天发地收高频雷达展宽海杂波建模与抑制技术研究

【摘要】：基于天波发射-地波接收组合传播模式下的高频超视距雷达兼具天波传播距离远、覆盖范围大以及地波绕海面传播稳定的双重优点,并且具有双基地雷达固有的隐蔽性和抗干扰能力。然而天发地收组合传播模式下的海杂波受双基地角以及电离层扰动等因素的复合影响,海杂波谱展宽严重且形态复杂,严重影响舰船目标的检测。本文依据天发地收组合模式高频雷达的探测原理,深入分析了海杂波展宽的内在机理和特性,建立了展宽海杂波模型,在此基础上开展了海杂波抑制方法研究,并利用实测数据分别对海杂波模型和抑制方法进行了验证。本文的研究可为天发地收组合模式高频雷达实现展宽海杂波背景下的目标检测提供一定的理论基础和技术支持。本文围绕以上研究内容,开展的主要工作可概括如下:1、深入研究了天发地收组合模式下一阶海杂波的展宽机理及特性。海杂波展宽机理及特性分析是后续展宽海杂波模型和海杂波抑制方法研究的重要理论依据。首先,结合该体制雷达的探测原理和几何架构,依据双基地海杂波谐振散射条件,分析了一阶海杂波谱的展宽机理;其次,在综合考虑多因素对海杂波复合作用的基础上,推导了一阶海杂波Bragg频率的理论计算公式以及Bragg频谱的展宽范围;然后,分别对电离层、擦地角和双基地角等单因素以及复合因素作用下的一阶海杂波频移和展宽特性进行了理论分析,同时仿真分析了不同距离和不同波束指向处海杂波的分布和展宽特性;最后,依据实测数据与理论分析结果进行了对比验证。2、基于Bragg散射理论深入研究了天发地收组合模式理想宽波束下的双基地海杂波谱模拟方法。未受电离层扰动影响的理想宽波束下的海杂波谱展宽主要是由不同空间位置上的双基地角引起的,此时窄波束情况下得到的海杂波谱模型将不能真实全面地反映海杂波谱形态。为全面分析和模拟天发地收组合模式理想宽波束下的海杂波谱特征,首先在距离和固定的条件下,分析了一阶海杂波的空间几何分布以及理想窄波束下的散射频率特性;然后,考虑到理想天波信号掠射海面时,由于接收宽波束覆盖范围的各分辨单元内双基地角度不同所引起的海杂波谱展宽特性,基于海杂波Bragg散射理论和散射区均分法建立了天发地收组合模式理想宽波束下的海杂波功率谱模型;最后,依据系统布局仿真分析了一阶海杂波谱的双基地分布和展宽特性。这为后续建立基于双基地角和电离层相径扰动复合作用下的展宽海杂波模型提供一定的理论依据。3、基于电离层的传播特性和扰动机理,分析了电离层相径扰动对海洋回波谱的影响。电离层相径扰动的本质是电子浓度时变,导致相位路径产生时变,从而引起回波谱展宽。因此,首先深入分析了电离层的介质特性;其次,在深入研究电离层相径扰动产生机理的基础上,结合电离层混合结构模型以及解析射线追踪技术,提出了基于电离层传播特性的相径扰动模拟方法,并仿真分析了不同的电离层扰动状态对海洋回波谱的影响;最后,理论分析了电离层对天发地收组合模式下海杂波分辨单元的限制以及雷达可探测舰船的最小散射截面积(RCS)。基于电离层传播特性的相径扰动模拟方法为后续展宽海杂波的建模以及抑制方法研究提供了理论依据。4、在明确海杂波展宽机理的基础上,根据前面研究的“天发地收组合模式理想宽波束下的双基地海杂波谱模拟方法”和“基于电离层传播特性的相径扰动模拟方法”,并综合分析电离层相径扰动以及双基地角共同作用时对一阶海杂波谱分布和展宽特性的影响,在此基础上建立了天发地收组合模式下的展宽一阶海杂波模型;然后,基于建立的展宽一阶海杂波模型,依据具体的双基地系统布局和电离层介质参数仿真分析了双基地角和电离层相径扰动对海杂波谱的影响;最后,利用实测数据对一阶海杂波分布和展宽特性的理论分析以及建立的展宽海杂波模型分别进行了验证。一阶海杂波展宽模型的建立将为后续相应的海杂波抑制方法提供一定的理论基础和技术支持。5、根据天发地收组合模式高频雷达一阶海杂波的特性以及建立的展宽海杂波模型,从级联抑制和联合抑制两种途径探讨了展宽海杂波的抑制方法。首先,介绍了展宽海杂波的级联抑制处理整体方案;针对电离层相径扰动引起的海杂波展宽情况,提出了基于S2-method级联校正的电离层相径扰动抑制方法;在电离层相径扰动抑制的基础上,针对双基地角引起的海杂波展宽问题,基于海杂波的理论分布和多维特征,提出了基于前后向预测(FBLP)算法的双基地海杂波抑制方法;接着,基于一阶海杂波谱的空时耦合特性,采用降维的空时自适应处理(STAP)—局域联合处理算法(JDL)对展宽海杂波进行了空时二维联合抑制,并仿真分析了不同的电离层扰动状态对JDL算法抑制性能的影响,同时提出了基于先验知识的海杂波抑制方法;最后,利用实测数据分别对上述理论仿真结果进行了验证。