高頻地波雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)方法研究

張東亮，王心鵬，王 斌，王恒林

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.自然資源部北海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心，山東 青島 266061）

高頻地波雷達(dá)利用海洋表面對(duì)高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)海流、海浪等海洋環(huán)境大范圍和全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一種高效的海洋觀測(cè)工具。高頻地波雷達(dá)在探測(cè)海洋表面流場(chǎng)時(shí)，需要進(jìn)行回波信號(hào)的到達(dá)角提取，不管是采用比幅測(cè)向還是多重信號(hào)分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法，定向準(zhǔn)確度受雷達(dá)天線方向圖特性影響。為了保障雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要對(duì)雷達(dá)天線方向圖進(jìn)行校準(zhǔn)。歐美國(guó)家的高頻地波雷達(dá)網(wǎng)均已將天線方向圖校準(zhǔn)作為確保海流觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[1]。國(guó)內(nèi)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高頻地波雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)試驗(yàn)規(guī)范》（HY/T 0280—2019）[2]中也強(qiáng)調(diào)了雷達(dá)在比測(cè)前需要對(duì)天線方向圖進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。為了確保高頻地波雷達(dá)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，提高海流觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，自2019 年底起，國(guó)家海洋技術(shù)中心聯(lián)合武漢大學(xué)、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(biāo)的天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)[3]在自然資源部的OSMAR-S 雷達(dá)站進(jìn)行了試應(yīng)用，主要用來評(píng)估雷達(dá)天線方向圖畸變和幅相校準(zhǔn)情況。在上述工作基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步完善了基于單頻信標(biāo)的方向圖校準(zhǔn)系統(tǒng)，開展了與CODAR（CODAR Ocean Sensors Ltd.） 應(yīng)答器對(duì)比驗(yàn)證和海流反演驗(yàn)證，為進(jìn)一步推廣高頻地波雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 天線方向圖校準(zhǔn)方法對(duì)比

高頻地波雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)包含兩個(gè)方面，首先是陣列天線各個(gè)天線單元信號(hào)的增益和初始相位不同，需要進(jìn)行幅相補(bǔ)償；其次，每個(gè)天線單元對(duì)各個(gè)方向的信號(hào)的響應(yīng)特性受到環(huán)境和制造工藝影響導(dǎo)致天線方向圖發(fā)生畸變，此時(shí)仍采用理想的響應(yīng)特性去定位信號(hào)方向時(shí)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的方位判定，需要使用實(shí)際的方向圖以減小畸變帶來的影響。目前，雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)方法可以分為“無源”和“有源”兩大類，“無源”校準(zhǔn)是通過對(duì)接收到的無先驗(yàn)信息的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接收系統(tǒng)的校準(zhǔn)[4-5]?！坝性础毙?zhǔn)是通過接收某一個(gè)或多個(gè)已知方位的信號(hào)源的來波實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的校準(zhǔn)。“有源”校準(zhǔn)方法通過應(yīng)答器、單頻信標(biāo)等外部信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)，信號(hào)源帶有軌跡記錄，相比“無源”校準(zhǔn)，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(cè)量天線方向圖畸變。歐美等國(guó)家強(qiáng)調(diào)天線方向圖校準(zhǔn)，主要指使用“有源”校準(zhǔn)方法對(duì)雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)。

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

AIS（Automatic Identification System）艦船回波校準(zhǔn)方法[6-7]是“有源”校準(zhǔn)，將雷達(dá)檢測(cè)艦船與AIS 系統(tǒng)報(bào)告信息進(jìn)行匹配，獲得船只回波的方位和距離，進(jìn)一步獲得天線方向圖。合法艦船會(huì)通過AIS 報(bào)告自身航速和位置，只要雷達(dá)站周邊有合法艦船活動(dòng)，就可以校準(zhǔn)雷達(dá)。該方法優(yōu)點(diǎn)是使用成本比較低，天線方向圖校準(zhǔn)過程不會(huì)對(duì)雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)生影響，在時(shí)效性上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線特性的定期持續(xù)性校準(zhǔn)。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(dòng)，且艦船目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果與AIS 報(bào)告位置準(zhǔn)確匹配是獲得準(zhǔn)確方向圖的前提。

