放大器连接，天线放大器通过电缆与接收机通道连接。

一种利用上述天线进行方位角估计的方法，包括以下步骤：

步骤1、架设天线之前，测量对应两个环天线的接收通道的幅度差异G_r，及两个环天线分别达到最大响应时的幅度差异G_a，架设天线之后的通道幅度差异记为G＝G_r·G_a；

步骤2、利用步骤1中得到的幅度校准因子G对回波信号进行幅度校准；

步骤3、提取回波信号中的单到达角信号，并利用这些单到达角回波信号进行环天线通道的相位校准；

步骤4、利用定向算法对步骤3中校准后的单到达角回波信号进行方位角估计。

所述步骤3中提取单到达角回波的方法为：筛选两环天线回波信号中信噪比均高于阈值的谱点，统计这些谱点上两环的相位差分布，搜索其中分布概率高于设定阈值的角度区间，则该区间对应的回波信号来自单到达角目标，取该区间的中间值作为相位校准因子。

所述步骤4中的定向算法为多重信号分类算法，校准后两正交环天线接收到的信号记为X(t)＝[x_A(t),x_B(t)]^T，二者分别为回波磁场信号的两个正交分量，将这两个接收信号相对于磁场模量进行归一化以消除环境对各自环天线方向性的影响，然后再进行方位角估计，变换形式如下：

$>X^{\prime }\left(t\right)={[x_A\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)},x_B\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)}]}^T.$>

一种用于HF/VHF雷达的微型接收天线，还包括一个新增的独立单元；该新的独立单元的组成部件与另外两个独立单元完全一致，并相应在防水盒底部增加一个同轴电缆插座；新增单元中的环天线C与权利要求2中所述环天线A、B一样，由两组绕制在铁氧体磁棒上的线圈组成，绕制方式完全相同；环天线C的摆放方式与环天线A、B所在平面垂直，三者关于电路板的中心位置对称。

一种利用上述天线进行方位角估计的方法，包括以下步骤：

步骤1、幅度校准、提取单到达角回波、相位校准，具体过程与权利要求5中步骤1-3类同；

步骤2、利用定向算法对步骤1中得到的校准后的单到达角回波进行方位角、俯仰角估计。

所述步骤2中的定向算法为多重信号分类(MUSIC)算法，校准后三个正交环天线接收到的信号记为X(t)＝[x_A(t),x_B(t),x_C(t)]^T，三者分别为回波磁场信号的三维正交分量，将这三个接收信号相对于磁场模量进行归一化以消除环境对各自环天线方向性的影响，然后再进行方位角估计、俯仰角估计，变换形式如下：

$>\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\left(t\right)=[x_A\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)+x_C^2\left(t\right)},x_B\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)+x_C^2\left(t\right)},....\\ x_C\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)+x_C^2\left(t\right)}{]}^T\end{array}\right).$>

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明的天线及相应的方位角估计技术，对架设环境没有太大限制，只要探测范围没有巨型遮挡物造成回波较大衰减即可，一般的金属栏杆、矮小房屋、树木、小型石头等对方位的估计皆没有影响。

2、本发明的天线及相应的方位角估计技术，适合在任何环境下使用，不需要另外单独现场测试其方向图，全部按理想方向图处理即可，不会影响方位估计的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例的天线外观示意图；

图2A是天线防水盒1中环天线的十字摆放方式及绕线方式俯视图；

图2B是天线防水盒1中环天线的方形摆放方式及绕线方式俯视图；

图3是本发明实施例的二维正交环天线的结构图；

图4是本发明实施例的二维正交环天线的理想方向图；

图5是现有单极子/交叉环天线的实测方向图；

图6是本发明实施例的二维正交环天线的实测方向图；

图7A是按十字方式摆放的三维正交环天线；

图7B是按方形方式摆放的三维正交环天线；

图8是本发明实施例的三维正交环天线的结构图；

其中，1-天线防水盒，2-天线支撑杆，3-连接环天线A的电缆，4-连接环天线B的电缆，5-地面，6-环天线A，7-环天线B，8-环天线A串联谐振电容，9-铁氧体磁棒，10-漆包线，11-环天线A串联谐振输出，12-环天线B串联谐振输出，13-环天线A放大器，14-环天线B放大器，15-接收机通道1，16-接收机通道2，17-接收机，18-环天线C，19-环天线C串联谐振输出，20-环天线C放大器，21-连接环天线C的电缆，22-接收机通道3。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

