高頻地波雷達天線方向圖校準方法研究

張東亮，王心鵬，王 斌，王恒林

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.自然資源部北海預報減災中心，山東 青島 266061）

高頻地波雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制實現(xiàn)對海流、海浪等海洋環(huán)境大范圍和全天候的實時監(jiān)測，是一種高效的海洋觀測工具。高頻地波雷達在探測海洋表面流場時，需要進行回波信號的到達角提取，不管是采用比幅測向還是多重信號分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法，定向準確度受雷達天線方向圖特性影響。為了保障雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要對雷達天線方向圖進行校準。歐美國家的高頻地波雷達網(wǎng)均已將天線方向圖校準作為確保海流觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[1]。國內(nèi)在行業(yè)標準《高頻地波雷達現(xiàn)場比測試驗規(guī)范》（HY/T 0280—2019）[2]中也強調(diào)了雷達在比測前需要對天線方向圖進行測量和校準。為了確保高頻地波雷達網(wǎng)設(shè)備運行質(zhì)量，提高海流觀測數(shù)據(jù)準確性，自2019 年底起，國家海洋技術(shù)中心聯(lián)合武漢大學、武漢海蘭瑞海海洋科技有限公司采用13 MHz 和16 MHz 單頻信標的天線方向圖測量系統(tǒng)[3]在自然資源部的OSMAR-S 雷達站進行了試應用，主要用來評估雷達天線方向圖畸變和幅相校準情況。在上述工作基礎(chǔ)上，本文進一步完善了基于單頻信標的方向圖校準系統(tǒng)，開展了與CODAR（CODAR Ocean Sensors Ltd.） 應答器對比驗證和海流反演驗證，為進一步推廣高頻地波雷達天線方向圖校準應用奠定基礎(chǔ)。

1 天線方向圖校準方法對比

高頻地波雷達天線方向圖校準包含兩個方面，首先是陣列天線各個天線單元信號的增益和初始相位不同，需要進行幅相補償；其次，每個天線單元對各個方向的信號的響應特性受到環(huán)境和制造工藝影響導致天線方向圖發(fā)生畸變，此時仍采用理想的響應特性去定位信號方向時會導致錯誤的方位判定，需要使用實際的方向圖以減小畸變帶來的影響。目前，雷達天線方向圖校準方法可以分為“無源”和“有源”兩大類，“無源”校準是通過對接收到的無先驗信息的回波數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)對接收系統(tǒng)的校準[4-5]?！坝性础毙适峭ㄟ^接收某一個或多個已知方位的信號源的來波實現(xiàn)接收系統(tǒng)的校準?！坝性础毙史椒ㄍㄟ^應答器、單頻信標等外部信號源進行校準，信號源帶有軌跡記錄，相比“無源”校準，受環(huán)境影響小，不僅可以獲得天線單元間相位差異，而且可以測量天線方向圖畸變。歐美等國家強調(diào)天線方向圖校準，主要指使用“有源”校準方法對雷達進行校準。

“無源”校準方法信號來源為海洋、船只回波。對便攜式高頻地波雷達，“無源”校準主要流程為，首先選出一階譜中較大的譜點，然后以理想情況下天線3 個單元相位差為0°作為約束條件進一步篩選譜點，接下來利用譜點的交叉譜求出相位差異，最后利用功率譜統(tǒng)計求出通道幅度差異[4-5]?！盁o源”校準方法優(yōu)點是實時性好，無需額外成本，但是無法測量天線方向圖畸變情況，通常用于設(shè)備的幅相自校準。我國國產(chǎn)高頻地波雷達OSMAR-S系列就利用海洋回波實現(xiàn)天線幅相自校準，由于使用的算法僅考慮了單到達角頻譜點占多數(shù)的情況，當雷達視角在180°范圍內(nèi)效果較好，當雷達被海所包圍時這種方法就不能夠嚴格成立[4]。