使用應(yīng)答器、單頻信標(biāo)等校準(zhǔn)雷達(dá)天線時(shí)，需要使用載具攜帶信號(hào)源圍繞雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄坐標(biāo)軌跡和時(shí)間，從雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)中提取應(yīng)答器或單頻信標(biāo)信號(hào)，按照時(shí)間信息匹配經(jīng)緯度，即可獲得雷達(dá)天線方向圖。武漢大學(xué)為OSMAR-S 開發(fā)了應(yīng)答器[8-9]，該應(yīng)答器除了用于天線校準(zhǔn)以外，還可以通過模擬多普勒頻移來模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。應(yīng)答器技術(shù)較為復(fù)雜，時(shí)鐘穩(wěn)定性要求高，因此成本較高。單頻信標(biāo)只需要一個(gè)能發(fā)出正弦信號(hào)的信號(hào)源，對(duì)頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求不高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，常被用于陣列天線校準(zhǔn)。

由于雷達(dá)收到“有源”信號(hào)信噪比高，降低環(huán)境噪聲干擾，在準(zhǔn)確性上，“有源”校準(zhǔn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是每次測(cè)量都需要租用船只，導(dǎo)致使用成本比較高，會(huì)給設(shè)備廠家和運(yùn)維單位帶來較大的負(fù)擔(dān)，限制了推廣應(yīng)用。小型低成本無人機(jī)的廣泛應(yīng)用給雷達(dá)天線校準(zhǔn)提供了一種新的低成本的承載平臺(tái)。單頻信標(biāo)相對(duì)應(yīng)答器來說，更易于小型化，適合小型無人機(jī)攜帶。小型無人機(jī)搭載單頻信標(biāo)不僅解決了“有源”校準(zhǔn)的成本問題，而且由于無人機(jī)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(shì)。2017 年，WASHBURN L 等[10]嘗試應(yīng)用無人機(jī)校準(zhǔn)天線方向圖。2019 年，武漢大學(xué)也提出了適用于船、無人機(jī)等多種承載平臺(tái)的單頻信標(biāo)高頻雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)理論和方法[3]。同年，國(guó)家海洋技術(shù)中心在自然資源部惠來、南澳等站點(diǎn)開展試點(diǎn)應(yīng)用，使用了無人機(jī)搭載單頻信標(biāo)的方法。

通過以上對(duì)比分析，如表1 所示，單頻信標(biāo)的校準(zhǔn)方法可應(yīng)用于無人機(jī)/船兩種平臺(tái)，兼具靈活性、成本和測(cè)量精度的優(yōu)勢(shì)，是雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)的首選。

表1 高頻地波雷達(dá)天線方向圖校準(zhǔn)方法對(duì)比

2 單頻信標(biāo)天線方向圖校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 MUSIC 算法

SeaSonde 雷達(dá)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(hào)源的到達(dá)角，以順時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

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

式中，i 為接收機(jī)通道編號(hào)；k 為回波信號(hào)源數(shù)量。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的沿岸流，在Bragg 散射區(qū)域內(nèi)，每個(gè)多普勒單元只有1 或2 個(gè)方向到達(dá)角，而且單到達(dá)角的占多數(shù)，認(rèn)為k =1。由通道快拍數(shù)據(jù)構(gòu)建接收信號(hào)自協(xié)方差矩陣。

然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解后，利用導(dǎo)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(dá)角[8]。

天線方向響應(yīng)特性A（θ）參與空間譜函數(shù)計(jì)算，直接影響到達(dá)角估計(jì)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)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(gè)通道信號(hào)增益和初始相位不同，這些都影響到達(dá)角的判定。因此，為了保障高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)可信，必須進(jìn)行方向圖校準(zhǔn)，使用雷達(dá)天線實(shí)際方向圖進(jìn)行達(dá)到角估計(jì)。

2.2 天線方向圖測(cè)量原理

在使用外部正弦連續(xù)波信號(hào)對(duì)高頻地波雷達(dá)天線方向圖進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，雷達(dá)本身也要工作在正弦連續(xù)波模式，雷達(dá)接收機(jī)接收的信號(hào)見式（5）。

