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双频全数字高频海洋雷达研制及相关问题研究

田应伟  
【摘要】:利用垂直极化的电磁波可沿海洋表面绕射传播的特点,高频地波雷达可以实现对海洋表面环境大范围、超视距、实时地观测,不仅能够获取海洋表面风、浪、流等动力学参数,还能对海面和低空飞行目标进行观测与跟踪。根据天线形式不同,高频地波雷达主要分为阵列式和便携式两种,前者采用相控阵天线,具有口径大、波束窄、角分辨力高的特点;后者采用小型化天线,典型代表是CODAR公司研制的SeaSonde系统,其特点是体积小,便于安装和维护,虽然不像阵列式系统具有很窄的波束,但是通过超分辨算法同样可以获得较高的角分辨能力。在海洋环境监测领域,二者均得到了广泛应用,然而这两种体制的雷达也同时存在以下问题:1)不同海况下浪高测量的精度有待提高。高海况时,雷达回波二阶谱容易饱和,无法与一阶谱分离,会导致海浪测量的精度下降;低海况时,由于电磁波与海浪作用不充分,二阶谱能量很弱,容易被噪声淹没,同样会影响海浪的测量精度;2)海洋回波与硬目标回波重叠时,不仅影响目标信号的检测,还会影响海洋动力学参数的提取;3)高频段恶劣的环境干扰会同时对海洋动力学参数和目标的探测造成消极影响;4)试验环境的地形、地势及附近的干扰物均会造成天线方向图畸变,导致方位角估计误差增大,给天线的选址带来了极大限制。针对上述问题,本文在便携式雷达的基础上,重新设计了一套能双频工作的全数字高频雷达系统,重点研究了双频浪高反演的方法,分析了环境对交叉环/单极子天线方向特性的影响,并提出了一种仅利用交叉环进行方位估计的方法。本文的研究工作具体包括以下方面:1)提出了双频全数字高频雷达系统的整体设计方案和框架结构,包括双频发射天线、接收天线和双频全数字接收机的实现方案。与单频天线相比,双频天线在体积上没有改变,只通过调整部分结构来实现,其工作效率也与单频几乎完全一致。系统采用FMICW工作体制,工作频率分别设定在4-6MHz和12-14MHz频段范围。2)设计和实现了一套双频全数字高频雷达接收机,包括硬件模块电路、信号处理流程和系统控制软件的设计和实现,并形成了工程化的原理样机。与传统中频数字接收机相比,全数字接收机采用射频直接采样、数字混频、数字脉冲压缩技术,省去了模拟混频电路、中频滤波器、本振信号产生电路,大大简化了电路结构,而且降低了模拟器件的缺陷对接收机通道指标的限制,例如灵敏度、动态范围、不同帧之间的相位一致性等。3)比较了分时双频和同时双频两种方案的性能,当两个频率最大探测距离的比值大于3时,分时双频的性能更优。本文采用分时双频波形,并给出了波形参数设计的方法及实例;结合同步控制时序,展示了系统数据传输与状态参数控制的方法,并简要介绍了系统控制软件的设计与功能;另外,在上述硬件平台基础上,扩展了噪声实时监测、自动选频的功能。4)通过测试环境对交叉环/单极子天线方向特性的影响,发现如果用两个环的模值对两个环进行归一化,可以消除由于畸变带来的方位估计影响。在此基础上,提出了一种只利用两个环天线进行方位估计的方法。与传统的交叉环/单极子处理方法相比,该方法的应用不依赖天线的架设环境,而且不需要测试天线实际方向图,同时节省了接收机通道。5)从海浪对电磁波的一阶、二阶散射机理出发,推导了Barrick经典浪高反演方法,并分析了该方法的局限性,最后提出了利用双频融合来突破上述限制的方法,从而获得大尺度海浪探测的能力。该方法通过综合两个频率海洋回波谱的特性得到不同的加权值,将两个频率反演得到的浪高进行加权,不仅提高了浪高探测的范围,增加了探测的距离,还增强了抗干扰的能力。在完成雷达系统设计和制作的基础上,本文分别进行了实验室闭环测试和海边现场试验。实验室测试结果表明,系统的灵敏度为-135dBm,动态范围大于100dB,通道隔离度大于60dB;在连续4.6分钟的相干积累时间内,不同扫频帧之间的幅度差异小于0,005dB,相位差异小于0.01°;在45℃恒温环境、超过40个小时的测试时间内,接收机工作正常,且内部电路与环境之间的最高温差为13℃,完全满足实际工作要求。现场试验得到的回波谱、径向流、浪高结果也验证了系统设计的正确性。利用现场试验得到的数据,还分别验证了本文提出的交叉环方位角估计方法和双频浪高反演方法的正确性和有效性,为提高浪高测量精度和克服环境对天线方向特性的影响提供了良好的解决方法。


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