AIS（Automatic Identification System）艦船回波校準方法[6-7]是“有源”校準，將雷達檢測艦船與AIS 系統(tǒng)報告信息進行匹配，獲得船只回波的方位和距離，進一步獲得天線方向圖。合法艦船會通過AIS 報告自身航速和位置，只要雷達站周邊有合法艦船活動，就可以校準雷達。該方法優(yōu)點是使用成本比較低，天線方向圖校準過程不會對雷達觀測產(chǎn)生影響，在時效性上，可以實現(xiàn)對雷達天線特性的定期持續(xù)性校準。該方法存在的問題主要有在視角范圍內(nèi)上不一定都有船只活動，且艦船目標檢測結(jié)果與AIS 報告位置準確匹配是獲得準確方向圖的前提。

使用應答器、單頻信標等校準雷達天線時，需要使用載具攜帶信號源圍繞雷達運動，同時記錄坐標軌跡和時間，從雷達采樣數(shù)據(jù)中提取應答器或單頻信標信號，按照時間信息匹配經(jīng)緯度，即可獲得雷達天線方向圖。武漢大學為OSMAR-S 開發(fā)了應答器[8-9]，該應答器除了用于天線校準以外，還可以通過模擬多普勒頻移來模擬目標的運動速度。應答器技術(shù)較為復雜，時鐘穩(wěn)定性要求高，因此成本較高。單頻信標只需要一個能發(fā)出正弦信號的信號源，對頻率穩(wěn)定性和準確性要求不高，技術(shù)實現(xiàn)簡單，常被用于陣列天線校準。

由于雷達收到“有源”信號信噪比高，降低環(huán)境噪聲干擾，在準確性上，“有源”校準具有明顯的優(yōu)勢，但是每次測量都需要租用船只，導致使用成本比較高，會給設(shè)備廠家和運維單位帶來較大的負擔，限制了推廣應用。小型低成本無人機的廣泛應用給雷達天線校準提供了一種新的低成本的承載平臺。單頻信標相對應答器來說，更易于小型化，適合小型無人機攜帶。小型無人機搭載單頻信標不僅解決了“有源”校準的成本問題，而且由于無人機幾乎不受地形限制，可以獲得完整360°全方位的天線方向圖，更具有優(yōu)勢。2017 年，WASHBURN L 等[10]嘗試應用無人機校準天線方向圖。2019 年，武漢大學也提出了適用于船、無人機等多種承載平臺的單頻信標高頻雷達天線方向圖校準理論和方法[3]。同年，國家海洋技術(shù)中心在自然資源部惠來、南澳等站點開展試點應用，使用了無人機搭載單頻信標的方法。

通過以上對比分析，如表1 所示，單頻信標的校準方法可應用于無人機/船兩種平臺，兼具靈活性、成本和測量精度的優(yōu)勢，是雷達天線方向圖校準的首選。

表1 高頻地波雷達天線方向圖校準方法對比

2 單頻信標天線方向圖校準系統(tǒng)

2.1 MUSIC 算法

SeaSonde 雷達采用的是單極子交叉環(huán)天線。理想情況下，余弦環(huán)天線、正弦環(huán)天線、單極子天線的方向圖函數(shù)見式（1）。

式中，θ 是信號源的到達角，以順時針方向為正。

在理想模型基礎(chǔ)上，陣列各個接收通道在第m個距離元、多普勒頻率f 處的回波信號見式（2）。

式中，i 為接收機通道編號；k 為回波信號源數(shù)量。對于一個簡單的沿岸流，在Bragg 散射區(qū)域內(nèi)，每個多普勒單元只有1 或2 個方向到達角，而且單到達角的占多數(shù)，認為k =1。由通道快拍數(shù)據(jù)構(gòu)建接收信號自協(xié)方差矩陣。

然后對其進行特征值分解后，利用導向矢量與噪聲子空間的正交特性構(gòu)造空間譜函數(shù)。

式中，θ 為搜索空間譜函數(shù)峰值位置的角度，即到達角[8]。

天線方向響應特性A（θ）參與空間譜函數(shù)計算，直接影響到達角估計的準確性。在實際應用中，由于天線陣元方向圖本身不一定是理想的，并且還可能受到周邊環(huán)境影響而發(fā)生畸變；各個通道信號增益和初始相位不同，這些都影響到達角的判定。因此，為了保障高頻地波雷達數(shù)據(jù)可信，必須進行方向圖校準，使用雷達天線實際方向圖進行達到角估計。