式中，f1為雷達(dá)本振信號(hào)頻率；f2為校準(zhǔn)信號(hào)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(hào)強(qiáng)度。由于使用外部信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)，相對(duì)船只回波、海洋回波來說，雷達(dá)接收機(jī)的收到信號(hào)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(zhǔn)，進(jìn)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(zhǔn)過程中，雷達(dá)接收機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)仍然按照原線性調(diào)頻信號(hào)的快拍周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和保存。每個(gè)快拍時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為信號(hào)源相對(duì)雷達(dá)天線的方向是不變的。將每個(gè)快拍計(jì)算得到的幅度、相位與方向?qū)?yīng)，得到天線幅度和相位隨方向的響應(yīng)曲線。

從雷達(dá)天線方向圖計(jì)算過程可知，使用單頻信標(biāo)方法，雷達(dá)需要保存原始時(shí)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(dá)保存了原始時(shí)間序列數(shù)據(jù)，滿足要求。依據(jù)上述計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理過程，設(shè)計(jì)軟件，處理雷達(dá)數(shù)據(jù)、信標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)后得到雷達(dá)天線方向圖。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)

雷達(dá)天線方向圖特性跟工作頻率有關(guān)，這就要求單頻信標(biāo)必須能夠按照實(shí)際雷達(dá)工作頻率發(fā)送校準(zhǔn)信號(hào)。重新設(shè)計(jì)的單頻信標(biāo)，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(hào)，滿足高頻地波雷達(dá)全頻段校準(zhǔn)需要。單頻信標(biāo)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了船載和無人機(jī)機(jī)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(biāo)與CODAR 應(yīng)答器相比，重量和體積都大為減少。

圖1 CODAR 應(yīng)答器（黃色）與方向圖校準(zhǔn)裝置中的信號(hào)源（白色）

用于處理CODAR SeaSonde 雷達(dá)數(shù)據(jù)的軟件由Python 語言編寫，Numpy 模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算，使用Matplotlib 實(shí)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(cè)量系統(tǒng)在乳山黃龍甲站（OSMAR-S 型雷達(dá)）進(jìn)行了無人機(jī)吊載信標(biāo)進(jìn)行天線方向圖測(cè)量試驗(yàn)。單頻信標(biāo)工作頻率與雷達(dá)保持一致，為13 MHz。用無人機(jī)吊起后，圍繞接收天線距離120 m 環(huán)繞飛行，雷達(dá)可以接收到校準(zhǔn)裝置的信號(hào)，如圖2 所示。

圖2 2021 年1 月在乳山黃龍甲站無人機(jī)掛載信號(hào)源和OSMAR-S 雷達(dá)信號(hào)接收試驗(yàn)

3 天線方向圖校準(zhǔn)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

3.1 方向圖校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果

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

在試驗(yàn)開始前，將雷達(dá)計(jì)算機(jī)時(shí)間與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）時(shí)間同步。關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，并將雷達(dá)配置為CW 模式。雷達(dá)工作頻率24.7 MHz，調(diào)整校準(zhǔn)裝置發(fā)射信號(hào)頻率為24.7 MHz。檢查雷達(dá)可以收到校準(zhǔn)裝置發(fā)送的信號(hào)后，開始試驗(yàn)。

由船只攜帶方向圖校準(zhǔn)裝置，圍繞高頻地波雷達(dá)接收天線運(yùn)動(dòng)，利用GNSS 模塊，同步記錄信號(hào)源經(jīng)緯度坐標(biāo)。圖3 為船只運(yùn)行軌跡，距離接收天線最近距離約200 m，最遠(yuǎn)距離約1 km。

圖3 南姜站試驗(yàn)船移動(dòng)軌跡

將天線方向圖校準(zhǔn)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(dá)天線方向圖校準(zhǔn)結(jié)果如圖4 所示，與2018 年使用CODAR 應(yīng)答器的校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比曲線見圖5，二者基本一致，A 環(huán)和B 環(huán)幅度響應(yīng)誤差統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 方向圖校準(zhǔn)裝置與應(yīng)答器校準(zhǔn)結(jié)果的誤差統(tǒng)計(jì)

