一種高性能相干高頻雷達多頻探測方法技術

本發明專利技術提供了一種高性能相干高頻雷達多頻探測方法，所述方法包括：步驟1)指定若干個頻率的頻率值及每個頻率的觀測波束，根據觀測波束指向確定各頻率的相移增量，由此設計雷達發射機每個通道的發射信號；設計定標信號，以第一通道為基準獲得發射通道間不一致性誤差和接收通道間不一致性誤差：幅度誤差和相位誤差；利用發射通道間不一致性誤差對發射信號進行幅度補償和相位補償，實現發射通道間不一致性校正；步驟2)將補償后的發射信號經發射機濾波放大后由天線發射出去；然后再由天線和雷達接收機接收其回波；步驟3)對回波數字信號進行頻率分離，并利用步驟1)中獲得的接收通道間不一致性誤差進行幅度補償和相位補償，獲得雷達回波數據。

A high performance multi frequency detection method for coherent HF radar

The present invention provides a method for detecting a high performance coherent multi frequency HF radar, the method includes: Step 1) observation beam specify the number of frequencies and frequency value of each frequency point to determine, according to the phase increment of each frequency observation beam, thereby transmitting the signal transmitter for each channel design; design of calibration signal first, to obtain emission channels for the reference channel inconsistency error and error consistent receiving channels: the amplitude error and phase error; the emission channel mismatch errors of amplitude compensation and phase compensation of the transmitted signal, transmit channel inconsistency correction; step 2) will launch the signal after compensation the transmitter filter amplifier after radiated from the antenna; then the antenna and the receiver receives the radar echo; step 3) frequency echo signal In order to obtain the radar echo data, the amplitude error compensation and phase compensation between the received channels are obtained by using step 1.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及雷達
，特別涉及一種高性能相干高頻雷達多頻探測方法。
技術介紹
國際超級雙極光雷達網(SuperDARN)是為了研究中高緯度地區電離層異常而形成的由數十部地基相干高頻雷達陣組成的雷達網絡。地基相干高頻雷達陣根據其接收到的電離層回波獲取電離層漂移的速度及譜寬，進一步用于建立電離層的對流模型。電離層等離子體對流是太陽風-磁層耦合的一種表現形式，與磁層-電離層系統電動力學過程有密切的聯系。行星際磁場(IMF)的方向和大小是影響電離層對流的決定因素，IMF南北分量決定對流的基本結構以及對流的強度和空間尺度，而IMF東西分量主要影響對流的晨昏不對稱性。在準靜態iMF條件下，人們對電離層對流的統計特征已經有了比較深入的了解和認識。然而，電離層對流對太陽風變化的瞬時響應過程的一些關鍵問題還有待進一步研究。目前SuperDARN觀測電離層對流的時間分辨率是1-2min，如果提高時間分辨率，將有助于我們研究電離層對流對太陽風擾動的更精確的瞬時響應過程，如電離層對流對太陽風動壓增強的響應，電離層對行進式對流渦(Traveling convection vortex，TCV)的演化過程。因此，提高雷達的時間分辨率對研究電離層對流模型亦意義重大。為了提高探測時間分辨率，SuperDARN雷達通常采用特殊的掃描方式，實現對某一個波位/方向進行高時間分辨率探測，而其他波位/方向的時間分辨率則會有所降低。利用兩個頻率同時對不同波位/方向進行觀測，在大幅度提高某些重要方位的時間分辨率的同時，不僅不降低其他波位/方向的時間分辨率，還略有提高。若采用多頻探測，則可大幅度提高時間分辨率。