2.2 天線方向圖測量原理

在使用外部正弦連續(xù)波信號對高頻地波雷達天線方向圖進行校準時，雷達本身也要工作在正弦連續(xù)波模式，雷達接收機接收的信號見式（5）。

式中，f1為雷達本振信號頻率；f2為校準信號頻率；?i為天線第i 通道的相位；ai（θ）為天線第i 通道天線在θ 方向信號強度。由于使用外部信號源進行校準，相對船只回波、海洋回波來說，雷達接收機的收到信號信噪比很高，因此噪聲ni（t）的影響可忽略。以單極子通道作為基準，進行歸一化處理，幅度函數(shù)和相位函數(shù)分別為式（6）和式（7）。

天線方向圖校準過程中，雷達接收機在進行數(shù)據(jù)采樣時仍然按照原線性調(diào)頻信號的快拍周期進行數(shù)據(jù)采集和保存。每個快拍時間內(nèi)，可以認為信號源相對雷達天線的方向是不變的。將每個快拍計算得到的幅度、相位與方向?qū)?，得到天線幅度和相位隨方向的響應曲線。

從雷達天線方向圖計算過程可知，使用單頻信標方法，雷達需要保存原始時間序列數(shù)據(jù)或者經(jīng)過第一次傅里葉變換的快拍采樣數(shù)據(jù)。SeaSonde 系列雷達保存了原始時間序列數(shù)據(jù)，滿足要求。依據(jù)上述計算方法和數(shù)據(jù)處理過程，設(shè)計軟件，處理雷達數(shù)據(jù)、信標軌跡數(shù)據(jù)后得到雷達天線方向圖。

2.3 測量系統(tǒng)

雷達天線方向圖特性跟工作頻率有關(guān)，這就要求單頻信標必須能夠按照實際雷達工作頻率發(fā)送校準信號。重新設(shè)計的單頻信標，采用STM32F103作為控制器，控制直接數(shù)字合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS） 芯片AD9959，能夠在3 MHz～50 MHz 頻率范圍，提供任意頻率的正弦信號，滿足高頻地波雷達全頻段校準需要。單頻信標在設(shè)計時考慮了船載和無人機機載兩種使用環(huán)境，盡量減小體積并降低重量。如圖1 所示，單頻信標與CODAR 應答器相比，重量和體積都大為減少。

圖1 CODAR 應答器（黃色）與方向圖校準裝置中的信號源（白色）

用于處理CODAR SeaSonde 雷達數(shù)據(jù)的軟件由Python 語言編寫，Numpy 模塊負責數(shù)據(jù)計算，使用Matplotlib 實現(xiàn)距離譜、距離—多普勒譜和天線方向圖的可視化顯示。

2021 年1 月，新的測量系統(tǒng)在乳山黃龍甲站（OSMAR-S 型雷達）進行了無人機吊載信標進行天線方向圖測量試驗。單頻信標工作頻率與雷達保持一致，為13 MHz。用無人機吊起后，圍繞接收天線距離120 m 環(huán)繞飛行，雷達可以接收到校準裝置的信號，如圖2 所示。

圖2 2021 年1 月在乳山黃龍甲站無人機掛載信號源和OSMAR-S 雷達信號接收試驗

3 天線方向圖校準系統(tǒng)試驗結(jié)果

3.1 方向圖校準試驗結(jié)果

2021 年4 月28 日，在青島南姜站對校準裝置開展了首次試驗。南姜站使用的是CODAR 的SeaSonde 系統(tǒng)，在2018 年底使用CODAR 的應答器完成了方向圖校準。CODAR 應答器測量的方向圖可以作為參考，用于檢驗校準裝置測量結(jié)果。

在試驗開始前，將雷達計算機時間與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）時間同步。關(guān)閉雷達發(fā)射信號，并將雷達配置為CW 模式。雷達工作頻率24.7 MHz，調(diào)整校準裝置發(fā)射信號頻率為24.7 MHz。檢查雷達可以收到校準裝置發(fā)送的信號后，開始試驗。

由船只攜帶方向圖校準裝置，圍繞高頻地波雷達接收天線運動，利用GNSS 模塊，同步記錄信號源經(jīng)緯度坐標。圖3 為船只運行軌跡，距離接收天線最近距離約200 m，最遠距離約1 km。

