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浮动平台高频超视距雷达回波信号预处理

刘帅  
【摘要】:高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)利用高频段(3-30MHz)的无线电波沿海洋表面传播衰减小等优势,可对海洋开展大范围、超视距、全天候的探测。按雷达系统架设平台的不同,可将其分类为岸基高频地波雷达和海面浮动平台高频地波雷达。随着国内外对岸基HFSWR系统的研制成功及相关海上探测实验的开展,岸基HFSWR技术已发展的越来越成熟,现已广泛用于海上低空目标及海洋动力学参数遥感探测等。由于电磁波随传播距离增加而能量不断衰减,使得岸基HFSWR对远海区域的探测受到限制。海面浮动平台雷达扩展了 HFSWR技术的应用范围,打破了岸基HFSWR探测距离受限的约束。海面浮动平台地波超视距雷达,可借助平台的可移动性及灵活布设在海洋表面等优势,对感兴趣的海域开展探测。同时,也可将浮动平台雷达作为探测节点,通过分布式同步技术与岸基雷达组网,实现网络一体化探测,从而对更大范围海域的海上低空目标及海洋动力学参数进行探测。因此,海面浮动平台雷达在军事及民用方面均有着广阔的发展前景和应用价值。然而,由于该模式下浮动平台运动的复杂性,导致雷达回波信号处理方面仍存在若干问题。基于国家863计划重点项目,武汉大学海态实验室及相关合作单位共同开展了海面浮动平台雷达研制及海上比测实验。该项目的成功开展推动了海面浮动平台HFSWR在地波雷达领域的应用和发展,本文对于海面浮动平台雷达回波信号预处理方法的研究,是该项目雷达信号处理的重要组成部分,研究成果为海面浮动平台雷达海态遥感的研究提供新的思路及方法。内容包括如下几个方面:(1)介绍了海面浮动平台雷达的系统组成、工作模式及信号波形体制,为充分利用平台空间面积,采用均匀圆形接收阵列,仿真并分析该阵型辐射/接收性能;基于浮动平台随时间运动的特点,结合平台六种自由度运动及接收阵型两者关系建立简单的运动模型,并分析浮动平台运动对阵列信号处理的影响。(2)介绍了两种直达波校准算法,即基于协方差求直达波信号特征值法和直接取各通道直达波相位差法。海面浮动平台雷达作为探测节点时,与岸基地波雷达组网,针对每部岸基雷达站可同时接收其他多部雷达站的直达波信号,提出岸基模式的双层优选直达波校准值方法,为岸基通道一致性校正提供更准确的校准值。根据浮动平台运动模型分析其运动对阵列幅相校准的主要影响因素,即偏航运动及接收阵列方向图畸变。针对浮动平台雷达提出分段校准方法,对偏航运动及方向图畸变进行补偿,将该方法用于实测数据并估计固定信源及海洋回波信号的来波方位,验证该方法的有效性和正确性。(3)研究了该雷达系统接收平台偏航运动下的一阶散射截面方程,分析了雷达单基地和双基地模式下一阶谱区特性,并简单介绍传统一阶谱区划分方法及实现流程。针对一般平均平滑求差谱方法中,选取平滑点数不合适造成划分结果偏差较大等问题,提出了利用一阶谱峰特征对其进行拟合的最小二乘逼近函数划分方法。根据双基地模式下Bragg频率随距离元和双基地角变化而变化特点,提出动态确定每个距离元一阶谱区划分的最大搜索边界的方法。基于实测雷达数据对比划分结果,分别验证了最小二乘方法及将变化Bragg频率因素加入双基地划分方法的有效性和合理性。


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