浮标式高频地波雷达若干信号处理问题研究

发布时间：2018-11-08 12:07

【摘要】：高频电磁波具有沿导电海面传播衰减小的特点,高频地波雷达利用这一特点可以实现海洋表面的超视距探测。目前高频地波雷达主要采用岸基模式,实现沿岸区域的海面、低空目标及海洋表面状态探测。由于电磁波的距离衰减,岸基雷达难以满足远海区域的探测需求。浮标式高频地波雷达正是解决这一难题的有效途径,利用海面大型浮标及钻井平台作为雷达载体,可以实现平台周边海域的大范围监测。同时,浮标式高频地波雷达可以作为探测节点,与岸基雷达共同组成高频雷达网络,实现网络化探测。本文基于国家863计划海洋领域“十二五”重大课题专项“浮标式高频地波雷达系统研制”,从以下几个方面展开：浮标雷达信号建模、瞬态干扰抑制、海面回波谱建模和仿真、运动补偿,主要内容包括如下几方面： 1)介绍了浮标式高频地波雷达的系统组成及其信号处理。除了岸基地波雷达中的收发系统之外,浮标雷达还包括浮标平台子系统,为整个雷达的运行提供必要的保障。浮标雷达的信号处理流程与岸基雷达相同,但浮标运动导致平台与散射元之间的距离扰动,利用两次FFT处理机制对此扰动进行了分析,该扰动不会对距离变换产生影响,但会造成每个距离元的回波相位污染,当浮标运动超过一定条件时,将会造成回波多普勒搬移和展宽。从阵列信号的基本数学模型出发,建立了浮标雷达的阵列信号模型,并分析了浮标运动对数字波束形成和超分辨空间谱估计算法MUSIC(Multiple Signal Classification)的影响。 2)瞬态干扰是浮标式高频地波雷达的主要外部干扰类型之一,造成雷达回波谱噪声基底抬高,信噪比下降,影响雷达探测结果。针对瞬态干扰抑制问题,首先给出了干扰抑制的总体框架：信号预处理-干扰检测／抑制-信号恢复。在干扰检测和抑制部分,利用小波分解对干扰进行检测,并提出了一种基于S变换的瞬态干扰检测方法,该方法充分利用瞬态干扰持续时间短、多普勒扩展强的特点,避免了信号预处理中的海洋回波抑制步骤；在信号恢复部分,分别利用AR模型和BP神经网络实现海洋回波的预测与恢复。利用实测数据对经典方法(小波分解-AR预测)和所提方法(S变换-BP网络预测)进行了测试和分析,结果证明了方法的有效性,处理后多普勒信噪比改善5-15dB。与经典方法相比,本文中提出的S变换-BP神经网络方法信噪比改善更加明显,海洋回波信号的能量损失更小,同时避免了海洋回波抑制步骤。 3)海面散射系数即海面散射截面方程是描述海洋回波特征的主要方法之一,由于浮标自身的运动状态,岸基雷达回波谱模型不再适用于浮标式高频地波雷达。首先给出了岸基雷达的海面后向散射系数的推导方法,在此基础上推导了平台运动条件下的一、二阶散射系数。平台运动主要表征为两类：线性运动,即浮标平台在海面风和海流作用下的水平运动,用匀速运动表示；非线性运动,即浮标平台在横浪的作用下产生的横荡运动,用正弦函数表示。利用该散射系数对浮标式高频地波雷达海洋回波多普勒谱进行了数值仿真。然后重点讨论和分析了不同风速、风向、工作频率对回波谱的影响。最后以窄波束散射系数为基础,利用波束细分法导出了宽波束雷达的一二阶散射模型,给出了宽波束回波谱的仿真结果。 4)浮标6自由度运动对浮标雷达回波的影响可以分为阵列误差和回波相位污染两部分。阵列误差是时变的,并且可以用浮标姿态参数解析表示,利用姿态参数可以实时的对阵列误差进行校正。结果表明,当传感器参数存在误差时,会给校正结果引入误差,常规波束形成后,该误差仅与横摇、纵摇误差相关,10%误差条件下,当横摇纵摇角小于30。时,校正后误差因子小于0.1。针对回波相位污染问题,研究了基于运动参数的相位补偿算法,相位梯度法PGA,最大似然估计法MLE,并提出了基于S变换的瞬时频率估计法ST。利用实测和仿真数据对这几种算法进行了测试,结果表明经过相位补偿后,回波相位污染得到改善,一阶峰被锐化,并仿真分析了不同信噪比、相位污染函数类型和参数条件下各个方法的性能。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN957.51

【参考文献】