圖3 南姜站試驗船移動軌跡

將天線方向圖校準裝置的數(shù)據(jù)處理軟件中方向圖平滑角度設(shè)置為10°，與SeaSonde 系統(tǒng)方向圖平滑尺度保持一致。南姜站雷達天線方向圖校準結(jié)果如圖4 所示，與2018 年使用CODAR 應答器的校準結(jié)果對比曲線見圖5，二者基本一致，A 環(huán)和B 環(huán)幅度響應誤差統(tǒng)計見表2。

表2 方向圖校準裝置與應答器校準結(jié)果的誤差統(tǒng)計

圖4 2021 年4 月實測高頻地波雷達天線方向圖

圖5 2021 年4 月使用方向圖校準裝置與2018 年使用CODAR 應答器校準的方向圖對比

3.2 海流比測試驗結(jié)果

為了驗證方向圖校準效果，2021 年5 月9 日，使用聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）開展海流對比觀測試驗。比測站位在雷達站東南方向16 km 處，坐標東經(jīng)120.433 9°，北緯35.962 5°，由于受突發(fā)天氣影響，比測時間僅持續(xù)8 個小時。

雷達數(shù)據(jù)包括兩組，一組是南姜雷達站輸出的采用應答器校準的徑向流場數(shù)據(jù)；另一組是課題組根據(jù)雷達保存的交叉譜數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理軟件中導入4 月28 日試驗獲取的實測天線方向圖，獲得雷達實測徑向流場數(shù)據(jù)，如圖6 所示。數(shù)據(jù)處理軟件每30 min 輸出一場徑向流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理方面，雷達輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過時空濾波，剔除奇異值。ADCP 輸出數(shù)據(jù)10 min 一組，將ADCP 數(shù)據(jù)按照雷達采樣時間進行平滑濾波和抽取，保持采樣時間一致，然后統(tǒng)計均方根誤差。以ADCP 在雷達方向的海流分量與兩組雷達徑向流場中該站位的觀測值進行對比，如圖7 所示，三者變化趨勢基本一致，統(tǒng)計誤差特征，課題組方向圖校準結(jié)果均方根誤差7.8 cm/s，CODAR 應答器校準結(jié)果均方根誤差為7.9 cm/s，基本一致。

圖6 經(jīng)過方向圖校準后的徑向流場

圖7 比測站位徑向海流對比

4 天線方向圖校準注意事項

通過之前單頻信標無人機機載應用和本次船載平臺的使用，對校準過程中需要注意事項總結(jié)如下。

（1）校準頻率應該與雷達觀測時使用的工作頻率一致。雷達天線特性會隨工作頻率變化，當雷達頻率變化超過一定范圍時，需要重新校準雷達天線方向圖。

（2）天線方向圖測量過程中，無人機或船圍繞接收天線運動，盡量覆蓋雷達觀測角度范圍，不必嚴格按照圓形軌跡航行，信標與接收天線距離不小于3 倍波長。

（3）無人機搭載信標時，建議信標天線距海面高度不超過5 m，飛行速度不高于1（°）/s。

（4）如果使用大功率單頻信號源，應注意雷達接收機所有天線通道接收信號是否飽和，如果出現(xiàn)某一通道信號飽和，則認定此次測量無效，需要降低信標發(fā)射功率或者增大與接收天線的距離，重新測量。

5 結(jié) 論

本文首先對比了高頻地波雷達天線校準方法；然后完善了單頻信標天線方向圖校準系統(tǒng)，設(shè)計了可在3 MHz～50 MHz 范圍內(nèi)調(diào)整頻率的單頻信標，研究并實現(xiàn)了SeaSonde 雷達的單頻信標方向圖校準方法；接下來在南姜站實測天線方向圖與SeaSonde應答器測量結(jié)果基本一致，進一步的海流比測試驗和基于實測天線方向圖的海流反演結(jié)果表明該方法可用于SeaSonde 雷達校準，最后總結(jié)了天線方向圖校準中的注意事項。自然資源部及地方涉海部門使用的便攜式高頻地波雷達主要有OSMAR-S 和SeaSonde 兩個系列，均可以采用單頻信標校準方法，此項技術(shù)的應用推廣能夠提高對高頻地波雷達網(wǎng)的技術(shù)保障能力，提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。