圖4 2021 年4 月實(shí)測(cè)高頻地波雷達(dá)天線方向圖

圖5 2021 年4 月使用方向圖校準(zhǔn)裝置與2018 年使用CODAR 應(yīng)答器校準(zhǔn)的方向圖對(duì)比

3.2 海流比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證方向圖校準(zhǔn)效果，2021 年5 月9 日，使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）開展海流對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。比測(cè)站位在雷達(dá)站東南方向16 km 處，坐標(biāo)東經(jīng)120.433 9°，北緯35.962 5°，由于受突發(fā)天氣影響，比測(cè)時(shí)間僅持續(xù)8 個(gè)小時(shí)。

雷達(dá)數(shù)據(jù)包括兩組，一組是南姜雷達(dá)站輸出的采用應(yīng)答器校準(zhǔn)的徑向流場(chǎng)數(shù)據(jù)；另一組是課題組根據(jù)雷達(dá)保存的交叉譜數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理軟件中導(dǎo)入4 月28 日試驗(yàn)獲取的實(shí)測(cè)天線方向圖，獲得雷達(dá)實(shí)測(cè)徑向流場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖6 所示。數(shù)據(jù)處理軟件每30 min 輸出一場(chǎng)徑向流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理方面，雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)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(dá)采樣時(shí)間進(jìn)行平滑濾波和抽取，保持采樣時(shí)間一致，然后統(tǒng)計(jì)均方根誤差。以ADCP 在雷達(dá)方向的海流分量與兩組雷達(dá)徑向流場(chǎng)中該站位的觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示，三者變化趨勢(shì)基本一致，統(tǒng)計(jì)誤差特征，課題組方向圖校準(zhǔn)結(jié)果均方根誤差7.8 cm/s，CODAR 應(yīng)答器校準(zhǔn)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(zhǔn)后的徑向流場(chǎng)

圖7 比測(cè)站位徑向海流對(duì)比

4 天線方向圖校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

通過之前單頻信標(biāo)無人機(jī)機(jī)載應(yīng)用和本次船載平臺(tái)的使用，對(duì)校準(zhǔn)過程中需要注意事項(xiàng)總結(jié)如下。

（1）校準(zhǔn)頻率應(yīng)該與雷達(dá)觀測(cè)時(shí)使用的工作頻率一致。雷達(dá)天線特性會(huì)隨工作頻率變化，當(dāng)雷達(dá)頻率變化超過一定范圍時(shí)，需要重新校準(zhǔn)雷達(dá)天線方向圖。

（2）天線方向圖測(cè)量過程中，無人機(jī)或船圍繞接收天線運(yùn)動(dòng)，盡量覆蓋雷達(dá)觀測(cè)角度范圍，不必嚴(yán)格按照?qǐng)A形軌跡航行，信標(biāo)與接收天線距離不小于3 倍波長(zhǎng)。

（3）無人機(jī)搭載信標(biāo)時(shí)，建議信標(biāo)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(hào)源，應(yīng)注意雷達(dá)接收機(jī)所有天線通道接收信號(hào)是否飽和，如果出現(xiàn)某一通道信號(hào)飽和，則認(rèn)定此次測(cè)量無效，需要降低信標(biāo)發(fā)射功率或者增大與接收天線的距離，重新測(cè)量。

5 結(jié) 論

本文首先對(duì)比了高頻地波雷達(dá)天線校準(zhǔn)方法；然后完善了單頻信標(biāo)天線方向圖校準(zhǔn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了可在3 MHz～50 MHz 范圍內(nèi)調(diào)整頻率的單頻信標(biāo)，研究并實(shí)現(xiàn)了SeaSonde 雷達(dá)的單頻信標(biāo)方向圖校準(zhǔn)方法；接下來在南姜站實(shí)測(cè)天線方向圖與SeaSonde應(yīng)答器測(cè)量結(jié)果基本一致，進(jìn)一步的海流比測(cè)試驗(yàn)和基于實(shí)測(cè)天線方向圖的海流反演結(jié)果表明該方法可用于SeaSonde 雷達(dá)校準(zhǔn)，最后總結(jié)了天線方向圖校準(zhǔn)中的注意事項(xiàng)。自然資源部及地方涉海部門使用的便攜式高頻地波雷達(dá)主要有OSMAR-S 和SeaSonde 兩個(gè)系列，均可以采用單頻信標(biāo)校準(zhǔn)方法，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣能夠提高對(duì)高頻地波雷達(dá)網(wǎng)的技術(shù)保障能力，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。