[论文解读] Self-calibration and antenna grouping for bistatic oceanographic High-Frequency Radars

Dylan Dumas, Charles‐Antoine Guérin|arXiv (Cornell University)|May 21, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 16被引用 19

一句话总结

本文通过引入自校准与阵元分组技术，提升了双向高频雷达（HFR）在地表流场映射中的性能。利用远程发射机的直达信号（在距离-Doppler图中表现为零-Doppler且距离最小的位置），自动校正接收阵列各通道的复增益，同时通过多个子阵列的波束赋形实现波达方向估计，从而实现高分辨率、全覆盖的流场图，且对缺失阵元具有强鲁棒性。

ABSTRACT

We propose two concepts for the significant improvement of surface current mapping with bistatic oceanographic High-Frequency Radars. These ameliorations pertain to the azimuthal processing of radar data with linear or quasi-linear antenna arrays. The first idea is to take advantage of the remote transmitter to perform an automatic correction of the complex gains of the receiving antennas based on the analysis of the signal received in the direct path. This direct signal can be found at the zero-Doppler and minimal range cell in the Range-Doppler representation. We term this adjustment as "self-calibration" of the receiving array, as it can be performed in real-time without any specific action from the operator. The second idea consists in applying a Direction Finding technique (instead of traditional Beam Forming) not only to the full array of antenna but also to subarrays made of a smaller number of sequential antennas, a method which we refer to as "antenna grouping". The combination of self-calibration and antenna grouping makes it possible to obtain high-resolution maps with full coverage, thereby combining the respective merits of Direction Finding and Beam Forming techniques. In addition the method is found robust to missing antennas in the array. These techniques are applied to and illustrated with the multistatic High-Frequency Radar network in Toulon.

研究动机与目标

• 解决双向高频雷达系统中方位处理的局限性，即波束成形在偏离端射方向时性能下降，且波达方向估计需要较长的积分时间。
• 克服双向配置下接收阵列缺乏可靠、实时校准方法的问题，尤其在传统校准方式（如船载校准）不可行时。
• 通过结合高分辨率波达方向估计与子阵列处理带来的波束成形鲁棒性，提升地表流场映射的空间分辨率与覆盖范围。
• 确保系统对远程接收站点硬件故障（如阵元缺失或失效）具有韧性，此类问题常导致雷达网络中断。

提出的方法

• 利用距离-Doppler图中零-Doppler且距离最小的直达信号，实时估计并校正接收阵元的复增益，实现自动自校准。
• 不仅对全阵列，也对由连续阵元构成的多个重叠子阵列应用波达方向估计（如MUSIC算法），该方法称为“阵元分组”。
• 将所有子阵列生成的椭圆速度图进行融合，生成高分辨率、全覆盖的地表流场图，有效抑制单个子阵列误差引入的伪影。
• 利用几何约束与直达信号和发射机预期信号之间的相位对齐关系，估计并校正阵元增益的相位与幅度误差。
• 将自校准方法实现为无需硬件改动的软件补丁，可实时应用于每个时间序列。
• 通过持续处理有效子阵列，即使部分阵元缺失，仍保持系统鲁棒性，性能渐进下降而非突然失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否可靠地利用零-Doppler、最小距离单元中的直达信号，实现实时、自动的双向HFR系统接收阵元复增益校准？
• RQ2 将波达方向估计应用于多个重叠子阵列（即阵元分组）是否显著优于全阵列波束成形或标准波达方向估计，从而提升方位分辨率与覆盖范围？
• RQ3 在存在增益校准偏差的情况下，自校准方法在短子阵列上应用时，对波达方向估计的精度与稳定性提升程度如何？
• RQ4 自校准与阵元分组结合后，对远程接收阵列中阵元缺失或失效的容错能力提升程度如何？
• RQ5 与现场漂流浮标测量结果对比时，所生成的流场图是否能达到高精度，尤其在复杂双向几何构型下？

主要发现

• 利用远程发射机的直达信号实现自校准，可在无需外部校准的情况下实现实时、自动的阵元复增益校正，显著提升方位处理精度。
• 阵元分组——即对多个重叠子阵列分别应用波达方向估计——通过融合所有有效子阵列的结果，生成高分辨率、全覆盖的地表流场图。
• 通过自校准校正增益误差，有效减少了因阵元增益偏差导致的图幅旋转等伪影，尤其在短子阵列中问题更为突出。
• 在自校准条件下，使用10个3阵元子阵列生成的流场图相比未校准版本有明显改善，如图10所示。
• 即使最多有三个阵元缺失，系统仍能正常运行并生成可用的流场图，展现出对硬件故障的强鲁棒性。
• 与现场漂流浮标数据对比显示，HFR反演的椭圆速度与实测表层流速高度一致，最佳轨迹的均方根误差约为2.5 cm/s。