目前，國際上通常采用增加接收機通道、達到“一發(發射機)雙收(接收機)”的效果，由此實現雙頻探測。這種方法的特點是信號處理上簡單直接，但會增加系統復雜度和成本，也因此限制多頻探測方法的實現；另外，由于硬件的非理想性，采用“一發雙收”的體制會帶引入接收通道間的不一致性，降低測量精度。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服已有雙頻探測方法的低性能、高成本、高復雜度問題。本專利技術采用數字信號處理的手段，結合內定標方法，通過對發射信號、發射機和接收機帶寬的合理設計，實現高性能多頻探測。較之增加接收機通道的方法，本專利技術避免了增加模擬電路帶來的種種非理想性誤差，提高系統性能，同時降低系統復雜度和成本；本專利技術還通過內定標實現對發射機、接收機的幅相誤差進行校正，減小通道間不一致性的影響，進一步提高系統性能，從而獲得更高精度的測量數據，實現高性能多頻探測。本專利技術的方法具有高靈活性、高性能、低成本的特點。為了實現上述目的，本專利技術提供了一種高性能高頻雷達多頻探測方法，包括：步驟1)指定若干個頻率的頻率值及每個頻率的觀測波束，根據觀測波束指向確定各頻率的相移增量，由此設計雷達發射機每個通道的發射信號；設計定標信號，以第一通道為基準獲得發射通道間不一致性誤差和接收通道間不一致性誤差：幅度誤差和相位誤差；利用發射通道間不一致性誤差對發射信號進行幅度補償和相位補償，實現發射通道間不一致性校正；步驟2)將補償后的發射信號經發射機濾波放大后由天線發射出去；然后再由天線和雷達接收機接收其回波；步驟3)對回波數字信號進行頻率分離，并利用步驟1)獲得的接收通道間不一致性誤差對分離后的信號進行幅度補償和相位補償，從而實現接收通道間不一致性校正，獲得雷達回波數據。上述技術方案中，所述步驟1)之前還包含：設定雷達發射機和雷達接收機的參數；所述雷達發射機和雷達接收機的參數包括：雷達發射機和雷達接收機帶寬B、單頻探測雷達發射功率和多頻探測雷達發射功率。上述技術方案中，所述雷達發射機和雷達接收機帶寬B滿足：B≥N*Bsub+(N-1)*ΔB其中，探測頻率數量為N，相應帶寬為Bsub，ΔB為濾波器兩個子帶的頻率間隔。上述技術方案中，所述單頻探測雷達發射功率Pt滿足： P t > k B T r B · ( 4 π ) 3 R 4 G 2 λ 2 σ F ]]>其中，G為天線增益；λ為雷達工作波長；σ為目標的雷達反射截面；R為目標與雷達的距離；F為傳播系數；kB為玻爾茲曼常數；Tr為接收機溫度；實現N頻探測時，N頻探測雷達發射功率Pt(N)為：Pt(N)＝NPt。上述技術方案中，所述步驟1)具體包括：步驟101)指定若干個頻率的頻率值及每個頻率的觀測波束，根據觀測波束指向確定各頻率的相移增量，由此設計雷達發射機每個通道的每個頻率的發射信號，將所有不同頻率發射信號進行疊加得到每個通道的發射信號；步驟102)設計定標信號，以第一通道為基準，通過與第一通道定標輸出作比較，得到其他通道定標輸出與第一通道的偏差，從而獲得通道間不一致性誤差：幅度誤差和相位誤差；步驟103)利用發射通道間不一致性誤差對發射信號進行幅度補償和相位補償，實現發射通道間不一致性校正。上述技術方案中，當所述步驟101)中具體包括：步驟101-1)指定N個頻率的頻率值f1,f2,…fN，及每個頻率的觀測波束指向：θB,1、θB,2、…、θB,N；步驟101-2)根據觀測波束確定各頻率的相移增量其中，λi為第i個探測頻率fi對應的波長，c為光速；步驟101-3)根據觀測頻率及相應的相移增量，設計各發射通道的每個頻率的發射信號：其中：sk,i(t)為發射通道k發射信號中第i個頻率的信號；Ak,i為發射通道k發射信號中第i個頻率分量的幅度，k＝1…M，M為通道總數；i＝1…N；且要求|Ak,i|2≤Pt；步驟101-4)發射機通道k的發射信號sk(t)為： s k ( t ) = Σ i = 1 N s k , i ( t ) . ]]>上述技術方案中，所述步驟102)具體包括：步驟102-1)設計定標信號；定標信號scal(t)包含所有頻率信號：其中，A為定標信號的幅值，為信號的起始相位；步驟102-2)在工作頻率為fi時讀取第一個通道的定標數據，獲取其幅度A1,i和相位令k＝1；步驟102-3)令k＝k+1，讀取工作頻率為fi時第k本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高性能相干高頻雷達多頻探測方法，所述方法包括：步驟1)指定若干個頻率的頻率值及每個頻率的觀測波束，根據觀測波束指向確定各頻率的相移增量，由此設計雷達發射機每個通道的發射信號；設計定標信號，以第一通道為基準獲得發射通道間不一致性誤差和接收通道間不一致性誤差：幅度誤差和相位誤差；利用發射通道間不一致性誤差對發射信號進行幅度補償和相位補償，實現發射通道間不一致性校正；步驟2)將補償后的發射信號經發射機濾波放大后由天線發射出去；然后再由天線和雷達接收機接收其回波；步驟3)對回波數字信號進行頻率分離，并利用步驟1)獲得的接收通道間不一致性誤差對分離后的信號進行幅度補償和相位補償，實現接收通道間不一致性校正，獲得雷達回波數據。

