[发明专利]一种用于HF/VHF雷达的微型接收天线及方位角估计方法

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 Antenna Pattern 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：