图1所示为本发明实施例外观示意图，天线主体位于防水盒1中，其底部的两个电缆插座为天线的两路输出，通过电缆3、4可将天线与雷达接收机相连。天线在实际工作过程中通过支撑杆2固定在地面5上，支撑杆2可选用金属材质或其他坚硬、抗台风、腐蚀的绝缘材质，如玻璃钢管；支撑杆2的高度没有太大限制，只要保证天线回波能量不被遮挡削弱即可，如一般取3-4m。

(一)正交环天线的结构

天线主体由两个正交摆放的环天线6、7组成，环天线6、7的摆放方式共有两种：十字摆放和方形摆放，其俯视图分别如图2A和2B所示。每个环天线均由两根绕制线圈10的磁棒9组成，磁棒9选用具有高磁导率、低损耗的铁氧体介质，线圈10选用铜质漆包线。线圈绕制采用双向对称方式，主要目的是抵消感应回波中的电场分量，完全保留磁场分量，减小两环天线之间的互耦影响。为了保证线圈中电流为均匀分布，总绕线长度须小于工作电磁波波长的1/10。由于天线线圈呈感性，为了进行阻抗匹配，每个环天线的两半之间接入电容8进行串联谐振，从而抵消感抗成分，电容8的大小C取决于实际工作频率f，满足关系其中L为线圈的电感值。

图3所示为天线主体的结构，两环天线在设计上完全对称、正交，其串联谐振输出11、12通过放大器13、14后分别经电缆3、4接入接收机通道15、16，然后进行后续处理，估计回波方位信息。本实施例中放大器13、14选用惠普公司生产的低噪声、双极性放大器INA-02184，其增益高达30dB，噪声系数为2dB。

对于载有均匀同相电流的单匝小环天线，其远场磁场分量表达式为

$>H_{\phi }=\frac{\pi I_0\sin \theta }{r}\frac{A}{{\lambda }^2}$>

其中I₀为环上电流的峰值，r为远场距离，A为环的面积，λ为电磁波波长，Φ为环所在平面的方位角，θ为与环垂直平面(本实施例中为磁棒所在平面)的方位角，上式中与方位相关的项为sinθ，同理可知另一环中与方位相关的项应为cosθ。环上感应到的电压与磁场强度H_φ成正比，因此本发明实施例中的两环天线的理想方向图为

A(θ)＝[cosθ,sinθ]^T。

(二)正交环天线的方位角估计技术

图4为所述天线的理想方向图，环天线6与环天线7的方向图均为对称的“8”字形，且完全正交。在实际应用中，由于互耦的作用，环境会对天线方向图产生影响，造成方向图的畸变，如图5所示。但是由于本发明中的两个环天线均只感应磁场分量，因此环境对二者的影响几乎完全一致，记为B(θ)，则天线的实际方向图变为

A'(θ)＝A(θ)B(θ)＝[B(θ)cosθ,B(θ)sinθ]^T

除了环境的影响外，环天线之间、相应接收通道之间难免也存在增益、相位的误差，这些误差属于系统本身固有的特性，与外界环境无关，也几乎不随时间改变。接收通道的幅度差异G_r，及两个环天线分别达到最大响应时的幅度差异G_a都可以预先测出，因此总的幅度差异G＝G_r·G_a可以直接消除。相位差异则可以利用海洋回波在线消除，步骤如下：

步骤1、筛选两环天线回波信号中信噪比均高于阈值的谱点；

步骤2、统计这些谱点上两环的相位差分布，搜索其中分布概率高于设定阈值的角度区间，则该区间对应的回波信号来自单到达角目标。取该区间的中间值作为相位校准因子。

经过校准后的单到达角回波满足如下模型：

X(t)＝A'(θ)S(t)+N(t)

其中X(t)＝[x_A(t),x_B(t)]^T，x_A(t)和x_B(t)分别为环天线A和环天线B接收到的回波信号，t为时间变量，S(t)是来自某一θ₀方向的单到达角入射信号，N(t)＝[n_A(t),n_B(t)]^T为噪声信号，[]^T表示转置运算。忽略噪声的影响，两个环天线接收到的信号分别为回波磁场信号的两个正交分量，将其相对于磁场模量进行归一化可以消除环境对各自环天线方向性的影响，变换如下：

$>X^{\prime }\left(t\right)={[x_A\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)},x_B\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)}]}^T$>

其中x_A(t)＝B(θ)cosθ₀S(t)+n_A(t)，x_B(t)＝B(θ)sinθ₀S(t)+n_B(t)，由于所选取的单到达角信号的信噪比较高，即x_A(t),x_B(t)>>n_A(t),n_B(t)，因此$>x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)\approx B^2\left(\theta \right)S^2\left(t\right),$>上式可进一步化简为