【技術特征摘要】
1.一種高性能相干高頻雷達多頻探測方法，所述方法包括：步驟1)指定若干個頻率的頻率值及每個頻率的觀測波束，根據觀測波束指向確定各頻率的相移增量，由此設計雷達發射機每個通道的發射信號；設計定標信號，以第一通道為基準獲得發射通道間不一致性誤差和接收通道間不一致性誤差：幅度誤差和相位誤差；利用發射通道間不一致性誤差對發射信號進行幅度補償和相位補償，實現發射通道間不一致性校正；步驟2)將補償后的發射信號經發射機濾波放大后由天線發射出去；然后再由天線和雷達接收機接收其回波；步驟3)對回波數字信號進行頻率分離，并利用步驟1)獲得的接收通道間不一致性誤差對分離后的信號進行幅度補償和相位補償，實現接收通道間不一致性校正，獲得雷達回波數據。2.根據權利要求1所述的高性能相干高頻雷達多頻探測方法，其特征在于，所述步驟1)之前還包含：設定雷達發射機和雷達接收機的參數；所述雷達發射機和雷達接收機的參數包括：雷達發射機和雷達接收機帶寬B、單頻探測雷達發射功率和多頻探測雷達發射功率。3.根據權利要求2所述的高性能相干高頻雷達多頻探測方法，其特征在于，所述雷達發射機和雷達接收機帶寬B滿足：B≥N*Bsub+(N-1)*ΔB其中，探測頻率數量為N，相應帶寬為Bsub，ΔB為濾波器兩個子帶的頻率間隔。4.根據權利要求3所述的高性能相干高頻雷達多頻探測方法，其特征在于，所述單頻探測雷達發射功率Pt滿足： P t > k B T r B · ( 4 π ) 3 R 4 G 2 λ 2 σ F ]]>其中，G為天線增益；λ為雷達工作波長；σ為目標的雷達反射截面；R為目標與雷達的距離；F為傳播系數；kB為玻爾茲曼常數；Tr為接收機溫度；實現N頻探測時，N頻探測雷達發射功率Pt(N)為：Pt(N)＝NPt。5.根據權利要求4所述的高性能相干高頻雷達多頻探測方法，其特征在于，所述步驟1)具體包括：步驟101)指定若干個頻率的頻率值及每個頻率的觀測波束，根據觀測波束指向確定各頻率的相移增量，由此設計雷達發射機每個通道的每個頻率的發射信號，將所有不同頻率發射信號進行疊加得到每個通道的發射信號；步驟102)設計定標信號，以第一通道為基準，通過與第一通道定標輸出作比較，得到其他通道定標輸出與第一通道的偏差，從而獲得通道間不一致性誤差：幅度誤差和相位誤差；步驟103)利用發射通道間不一致性誤差對發射信號進行...

【專利技術屬性】
技術研發人員：藍愛蘭，閻敬業，蔣松，李廣明，王赤，吳季，
申請(專利權)人：中國科學院國家空間科學中心，
類型：發明
國別省市：北京;11