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天地波高频雷达阵列校准和直达波抑制

宋孝果  
【摘要】:天地波高频雷达利用天波反射/地波绕射的传播模式,能够探测到视距以外的海面舰船和低空飞行目标。相对于传统的天波雷达和地波雷达,天地波雷达具有更大的灵活性,可实现岸基和舰载接收,且天地波雷达属于双基地雷达,地波接收机“静默”接收目标回波,提高雷达的生存能力。此外易于建立天波、地波结合的TR-RN型多基地高频雷达信息网,实现天波和地波超视距雷达资源共享。目前已成为高频超视距雷达研究的热点。天地波雷达是一种新体制雷达,在信号处理方面有许多难点,本文针对天地波雷达阵列补偿和直达波抑制两方面内容进行研究。 本文主要研究岸基地波接收天地波雷达系统,首先分析了天地波雷达工作方式,并给出了其信号处理基本过程。为了抑制强大的干扰、杂波和噪声,天地波雷达采用距离-方位-多普勒三维联合处理方法,详细推导了其处理过程。文中就天地波雷达直达波问题进行特性分析,直达波是高频无线电波经电离层反射直接到达接收机,不经过海面绕射传播。结合实测数据分析出直达波具有能量强、方向稳定且包含发射站信息、零多普勒频率和存在多径传播现象等特点,在信号处理中是理想的参考信号和校准源,但同时也是一种强干扰,需要进行抑制。文中还简单介绍了天地波雷达信号处理中的几个关键技术,包括收/发同步、阵列校准、直达波抑制、电离层污染和目标定位问题,本文主要对阵列校准和直达波抑制两方面问题进行研究。 本文研究了高频雷达阵列校准技术,提出了一种基于空间相关矩阵(SCM)的阵列校准算法。根据天地波雷达直达波特点,选取直达波作为校准源,利用直达波构造空间相关矩阵,阵列相位误差可从空间相关矩阵的相位中估计得到,幅度误差可从空间相关矩阵的主对角线估计得到。空间相关矩阵可以从时域和频域估计得到,研究在不同信噪比和快拍次数情况下,时域和频域方法性能。结合计算机仿真研究SCM算法所适用的信噪比和阵列误差范围,结果表明SCM算法在阵列误差较大情况下性能依然良好,在低信噪比情况下,频域方法性能良好。实测数据验证了算法的正确性和实用性。 接着,本文探讨了稳健的自适应波束形成技术,分析了常规波束形成和Capon波束形成在实际应用中所遇到的问题,引入了稳健的波束形成问题。重点研究了对角加载方法(LSMI)、稳健的最小方差波束形成(RMVB)和稳健的Capon波束形成(RCB)三种方法,详细分析了三种方法提高波束形成器稳健性的原理,深入讨论了三种方法参数的选取、阵列方向图以及输出信干噪比(SINR)。比较这三种算法性能,LSMI方法简单易行,但缺点在于无法确定加载量,信号功率估计偏低;RMVB方法对干扰抑制能力最强,在干扰方向形成的零陷最深,但代价是旁瓣高,对噪声抑制能力弱,信号功率估计接近真实值;RCB方法在同样条件下输出信干噪比较高,能同时抑制干扰和噪声,且估计信号功率最准确。 最后,对天地波雷达直达波抑制进行仿真,考虑阵列幅相误差,利用SCM算法进行校正,由于正交投影算法对误差敏感,本文主要采用稳健的波束形成方法进行直达波抑制。为了评判直达波抑制性能,定义自适应方法输出SINR与常规波束形成输出SINR之比为目标改善因子。详细分析了影响直达波抑制性能的因素,当存在阵列误差和信号非平稳性时,直达波抑制性能受到影响。仿真和实测数据结果表明,存在阵列误差和信号非平稳性时,三种方法能对直达波进行部分抑制,而无法完全对消直达波,在一定程度上能提高目标检测性能。


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