$>\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\left(t\right)={[\frac{B\left(\theta \right)\cos {\theta }_{0}S\left(t\right)+n\left(t\right)}{\sqrt{B^2\left(\theta \right)S^2\left(t\right)}},\frac{B\left(\theta \right)\sin {\theta }_{0}S\left(t\right)+n\left(t\right)}{\sqrt{B^2\left(\theta \right)S^2\left(t\right)}}]}^T\\ ={[\cos {\theta }_0+n^{\prime }\left(t\right),\sin {\theta }_0+n^{\prime }\left(t\right)]}^T=A\left({\theta }_0\right)+N^{\prime }\left(t\right)\end{array}\right)$>

至此，环境对天线方向特性的影响已完全消除，图6所示为本发明实施例实测的方向图，基本接近理想方向图。接下来可以利用多重信号分类(MUSIC)算法直接按理想方向图A(θ)对回波的方位角进行估计。步骤如下：

步骤1、对X'(t)的空间协方差矩阵进行最大似然估计

$>\hat{R}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}{X}^{\prime }{X}^{{\prime }^H}$>

其中X'＝[X'(1),…,X'(L)]为天线阵列接收信号矩阵，X'(j)＝[x_A(j),x_B(j)]^T，j＝1,2,…L为采样时间序列号，采样间隔为T，对应时间为t＝jT，L为快拍数，[]^H表示共轭转置运算。

步骤2、对上述最大似然估计进行特征值分解得到噪声子空间

$>\hat{R}={\hat{U}}_S{\hat{E}}_S{\hat{U}}_S^H+{\hat{U}}_N{\hat{E}}_N{\hat{U}}_N^H$>

其中为信号子空间，和分别为信号和噪声特征值对角矩阵

步骤3、按下式计算MUSIC谱，并搜索谱峰对应的回波到达角

$>P_{\mathrm{MUSIC}}=\frac{1}{A^H\left(\theta \right){\hat{U}}_N{\hat{U}}_N^{H}A\left(\theta \right)}$>

$>{\hat{\theta }}_0={\arg }_{\theta }\max P_{\mathrm{MUSIC}}$>

(三)三维正交环天线的构造

在图2A和2B所示正交环天线的基础上，增加一个垂直的环天线C-18得到的三维正交环天线可以实现对方位角、俯仰角的估计。该三维正交环天线的构造如图7A和7B所示，其中环天线C-18和环天线A、B一样，由两组绕制在铁氧体磁棒上的线圈组成，线圈绕制方式与图2A中的方式完全一样。该三维正交环天线的结构如图8所示，三个天线通道的电路完全对称，根据本发明实施例(一)的分析可知，对于三维正交环天线，其理想方向图变为：

A(θ,φ)＝[a_A(θ,φ),a_B(θ,φ),a_C(θ,φ)]＝[cosθsinφ,sinθsinφ,cosφ]^T

其中θ为环天线A、B所在平面的方位角，φ为相对θ平面的俯仰角。

(四)三维正交环天线的方位角和俯仰角估计技术

与本实施例(二)中的分析方式相同，受环境影响的三维正交环天线的实际方向图为：

A'(θ,φ)＝[B(θ,φ)cosθsinφ,B(θ,φ)sinθsinφ,B(θ,φ)cosφ]^T

基于实际方向图进行方位角、俯仰角估计的步骤如下：

步骤1、天线通道幅度和相位校准，方法与实施例(二)中的方法类同；

步骤2、将三个环天线接收到的信号相对于磁场模量进行归一化可以消除环境对各自环天线方向性的影响；

经过校准后的单到达角回波满足如下模型：

X(t)＝A'(θ,φ)S(t)+N(t)

其中X(t)＝[x_A(t),x_B(t),x_C(t)]^T，相对磁场模量归一化后的信号为

$>\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\left(t\right)=[x_A\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)+x_C^2\left(t\right)},x_B\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)+x_C^2\left(t\right)},....\\ x_C\left(t\right)/\sqrt{x_A^2\left(t\right)+x_B^2\left(t\right)+x_C^2\left(t\right)}{]}^T\end{array}\right)$>

基于实施例(二)中的推导方式，可以进一步化简得到：

X'(t)＝A(θ₀,φ₀)+N'(t)

步骤3、计算X'(t)的MUSIC谱，方法与实施例(二)中类同，并搜索谱峰对应的回波方位角和俯仰角

$><{\hat{\theta }}_0,{\hat{\phi }}_0>={\arg }_{\theta ,\phi }\max P_{\mathrm{MUSIC}}.$>