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机载阵列雷达动目标检测与定位方法研究

曲毅  
【摘要】: 机载阵列雷达动目标检测与定位是电子战的重要内容。它主要包括相控阵雷达的空时自适应处理,目标和干扰信号的测向以及动目标参数估计。在机载非正侧视阵雷达和双基雷达中,杂波谱具有距离依赖性,导致传统的空时自适应处理性能下降。同时传统的DOA估计方法在实际环境中有性能损失。为了抗击衰落,增加抑制杂波的自由度,近来MIMO技术被用于动目标检测与定位。本文紧密围绕机载雷达对动目标检测和定位遇到的实际问题,对单基和双基中的非均匀杂波谱补偿、宽带和互耦下的DOA估计、MIMO雷达下的动目标定位与速度估计等关键技术进行了系统深入的研究。本文的具体工作如下: 1.提出了Chirp z变换和空时重采样两种杂波补偿方法,同时从杂波抑制角度利用凸优化设计发射和接收波束。 为了解决非正侧阵雷达中杂波谱的距离依赖性,Chirp z变换法利用了任何两个距离单元的杂波谱具有尺度关系,采用了二维Chirp z变换与逆傅立叶变换对每一个距离单元的数据进行预处理,所产生的空时数据矩阵具有相同的空时统计特性。该方法计算量小。而空时重采样法通过调整空时采样频率减轻距离依赖性。区别于其它补偿方法,该方法使用插值滤波获得主瓣和旁瓣内一致的杂波谱。随后的空时自适应处理可以较好地抑制杂波。 本文根据地面先验知识,在发射波束设计中,在一些强反射方向上形成一定的凹口,同时为了减少旁瓣杂波,将发射阵列对地形成低旁瓣,对空形成高旁瓣。发射波束是采用凸优化方法实现的。当检测远距离目标时,STAP的训练样本较少,采用凸优化方法有效地设计了低旁瓣的自适应接收波束。 2.分析了四种双基结构下的杂波距离依赖关系,并对它们进行了补偿。针对垂直基线正侧阵、垂直基线前视阵、水平基线正侧阵和水平基线前视阵四种典型的双基雷达系统,分析了其多普勒频率与距离的关系。分析和仿真证明:垂直基线下同一距离单元的杂波多普勒频率和空间角频率存在线性关系,不同距离的杂波谱中心有较好的重合度,越远离中心谱重合度越差。对正侧阵双基雷达,水平基线比垂直基线对杂波谱有更大影响,而对垂直基线和水平基线的前视阵,杂波谱的扩散主要受阵列轴向影响。在此基础上,针对垂直基线正侧阵雷达杂波特点,提出了一种减轻距离依赖性的谱旋转补偿法。该方法给出了空时旋转矩阵,在每个距离单元上实现了空时谱相应角度的旋转,使所有距离单元的杂波谱线斜率一致(重合)。对后三种双基雷达系统结构下杂波谱,根据杂波多普勒频率与距离关系,采用了已有的角度-多普勒频率搬移的方法进行了补偿。 3.在宽带信号和互耦两种非理想条件下,分别提出了尺度变换和奇异值分解方法及其改进。为了更好地进行宽带DOA估计,本文提出了一种尺度方法。它不需要预先知道信号到达方向,而是根据不同频带下的空间谱具有的尺度伸缩关系,采用了Chirp z变换和逆傅立叶变换的简单处理方案。该方法有效地实现了信号子空间的聚焦,而且具有运算量低的特点。考虑互耦效应,基于奇异值分解的DOA估计方法一般只需要有限次迭代便可得到较为精确的结果,是一种盲校正方法。然而在某些情况下,由于迭代可能会陷入局部极小点,本文针对单信号源和多信号源分别提出了改进方法。 4.提出了统计MIMO雷达下的目标定位和速度估计方法,并对相干MIMO雷达的性能进行了分析。 MIMO雷达分为统计MIMO和相干MIMO两类。在统计MIMO雷达目标定位方面,本文利用系数矩阵误差存在相关性的特点,提出约束总体最小二乘的定位方法,并推导了定位误差公式。为了利用统计MIMO雷达对动目标测速,本论文利用了目标对应于各发射机和接收机的速度矢量关系,合成出目标运动方向上的速度。在此基础上,将目标运动方向上的速度矢量投影到接收机和目标的连线方向上,估计出目标径向速度,并对估计性能进行了分析。 本文对相干MIMO雷达性能进行了分析,并与相控阵雷达收发双程波束进行了比较。理论分析和仿真结果表明:利用全部虚拟阵元形成的MIMO(全MIMO)波束与相控阵雷达双程波束相同,而仅利用不重叠阵元形成的MIMO(部分MIMO)波束宽度较窄,但有很大的增益损失;在发射天线稀布的情况下,部分MIMO雷达能够避免波束出现栅瓣;用作搜索雷达时,部分MIMO雷达的探测距离比相控阵雷达近,而全MIMO雷达和相控阵雷达具有相同的探测距离。


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